太阳能跨季节蓄热供暖技术的研究与应用(1)

太阳能跨季节蓄热供暖技术的研究与应用

李明云1，XXX1，XXX1

（1北京四季沐歌太阳能技术集团有限公司，北京，102600）

摘要 分析了国内现阶段的冬季供暖状况，利用太阳能跨季节蓄热太阳能集中供热系统解决了夏热冬用的技术难题，它能够有效的减少CO2 的排放进而减弱全球的变暖趋势，通过四季沐歌实际工程可以看出，跨季节蓄热太阳能集中供热系统能够提供50%或者更高的太阳能保证率。文章介绍了季节性蓄热中的水蓄热、砾石-水蓄热、埋管蓄热以及含水层蓄热的四种显热蓄热方式，分析了各个蓄热方式的特点及各自的应用场合。针对前期对蓄热系统进行的调研，分析并探讨了蓄热系统的保温、密闭性以及系统造价等。重点对太阳能地下土壤储热的关键技术进行了分析，并初步对地下土壤储热系统的埋管进行了设计计算。 关键词： 太阳能辅助加热；季节性蓄热 ；埋管换热器

Research and Application about Central Solar Heating Plants with

Seasonal Storage

Li Mingyun1,XXX1,XXX1

(Beijing sijimicoe solar energy technology co.,ltd,Beijing,102600)

Abstract This paper analyzes the status of China at this stage about heating in the winter,The use of CSHPSS can solve the technical problem of the summer heat in winter to be used .CSHPSS can effectively reduce CO2 emissions and global warming.Through the sijimicoe actual engineering can be seen, CSHPSS can provide 50% or more high solar fraction. Four sensible heat storage mode is introduced about hot-water thermal energy store、borehole thermal energy store、aquifer thermal energy and gravel-water thermal energy store. This paper analyzed the characteristics of various regenerative way and their respective applications. According to the research on the heat storage system, This paper analyzes the heat insulation system、leakproofness and the system cost etc. The focus is on the analysis about solar energy storage in underground soil about the Yangtze River Basin, This paper preliminary to design and calculation the underground soil heat storage system about buried pipe.

Key words Solar assisted district heating; Seasonal heat storage; Buried pipe heat exchanger

0 引言

近年来，我国冬季冷空气活动频繁，南方地区出现了连续的低温雨雪天气，南方供暖问题变得越来越迫切。2001年我国发布了《夏热冬冷地区居住建筑节能设计标准》，该标准对夏热冬冷地区居住建筑的建筑热工采暖空调提出了与没有采取节能措施前相比节能50%的目标。太阳能作为一种清洁的可再生能源，它在我国夏天资源比较丰富，通过季节蓄热的方式可以有效的解决冬季采暖、工业预热等各个领域。太阳能的供热分为短期蓄热太阳能供热系统CSHPDS(central solar heating plants with diurnal storage)和跨季节蓄热太阳能供热系统CSHPSS（Central solar heating plants with seasonal storage）。短期蓄热主要是满足宾馆、学校等的部分用热水和采暖的需求，它所提供的热量占用户全年需用热量的15%～20%。跨季节蓄热可以满足全年的生活热水和冬季采暖的需求，它所提供的热量可以占用户全年使用热量的50%。早在1996年，在欧洲的几个跨季节采暖试点工程已经开始研究并实施。现阶

通讯作者：李明云（1986- ），男，河南周口人，公司名称：北京四季沐歌太阳能技术集团有限公司。

段在我国南方地区在冬天大部分的能源的使用方式电加热、燃气加热和锅炉加热，因此跨季节蓄热太阳能集中供热系统为减少南方冬季能源消耗和CO2的排放提供了有效的解决方法。

1 系统概念

太阳能低温地板辐射采暖系统是以太阳能集热器为热源，热水通过地下盘管对房间进行供暖。地板辐射采暖的温度可以利用不高于60℃的热水传热介质，在达到同样效果采暖的情况下，地板辐射采暖比其他采暖形式的室内设计温度低2～3℃，季节性蓄热的蓄热温度为0～40℃，经过适当的提升温度，就可以满足低温地板辐射采暖的要求。

