太阳能跨季节地下储热技术
2011-2-12黄晟辉 赵大军 马银龙
摘要:介绍了发展太阳能地下储热技术的必要性及国内外太阳能地下储热技术的发展现状。结合某太阳能地下混凝土储热实验系统,探讨了适用于太阳能地下储热系统的传热模型。
关键词:太阳能储热;跨季节储热;地埋管换热器;地下混凝土储热;传热模型
Cross-seasonal Underground Storage Technologies of Solar Energy
HUANG Sheng-hui,ZHAO Da-jun,MA Yin-long
AbstractThe necessity for developing underground storage technologies of solar energy as well as the present development status of underground storage technologies of solar energy at home and abroad are introduced. Combined with a test system for underground concrete storage of solar energy,the heat transfer model suitable for underground storage system of solar energy is discussed.
Key wordssolar energy heat storage;cross-seasonal heat storage;buried tube heat exchanger;underground concrete heat storage;heat transfer model
1 发展太阳能储热技术的必要性
   目前,全世界建筑能耗约占能源总消费量的30%,其中居住建筑能耗约为公共建筑的2倍。我国北方城镇仅供暖能耗就占全国建筑总能耗的36%,是建筑能耗的最大组成部分[1]。因此,采用绿色替代能源作为建筑物供暖的主要能源将是实现减排目标的重要措施之一。太阳能作为一种可再生绿色能源,具有如下显著的优势[2]:储量巨大,我国每年地表吸收的太阳能折合17×1012t标准煤。存在的普遍性,太阳能对于地球上绝大多数地区具有存在的普遍性,可就地取用。利用的清洁性,太阳能属于洁净可再生能源,其开发利用几乎不产生二次污染。但太阳辐射存在能量密度低、随机性大、间歇性大、辐射强度不规则的缺点。因此,太阳能的高效利用应结合储热技术实现削峰填谷。
2 国内外太阳能地下储热技术的发展现状
   供暖、空调和热水供应系统采用的储热方法主要有[3]:显热储热、潜热储热、热化学储热。根据热量储存的时间又可分为:随时储存、短期储存、长期储存。地下储热是储热技术的一种,其优势是地下广阔的空间及天然的储热介质,主要分为含水层储热、地下土壤和岩石储热。
   ① 含水层储热
   我国于20世纪60年代初出现了冬灌夏用、夏灌冬用的地下水储热技术。到20世纪80年代初,该技术已在全国20多座城市推广[4],全国拥有储冷井500余口,冬季回灌量达到30×106m3;储热井150余口,夏季回灌量达到5.5×105m3
    国外利用含水层储热的思想在1973年被提出,随之达到了一个含水层储热技术研究的高潮。由于利用地下水体储热需要特定的地质条件,因此其应用受到很大的限制,一些国家试图采用地下人工水槽储热。瑞典在乌普萨拉市附近的居民区地下岩石中建造了一个环状地下太阳能储热器,容积为105m3,距离地表30m,储热器不设绝热层。储热器底部水温为40℃,可供550幢住宅供暖,供热量的60%来自太阳能,从3月到9月为储热期,10月到次年的2月采用压缩式热泵供暖[5]
   ② 地下土壤和岩石储热
   近年来,国内对太阳能-土壤源热泵联合供暖技术开展了研究和应用:东南大学对太阳能-土壤源热泵联合交替的供暖模式进行了研究[6],山东建工学院对太阳能-土壤源热泵供暖的经济性进行了分析[7],哈尔滨工业大学、天津大学等对太阳能-土壤源热泵系统也进行了大量研究[8]
    瑞典的Anneberg区域建有50个住宅单元的半太阳能供暖系统,建有2400m2太阳能集热器,并配备辅助电加热系统。太阳能地下储热器为6000m3的钻有100个深达65m孔的结晶质岩石,钻孔内埋设双U形管地埋管换热器。虽然太阳能集热器工作状态良好,但地下储热器的储热能力较低。据估算,初期储存的热量中有40%将流失,经过3~5年,将有70%的热量流失。虽然不像预期那样高效,但整个系统的运行基本符合设计要求[9]
    ③ 太阳能地下储热技术的现状
    采用地下储热器长期储存太阳能,并结合热泵供暖,是一项非常节能的供暖方式,其经济性优于常用的一些供暖方式,被认为是跨季度长期储热的最有前途的方案之一,正日益受到世界各国的重视。
    但是,目前采用的含水层储热技术(地下人工水槽储热)、地下土壤和岩石储热方法,大部分未进行地下绝热和防渗处理,存在热量损失严重、储热效率低、造价高以及应用受地下条件限制等问题。太阳能集热器大多采用固定平板式集热器,高温集热效率低,也是影响该技术推广的原因之一。目前的太阳能-土壤源热泵联合供暖技术属于一种短期、低温的太阳能储热技术,其目的是为了辅助热泵供暖,因此不属于跨季节长期储存太阳能这种高效利用太阳能的技术。
3 太阳能地下储热系统传热模型
3.1 研究对象
    吉林大学设立了“太阳能地下混凝土储热技术的实验研究”项目,对采用混凝土进行太阳能跨季节地下储热进行了大量前期实验及理论研究。太阳能地下混凝土储热实验平台见图1。
 

3.2 传热模型的适用性分析
