太阳能跨季节蓄热供暖技术研究现状与发展前景

太阳能跨季节蓄热供暖技术研究现状与发展前景

论文概述了太阳能跨季节蓄热供暖技术的分类、工作原理及特点，重点综述了太阳能跨季节蓄热技术的研究现状，分析了该技术当前主要存在的问题，并针对这些问题，提出了可能的解决思路，探讨了该技术未来的发展前景。

【Abstract】In this paper，the classification，working principle and characteristics of solar energy trans-seasonal thermal storage heating technology are summarized，and the research status of solar energy trans-seasonal thermal storage heating technology is emphatically summarized，and the main problems existing in this technology are analyzed. In view of these problems，the possible solutions are put forward，and the future development prospect of the technology is discussed.

标签：太阳能；跨季节蓄热；供暖技术；研究现状；发展展望

1 引言

近年来，我国东北、华北等地区深受雾霾困扰，严重威胁到国民的身体健康和生活水平。相关研究表明，燃煤采暖是造成大气污染的重要原因之一，急需大力推广清洁供暖技术。现采用“以气代煤”和“以电代煤”等清洁能源可快速实现燃煤替代，但能耗和运行成本较高，“以气代煤”还存在气源可靠性问题，故需因地制宜，多种供暖方式并举[1]，进一步发展低能耗、低成本、高可靠性、可替代传统燃煤的清洁能源供暖技术，其中，太阳能供暖是极具前景并被广泛研究和应用的技术之一。国家能源局《太阳能发展“十三五”规划》要求因地制宜推广太阳能供暖，积极推进太阳能与常规能源融合，采取集中式与分布式结合的方式进行建筑供暖，推进工农业领域太阳能供暖。然而，对于我国北方地区，太阳能供暖存在供给和需求之间的时空分布矛盾问题[2]。太阳辐射度存在季节性不均，即夏季过剩，冬季不足的问题，因冬季辐射弱，用太阳能直接供暖保证率很低。为了克服这一矛盾，具有“夏蓄冬用”特点的太阳能跨季节蓄热供暖技术引起人们广泛关注，该系统可将春、夏、秋三个季节的太阳能热量储存于地下的水池或土壤中，以供冬季供暖之用，實现低能耗无煤化清洁供暖。当前，太阳能跨季节蓄热供暖技术在我国还处于发展阶段。[3]故此，本文拟从介绍太阳能跨季节蓄热供暖技术的分类、工作原理及特点出发，回顾太阳能跨季节突然蓄热技术的研究现状，进一步分析该技术当前主要存在的问题，并提出可能的解决思路，探讨发展前景，以供相关行业的专业技术人员或决策者参考。

2 太阳能跨季节蓄热分类、原理及特点

广泛查阅文献可知，现有的储热方式总体上可以分为显热蓄热、相变蓄热和化学蓄热。其中，适用于太阳能蓄热的蓄热方式主要有以下5种：水箱蓄热、地下水池蓄热、土壤蓄热、卵石-水蓄热及相变蓄热。如表1所示，依据《太阳能供热采暖工程技术规范（GB50495-2009）》，对于太阳能跨季节蓄热，地下水池和土壤蓄热最具可行性和推广价值。[4]故此，本文只对这两种跨季节蓄热方式

做详细介绍。

2.1 太阳能跨季节水池蓄热

图1给出了“太阳能跨季节水池蓄热供暖系统”的基本原理图，该系统由太阳能集热子系统、跨季节水池蓄热子系统和供暖子系统等3部分组成。该系统在夏、春、秋等非供暖季节，通过循环水回路把蓄水池表层的水泵送至太阳能集热器加热后，以显热的方式存储至蓄热池底层；在供暖季节，则通过另外一套水循环，将蓄水池底部的温度较高的热水送至建筑末端实现跨季节供暖。在技术方面，水池中水温有明显分层现象，进出水口的空间布局对温度分层有重要影响；水池周围及顶部的保温和防漏所需的结构设计和材料开发，是水池式蓄热的核心技术。在可行性方面，蓄水池修改的初投资较高，同时，还需要占用大面积的土地资源，适合于地广人稀的地区用于区域集中供暖[6]。目前，该水池式蓄热供暖在欧洲丹麦、德国等国家取得了非常好的应用。

2.2 太阳能跨季节土壤蓄热

图2给出了“太阳能跨季节土壤蓄热供暖系统”的基本原理图，类似的，该系统由太阳能集热子系统、跨季节土壤蓄热子系统和热泵供暖子系统3部分组成。土壤蓄热通常以120m以上的浅层土壤作为蓄热体，通过打井埋设地埋管换热管，在管内走循环水由管壁导热对土壤进行加热或冷却，从而实现蓄热和取热。与水池式蓄热相比，土壤蓄热温度相对要低，故此在供热时需要热泵提高供水温度以达到末端供暖需要；土壤蓄热可以根据末端热负荷改变打井的数目和深度，因而可大可小，既可用于区域集中供暖，也可用于分布式供暖[7]。此外，由于土壤温度相对稳定约15～20℃，在夏热冬冷地区，还可以兼顾夏天室内制冷需求。土壤蓄热具有蓄热材料便宜、蓄热潜能大、热损失较小、无环境污染等优点。当前，在技术方面，地下土壤温度的长期准确预测和热平衡控制是需要进一步研究的重要内容；在工程方面，需大幅度降低打井安装地埋管系统所需的成本。

3 太阳能跨季节蓄热供暖技术研究现状以太阳能跨季节蓄热为代表的清洁供暖技术的发展，与国家或地区的经济发达程度、生活水平、地理条件，以及不同时期人们对环境保护的重视程等因素相关。从总体上看，无论选用哪种方式进行蓄热，优化系统运行参数和运行模式、减小储热系统热损失、提高蓄热效率、降低蓄热供暖成本等方面是研究者们关注的重点。

3.1 国外研究现状

在全球范围来看，北美和北欧发达国家较早开展了太阳能跨季节蓄热供暖相关研究，并开展了工程实践。早在20世纪60年代，美国伊利诺伊大学的Penrod 就首次提出了将太阳能集热器与地埋管换热器组合的技术设想。[9]到20世纪70年代后半期欧洲也开始了对太阳能跨季节蓄热系统的研究，并用于供暖系统取得了一定的成果。1979年起太阳能跨季节蓄热已成为国际共同研究的课题，并在国际能源机构（IEA）的大力支持下跨季节蓄热的研究取得了较大的进展。近年来，欧美等国家建立了许多太阳能跨季节蓄热供暖系统的实验平台和示范工程，