图（1）太阳能低温地板辐射采暖系统示意图

根据上海、武汉、北京、大连四个城市采暖季模拟分析别墅采暖面积为180㎡，室内设计温度为16℃,其他参数按照冬冷夏热地区居住建筑节能设计标准和工程的实际选取。模拟结果如下表1。

表（1）室内设计温度16℃时建筑热负荷模拟结果 城市

全年热负荷/KWh 采暖季热负荷指标/W·m-2

上海

5549.02 11.98

武汉 7074.05 14.91

北京 14688 28.37

大连 15782 30.48

由于地球表面上太阳能量密度较低，且存在季节和昼夜交替变化的特点，这使得短期蓄热太阳能供热系统（CSHPDS）不可避免的存在很大的不稳定性，从而使太阳能利用效率也变得很低。采用季节性蓄热技术将夏季的热量蓄积到冬季用来供暖，提高太阳能系统的设计保证率，实现太阳能全年综合利用。这就很大程度克服了CSHPDS的缺点，从而能更高效的利用太阳能资源。CSHPSS系统主要由太阳能集热系统、蓄热系统、末端供暖系统、供热中心和热力交换站等组成。夏季，太阳能集热器加热的热水首先进入地下蓄热水池，蓄热水池中的热水经过板式换热器把热量传递给自来水，通过生活热水管道到达各用户用水点，各用户自备辅助加热器，当由太阳能加热的生活热水达不到设定温度时，则启动辅助加热器加热生活热水。冬季，被太阳能集热器加热的热水首先进入地下蓄热水池中，蓄热水池中的热水经

过板式换热器换热给锅炉房内的采暖回水管道，若经换热后的采暖回水达到50℃，则不经过锅炉房换热器，直接回到锅炉房内的分水器经输配系统输送到采暖末端，若温度不够，则需要经过锅炉换热。

2 太阳能蓄热系统的设计

根据蓄热温度的差异，CSHPSS系统可分为低温蓄热和高温蓄热两种形式。低温蓄热的温度范围通常为0～40℃，而高温蓄热则为40～90℃。国内外应用较多的普遍为低温蓄热，因为对于高温蓄热如何降低热损失是需要考虑很多问题，比如对于一个圆柱蓄热装置热损失主要有底面、侧面和顶面三部分组成，其中顶面热损失最大，占热损失的35%～40%(无隔热材料)或15%～20%（有隔热材料）。一般而言，高温CSHPSS系统最小的储存容量应在10000m2以上。

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CSHPSS中蓄热装置的蓄热性能是评价系统好坏的一个重要指标。根据蓄热介质的不同蓄热装置可以分为四类，热水蓄热（Hot-water Thermal Energy Store 简称HTES）；地埋管蓄热（Borehole Thermal Energy Store简称BTES）；含水层蓄热（Aquifer Thermal Energy Store简称ATES）；砾石-水蓄热（Gravel-water Thermal Energy Store简称GWTES）等四种方式。不同的蓄热方式根据建设地点的土壤、岩石、地下水情况及投资规模确定。

热水蓄热 地埋管蓄热

含水层蓄热 砾石-水蓄热

图（2）四种蓄热方式的类型 表（2）四种蓄热方式比较

蓄热类型 蓄热介质 热容量kWh/m3 与1m3水热容量相

同的体积

热水蓄热 水 60～80 1m3

地埋管蓄热 土壤/岩石 15～30 3～5 m3 钻井方便 导热性好热容量大 深度30～100m

含水层蓄热 砾石-水 30～50 1.3～2 m3

砾石-水蓄热 沙石/水 30～40 2～3 m3 含水层水的流动性

地质要求

结构稳定 无地下水深5-15m

结构稳定无地下水 深度5～15m

较好地下水位低或无地下水砾石厚度为20～50m

2.1热水蓄热

在这四种蓄热方式中热水蓄热具有单位体积热容量、流动性好，存取较为便捷。热水蓄热装置一般为圆柱形，这种结构有利于减小形体系数，以减少热损失。热水蓄热的一个关键技术在于水箱围护结构的设计和隔热，例如玻璃纤维增强塑料组成的新型复合壁面材料或膨胀性聚苯乙烯（EPS）传统的水蓄热系统中的水箱均由钢筋混凝土浇筑而成，水箱一般完全或部分埋入地下，而且至少需要在其顶部和四周进行保温。另外由于保温材料受潮其保温效果会下降，因此还需要注意保温材料的防潮。