    近年来,土壤源热泵技术在我国得到了广泛应用,地埋管换热器理论基础也日臻完善。太阳能地下混凝土储热系统也采用竖直地埋管换热器,因此我们可借鉴成熟的土壤源热泵技术中的竖直地埋管换热器的传热分析理论。不同于土壤源热泵系统的是地下混凝土储热系统有良好的绝热与防渗性能,因此地质条件(如地下水等)对地下储热器传热的影响不大。
3.3 地埋管换热器建模方法
   ① 工程设计用半经验公式
   以热阻概念为基础的半经验性设计计算式,主要用来根据实际冷热负荷估算地埋管换热器所需埋管长度[10]。这类方法以国际地源热泵学会(International Ground Source Heat Pump Association,IGSHPA)推荐的方法为代表,GB 50366—2005《地源热泵系统工程技术规范》就参考了该方法[11]
   ② 基于离散化数值计算建模
   由于地埋管换热器传热存在空间范围大、几何配置复杂、负荷随时间变化、时间跨度长等特点,若按三维非稳态导热问题进行数值计算,将耗费大量时间。因此,该方法一般不用于实际工程问题,但对定性地了解传热过程及研究若干参数对地埋管换热器性能的影响起重要的作用。
    ③ 基于叠加原理的建模方法
Eskilson[12]和Hellstrom[13]提出了与上述两种方法不同的基于叠加原理的建模方法——g函数方法。利用解析法和数值法混合求解,较精确地描述单个钻孔在恒定热流条件下的温度响应,再利用叠加原理得到多个钻孔组成的地埋管换热器在变化负荷作用下的实际温度响应。这种方法采用的简化假定少,可考虑地埋管换热器复杂的几何配置及负荷随时间的变化,并避免了复杂的数值计算,可直接应用于工程设计计算和建筑能耗分析。因此,基于叠加原理的建模方法是适于地埋管换热器传热分析的最佳方法。
3.4 适用于地下混凝土储热系统的传热模型
一般而言,合理的土壤源热泵地埋管换热器传热模型的建立思路为:以钻孔壁为界,把计算范围内的区域划分为孔外和孔内两部分,分别采用不同的简化假定分析:①孔外部分岩土的蓄放热是主要因素,应采用瞬态传热模型。且U形管的埋深远大于钻孔直径,因此埋管可简化为线热源。在岩土热物性均匀且恒定的前提下,可得到孔壁温度随时间变化的解析表达式。②孔内物质与孔外的岩土体相比温度变化缓慢,因此可以忽略孔内物质热容量的影响,把孔内传热简化为稳态传热问题。将孔壁的温度加上由于孔内热阻引起的温差,可以得到传热介质进出口温度随时间的变化。
太阳能混凝土储热系统的目的是储热与放热,因此必须采用非稳态的传热模型。我们可以借鉴土壤源热泵钻孔外的非稳态传热分析模型,由于太阳能混凝土储热系统埋管深度及模型的分析半径都远大于管径,因此可将埋管看成是一个线热源或线热汇。可用的传热模型有[14]:一维Kelvin线热源模型、一维圆柱孔传热模型、有限长线热源模型。
4 结论
传统的地下储热技术存在热量损失严重、储热效率低、受地下条件限制等问题。而利用地下储热器跨季节长期储存太阳能,并结合热泵供暖的方法,由于太阳能的高效利用、良好的防渗绝热措施等优点,被认为是跨季节长期储存太阳能最有前景的方案之一。
根据太阳能地下混凝土储热系统的特点,可借鉴土壤源热泵地埋管换热器的传热建模方法建立非稳态的储热系统传热模型。
参考文献:
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[2] 周刚,倪晓阳,李金锋.不受地理位置限制的地热和太阳能联合发电系统[J].地球科学- 中国地质大学学报,2006,(3):395-396.
[3] 赵伟,赵大军,吴晓寒.太阳能地下土壤储热技术[J].煤气与热力,2007,27(10):75-76.
[4] 倪龙,荣莉,马最良.含水层储能的研究历史及未来[J].建筑热能通风空调,2007,(1):18-24.
[5] 刘莉莎.地下混凝土储热桩实验台的研制及储热温度场的数值模拟(硕士学位论文)[D].吉林:吉林大学,2009.
[6] 杨卫波.太阳能-地源热泵系统的理论与实验研究(博士学位论文)[D].南京:东南大学,2007.
[7] 曲云霞,方肇洪,张林华,等.太阳能辅助供暖的地源热泵经济性分析[J].可再生能源,2003,(1):8-10.
[8] 韩敏霞.太阳能土壤跨季节蓄热-地源热泵组合理论与实验研究(硕士学位论文)[D].天津:天津大学,2007.
[9] LUNDH M,DALENBACK J O. Solar heated residential area with seasonal storage in rock initial evaluation[J]. Renewable Energy,2008,(33):703-711.
[10] American Society of Heating,Refrigerating and Air-Conditioning Engineers. Commercial/institutional ground source heat pump engineering manual[M].Atlanta:ASHRAE,1995.
[11] GB 50366—2005,地源热泵系统工程技术规范[S].
[12] ESKILSON P. Thermal analysis of heat extraction boreholes(PhD Thesis)[D].Lund:University of Lund,1987.
[13] HELLSTROM G. Ground heat storage thermal analysis of duct storage systems(PhD Thesis)[D].Lund:University of Lund,1991.
[14] 袁艳平,雷波,余南阳,等.地源热泵地埋管换热器传热研究(1):综述[J].暖通空调,2008,(4):25-32.
 
(本文作者:黄晟辉 赵大军 马银龙 吉林大学 建设工程学院 吉林长春 130026)
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