賈曉光

（山西三晉之窗新能源科技有限公司，山西 晉中 030600）

近年來學(xué)界圍繞跨季節(jié)蓄熱技術(shù)開展了大量研究，地下水體蓄熱（Aquifer）、土壤源蓄熱（BTES）、大容積水池蓄熱（PTES）、鋼罐蓄熱（steel tank）等跨季節(jié)蓄熱技術(shù)便屬于這類研究的成果代表，這類技術(shù)均具備蓄熱體大型化的發(fā)展趨勢(shì)。為保證跨季節(jié)蓄熱技術(shù)較好服務(wù)于太陽能區(qū)域供熱，正是本文圍繞該課題開展具體研究的原因所在。

1 跨季節(jié)太陽能蓄熱技術(shù)

1.1 地下水體蓄熱技術(shù)

地下水體蓄熱屬于常用的跨季節(jié)太陽能蓄熱技術(shù)，該技術(shù)在應(yīng)用中對(duì)建設(shè)地點(diǎn)地質(zhì)構(gòu)造存在著較為苛刻的要求。地下水體蓄熱技術(shù)的應(yīng)用需得到上下兩層不透水層的支持，并安裝一口熱水井與一口冷水井。在太陽能充足的情況下，地下水體蓄熱技術(shù)能夠在熱水井中實(shí)現(xiàn)太陽熱能的存儲(chǔ)，而通過抽取熱水井中的熱水，冬季即可滿足跨季節(jié)太陽能的生活熱水用熱、建筑物供暖需要，完成熱量提取后的水需灌入冷水井，由此即可避免水資源的浪費(fèi)。早在2000 年，地下水體蓄熱技術(shù)便已經(jīng)在德國(guó)得到了實(shí)踐應(yīng)用，應(yīng)用地下水體蓄熱技術(shù)的跨季節(jié)蓄熱太陽能供熱系統(tǒng)為7000m2建筑中的108名住戶提供了50%的冬季生活熱水用熱及建筑供暖用熱，冬季用熱量供給高達(dá)50%（部分年份可達(dá)到55%）。跨季節(jié)蓄熱太陽能供熱系統(tǒng)在地下水體蓄熱技術(shù)應(yīng)用中將最高蓄熱溫度限定為50℃，而為了滿足冬季需要，該工程還配備了輔助熱泵用于加熱，通過將生活熱水與供暖用供水的溫度提高至65℃，地下水體蓄熱技術(shù)的實(shí)用性大幅提升，這必須得到業(yè)界人士的重視。

1.2 土壤源蓄熱技術(shù)

土壤源蓄熱技術(shù)主要采用地埋管蓄熱裝置，通過在豎井內(nèi)設(shè)置單U 形管或雙U 形管，即可通過水等介質(zhì)儲(chǔ)在土壤和巖石中儲(chǔ)存太陽熱能，地埋管蓄熱裝置一般設(shè)置深度為地面下30～100m 范圍。在冬季供暖時(shí)，土壤源蓄熱技術(shù)能夠通過水等介質(zhì)將豎井附近巖石和土壤積蓄的熱量交換出來，由此即可滿足冬季生活熱水用熱及建筑供暖用熱需要。在土壤源蓄熱技術(shù)的應(yīng)用中，德國(guó)內(nèi)卡蘇姆地區(qū)分批建設(shè)的地埋管蓄熱裝置屬于其中代表，該工程建設(shè)有雙U 管的蓄熱井528口，而為了實(shí)現(xiàn)短期內(nèi)系統(tǒng)換熱低谷與高峰時(shí)存在的不同要求，工程還配套建設(shè)了水箱儲(chǔ)存部分熱量，共建設(shè)水箱2 個(gè)，體積均為100m3。在土壤源蓄熱技術(shù)的支持下，工程滿足了區(qū)域住戶26.7%～44.8%的冬季生活熱水用熱及建筑供暖用熱需要，土壤源蓄熱技術(shù)的應(yīng)用價(jià)值由此得到了證明。

1.3 大容積水池蓄熱技術(shù)

大容積水池蓄熱技術(shù)在世界各地均有著較為廣泛應(yīng)用，該技術(shù)具備存取熱量快捷、流動(dòng)性好、單位體積熱容量高等優(yōu)勢(shì)，因此，其屬于廣受業(yè)界關(guān)注的跨季節(jié)太陽能蓄熱技術(shù)。大容積水池蓄熱技術(shù)在應(yīng)用在一般采用季節(jié)蓄熱水體，這是為了盡可能降低熱損失。在德國(guó)腓特烈港基于大容積水池蓄熱技術(shù)建設(shè)的跨季節(jié)蓄熱太陽能供熱系統(tǒng)中，該系統(tǒng)的季節(jié)蓄熱水體面積為35000m2，大容積水池蓄熱技術(shù)在應(yīng)用中為當(dāng)?shù)?80 戶住戶提供了冬季生活熱水用熱及建筑供暖用熱，并實(shí)現(xiàn)了43%左右的冬季熱量供給。

1.4 鋼罐蓄熱技術(shù)