为了减少水蒸气通过周围的混凝土墙体扩散所造成的热损失，也就是所说的蓄热体的水密性问题，解决这种水蒸气扩散的常规做法是在蓄热体内部加装不锈钢或聚氨酯材料内衬，但是这种方法造价太高，经济上不可行，随着低蒸汽渗透率的高密度混凝土（HDC）的出现，可以不用不锈钢内衬直接进行蓄热，经济上比较合理。

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图（3）CHSPSS中热水蓄热设计方案

保证较大的蓄热容积（10000m3以上）以减少热损失，蓄热设备四周均保温，通过过程措施避免冷桥。选取吸水率防水性好，导热系数小，保温性能小的材料，例如聚氨酯发泡材料，玻璃棉等。当水箱容积大于10000m3时蓄热体热损失小于10%，当水箱容积小于2500 m3时，蓄热体热损失随体积缩小而损失量变大。在聚氨酯保温厚度达到0.6米时，蓄热介质热损失率为10%。厚度到1.2米以上时热损失率无明显变化。若池底不设保温，25天以后损失率达100%。

太阳能采暖系统所需热量随太阳集热器的集热量与建筑热负荷之间差值增大而增加；蓄热水箱容积随蓄热温差增大而减少，当蓄热水温达到80℃时，在各种地面采暖系统取水温度下，单位集热器面积所需的蓄热水箱容积趋于相等。

主动式太阳能采暖蓄热水箱容积由采暖系统所需的最大蓄热量以及蓄热温差来决定，系统所需最大蓄热量由集热器的太阳能集热量波动规律及建筑热负荷波动规律来决定。 太阳能采暖系统的蓄热量由建筑物热负荷与太阳集热器集热量波动的差值决定，差值越小需要的蓄热量越小，蓄热温差最小宜取5℃，此时计算得到的蓄热水箱容积为最大值。

一个拟采用跨季节蓄热太阳能供热系统的住宅，可以先设定太阳能保证率。北京地区建筑供暖面积与集热面积比值（Ab/Ag）与太阳能保证率的关系（Ab/Ag）<14.918时可按下式估算：

Ab?14.918e?0.0351f Ag小城镇情况f不宜超过40%，此时建筑面积与集热面积比值为3.5，再以蓄热比2～3m3/m2选取蓄热水箱容积。

从北方的实际工程可以得出，每增大一平方太阳能集热面积，可以减少水箱体积约2m3。每平方米集热器造价约为每立方米水箱造价的一半，所以尽量增大太阳能集热面积而减小水箱体积可以节省投资约为1:4。为了准确的评估出CSHPSS的蓄热能力，引入集热面积-水箱体积比（A/V），通过天津大学的系统仿真可以得出，天津市是比较适宜建设CSHPSS的地区，通过埋地水箱进行跨季节蓄热时，在A/V比在0.1～0.4范围内，系统保证率在第二年即可达到31%-54%。

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2.2地埋管蓄热

图（4）CHSPSS中地埋管蓄热设计方案

地埋管蓄热装置是打入地面以下30～100m的竖井内设置单U型或双U形管，在蓄热过程中将太阳能通过水等介质存储在土壤和岩石中，到冬季供暖时，再通过水等介质将竖井旁边土壤和岩石中的热量交换出来，与热水蓄热方式相比其容积要高出3～5倍，通常在高温蓄热时，这种方式的经济性比较明显。通常选取易于挖掘的地面、30～100m深有地下水、地下水流速<1m/s、较大的土壤比热容、较高的土壤导热系数以及地下水低渗透系数（kf?1?10?10m/s）。

通过地下埋管，热量直接被存储或释放到埋管的土壤中。埋管蓄热方式对地质结构具有较强的选择性，比较适合地质结构有岩石和饱和水的土壤等。地下换热井的核心装置是地下换热器，垂直钻孔换热器是比较典型的埋管蓄热装置，而主要由单U型，双U型，桩埋换热器，此外还有同轴式地下换热器双管结构（如图5），水通过双管间隙进行传热，传热效率提高15%。

地下换热器的埋管形式有竖直埋管和水平埋管之分，具体需要那种形式主要有场地大小、岩土类型和挖掘成本来决定。管路的连接方式有串联方式和并联方式，竖直埋管系统并联方式初投资及运行费较为经济，为保持各环路水力平衡，采用同程式系统。

图（5）换热器的形式（左图）和安装示例

地下换热器管材及竖埋管直径的选择：高密度聚乙烯地下换热器管材按SDR11(指标准尺寸比，公称外径和壁厚的比值)选取壁厚，管径通常为20～40mm,国内国产高密度聚乙烯管材。对于内径小于50mm的管子，流速0.6m/s～1.2m/s,内径大于50mm，管内流速应小于1.8m/s。热泵机组地下换热器的长度由地质、地温参数和进入热泵机组的水温决定。按国外

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经验35～55w/m每米换热量来确定长度。一般情况下地埋管循环流速不宜过大，较为适合的流速是0.4～0.6m/s。

地源热泵换热器钻孔数、孔深等参数的确定：

n?4000w?vdi2

W机组水流量L/s，v竖埋管管内流速m/s,di竖埋管管内径mm。

各孔中心间距为4.5m左右，对于竖直单U型深度约为40～90m。

热扩散率和导热系数较小较小的土质（如粘土）热量向外扩散范围较小，热损失较小，有利于热量的储存，适合长期储能；热扩散率和导热系数较大的土质结构（如砂土）是较好的低温热源，这种土质中热量向远处扩散的较快的是较好的散热介质，适用于在夏季排热而冬季不取热的地源热泵系统。粘土的热容量相对来说比较高约为1Kwh/m3/℃,其热传导系数比岩石低，因此比较适合蓄热。粘土蓄热会降低土壤的抗剪强度，从而产生地面下沉，并且蓄热温度一般要限制在20～40℃之间，粘土蓄热属于低温蓄热，需热泵来提升温度。

三种不同的土壤类型的CSHPSS太阳能保证率随土壤导热系数的增大而减小，花岗岩型土壤中太阳能年保证率随着埋入深度的增加而增大，其增大幅度逐渐降低。沙子型土壤增加保温材料厚度反而降低了系统太阳能保证率。

表（3）三种土壤类型参数比较

土壤类型 花岗石 粘土 沙子

密度(kg/m3) 2640 1500 1500

热容(J/kg﹒k)

811 848 800

导热系数（W/m﹒k）

3

1.4 0.3

一般实际工程中我们通常打孔的直径一般为120～150mm左右，每个钻孔中设置一组单U或双U的高密度聚乙烯管，如DN25或DN32，然后回填，回填的作用是将每根埋管分开防止埋管和钻孔壁及埋管间的相互接触。 2.3含水层蓄热

含水层下面主要由沙石、砾石、沙子、石灰石等透水性比较好的物质组成，含水层属于高渗透系数kf ?1?10m/s,这种蓄热方式对地质条件的要求比较苛刻，含水层的上层和下层水的自然水几乎不流动，地下水在高温下性质稳定，含水层厚度20～50m。在蓄热装置中需要安装冷水井及热水井各一口，它们可以分别进行冷水或热水的储存。当夏季阳光充足的时候，太阳能集热器收集的热量通过介质传递给热水井，在冬季通过抽取热水井中的热水供用户的采暖和生活热水需求，然后将提取完热热量的水注入冷井。这种蓄热方式已经在德国取得了成功，但是该系统的最高蓄热温度为50℃，需要配备热泵机组，把热水提高到65℃来满足用户的需求。由于该蓄热方式对地质条件比较苛刻，所以需要以当地的地质、水文等条件来选择。 2.4砾石-水蓄热