鋼罐蓄熱技術(shù)雖然也被納入跨季節(jié)太陽能蓄熱技術(shù)范疇，但其本質(zhì)上不屬于嚴(yán)格意義上的跨季節(jié)蓄熱，這是由于鋼罐體積限制所致。結(jié)合近年來鋼罐蓄熱技術(shù)的實(shí)踐應(yīng)用可以發(fā)現(xiàn)，其蓄熱體積一般控制在7000m3內(nèi)，這是由于超過該尺寸將導(dǎo)致鋼罐蓄熱技術(shù)應(yīng)用的投資及系統(tǒng)費(fèi)用大幅提升。

2 跨季節(jié)蓄熱太陽能區(qū)域供熱技術(shù)的應(yīng)用

2.1 跨季節(jié)蓄熱太陽能集中供熱系統(tǒng)

對(duì)于應(yīng)用跨季節(jié)太陽能蓄熱技術(shù)的跨季節(jié)蓄熱太陽能集中供熱系統(tǒng)來說，該系統(tǒng)也可以被稱作區(qū)域性太陽能供熱系統(tǒng)，其服務(wù)的供熱用戶數(shù)量一般在100 戶以上。跨季節(jié)蓄熱太陽能集中供熱系統(tǒng)一般由熱水管網(wǎng)、輔助熱源、蓄熱裝置、集熱裝置組成，太陽熱能的吸收由集熱裝置負(fù)責(zé)，熱水管網(wǎng)會(huì)通過換熱器將太陽能輸送至跨季節(jié)蓄熱裝置，而在需要利用蓄熱裝置內(nèi)熱能時(shí)，蓄熱裝置內(nèi)熱能會(huì)在冬季由換熱器輸送至區(qū)域熱力管網(wǎng)，由此即可滿足區(qū)域內(nèi)住戶的冬季生活熱水用熱及建筑供暖用熱供給需要，這種用熱供給一般可滿足40%～50%的冬季用熱需要。

2.2 實(shí)例分析

為更為直觀展示跨季節(jié)蓄熱太陽能區(qū)域供熱技術(shù)的應(yīng)用，本文將圍繞丹麥跨季節(jié)蓄熱太陽能區(qū)域供熱成功案例作為研究對(duì)象，案例對(duì)象包括采用土壤源蓄熱技術(shù)的A 工程，采用大容積水池蓄熱技術(shù)的B 工程與C 工程。

A 工程由土壤源蓄熱體、太陽能集熱器、鋼罐、熱廠機(jī)房組成，其中土壤源蓄熱體的體積為19000m3，太陽能集熱器分為兩部分，面積分別為10600m2與8000m2，鋼罐共2 個(gè)，體積分為5500m3、2000m3。在土壤源蓄熱技術(shù)應(yīng)用中，工程將埋管深度設(shè)為45m，熱水井與冷水井之間的距離設(shè)為3m。結(jié)合該工程中的能流圖進(jìn)行分析可以發(fā)現(xiàn)，太陽能實(shí)現(xiàn)了23%的熱量貢獻(xiàn)；B 工程一期、二期太陽能集熱器面積分別為18300m2、15000m2，采用75000m3的系統(tǒng)季節(jié)蓄熱池，同時(shí)配置有緩沖蓄熱鋼罐，體積為2000m3。B 工程擁有約40%的太陽能保證率，季節(jié)蓄熱池的年熱損失為30%左右。結(jié)合能流圖可以發(fā)現(xiàn)，太陽能貢獻(xiàn)達(dá)41%，太陽能綜合利用率達(dá)35%～40%；C 工程配置有63000m3的季節(jié)蓄熱水體?；谀芰鲌D進(jìn)行分析可以發(fā)現(xiàn)，該工程的太陽能貢獻(xiàn)率為41%，并存在447kW·h/m2/年的太陽能得熱量。

對(duì)比三個(gè)工程可以得出表1 所示結(jié)果，而為了三個(gè)案例開展更深入對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，A 工程、B 工程、C 工程的蓄熱體最高溫度分別為50℃、90℃、90℃，最低溫度分別為11.2℃、20℃、10℃，第一年熱回收率分別為44%、18%、78%，第二年分別為38%、65%、90%，第三年分別為102%、62%、90%，第四年分別為46%、70%、91%。結(jié)合對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，應(yīng)用大容積水池蓄熱技術(shù)的C 工程的運(yùn)行效果最為穩(wěn)定、優(yōu)秀，該工程具備的較高借鑒價(jià)值必須得到重視。

3 結(jié)語

綜上所述，跨季節(jié)蓄熱太陽能區(qū)域的供熱技術(shù)具備較為廣闊的應(yīng)用前景，在此基礎(chǔ)上，本文涉及的地下水體蓄熱技術(shù)、土壤源蓄熱技術(shù)、大容積水池蓄熱技術(shù)、鋼罐蓄熱技術(shù)、跨季節(jié)蓄熱太陽能集中供熱系統(tǒng)以及工程實(shí)例等內(nèi)容，則提供了可行性較高的跨季節(jié)蓄熱太陽能區(qū)域供熱技術(shù)應(yīng)用路徑，而為了更好推廣該技術(shù)，先進(jìn)高效的大型太陽能集熱器場(chǎng)、萬噸級(jí)跨季節(jié)蓄熱體的合理應(yīng)用必須得到重點(diǎn)關(guān)注。

表1 跨季節(jié)蓄熱太陽能區(qū)域供熱工程對(duì)比