在内壁敷设不透水的塑料材料在蓄热槽中，填充了一定密度的砾石-水混合物，作为主要蓄热材料。太阳能可以通过埋设在各层的换热管群，进行储存和释放。这种方式的特点是不需要特别承重框架，因为作用力可以被砾石分解至蓄热槽的四周及底部区域。由于砾石水-混合物的比热较小，在储存相同热量的条件下，砾石-水蓄热的体积要比水蓄热方式大数倍。这种蓄热方式对地质条件的选择有较高的要求，需根据建设地点的地质和水文资料进行设

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-5计。一般情况下砾石水蓄热也很难大范围推广。

3 国外示范案例

表(4)国外CHHPSS示范案例

示范工程

集热面积（m2）

蓄热系统

热负荷（GWh/年）

2

水箱蓄热2100m+沙子-水蓄热（4000m）

丹麦（Marstal）

18300

+水坑蓄热（10000m）

瑞典（Kungalv） 瑞典(Nykvarn) 德国(Neckarsulm) 丹麦

(Aeroskoping) 丹麦(Rise) 德国

(Firedrichshafen)

丹麦(Ry) 德国(Hamburg)

10000 7500 5044 4900 3575 3500 3025 3000

水箱蓄热1000m 水箱蓄热10000m 埋管蓄热63400m 水箱蓄热1200m 水箱蓄热4000m 水箱蓄热12000m 未采用跨季节蓄热 水箱蓄热4500m

22222222

2

28

90 30 1.7 13 3.7 2.4 32 1.6

4 总结及展望

CSHPSS系统中的费用成本的组成主要有供暖系统、管道、采暖末端和蓄热体组成，这四种类型的供暖系统、管道、采暖末端的差别不大，成本差别最大的是是蓄热装置。在德国，蓄热装置折合成每吨水的造价来看，其成本在465～4185元/吨，造成这种价格差别那么大的原因是蓄热方式和蓄热容量。这四种蓄热方式水蓄热成本最高，砾石-水蓄热次之，然后是地下埋管蓄热和含水层蓄热。地埋管蓄热和含水层蓄热总成本基本在465～1395元/吨，因为这两种蓄热方式不涉及蓄热介质，主要的费用是在换热系统的安装上。系统蓄热容量越 大，单位蓄热容量的成本越便宜。

CSHPSS是一种相对复杂的技术，它不仅涉及到地质学、水文学，而且还涉及到建筑学、热力学等多个学科。合适的蓄热方式要根据当地的地质、水文等来选择。根据国外多年的建设和运行试验研究已经对技术进行了改进，提高了效率并降低了成本，目前来看没有严重的失败和泄露现象的发生。水池蓄热在技术上是可行的并能很好的工作，但是其建设成本和热损失依然很高，所以仍有很多改进的方向：地面工程的优化（如几何结构、特殊的土木工程）、存储结构的优化（如复合墙体、浮动盖）以及材料的优化（衬垫的绝缘和老化）。另外系统的集成是非常重要的。系统的存储容量取决于系统的温度，系统的回水温度影响着的热量分层和流失。

地埋管蓄热和含水层蓄热在技术上也是可行的，但是每年的储存储利用率有待提高，为了实现这一目的需要提高回水温度和利用热泵技术。为了扩大地埋管蓄热和含水层蓄热的蓄

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热能力，可以增加缓冲蓄能装置等。未来项目的主要目标是增加系统的效率、减少投资。太阳能系统也可优化，集成多热源的能量储存（如太阳能和生物能）等。在以后很长得一段时间内，详细的监测是非常重要的，与此同时要搭建研发项目框架，同时为了更好的比较不同的设计概念，需进行制作仿真模型进行瞬态仿真系统设计。

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