王亞剛

（甘肅自然能源研究所，甘肅 蘭州 730046）

1 引言

當前環(huán)境問題日益突出，引起人們高度關(guān)注，節(jié)能減排和環(huán)境保護得到了世界各國廣泛重視，各國都在加大開發(fā)和利用可再生能源，太陽能作為可再生能源的重要組成部分，以節(jié)約能源、保護環(huán)境正在加大推廣利用。目前太陽能利用主要有光伏和光熱兩方面，太陽能光熱利用方面主要集中在加熱提供熱量，由于太陽輻射在地球上能量密度較低且不穩(wěn)定，晝夜和季節(jié)性變化很大，太陽能量很不穩(wěn)定，使其連續(xù)或季節(jié)性利用受到限制，無法達到一些具體的供熱要求。把太陽能量存儲起來按需利用，可以滿足供熱方面的好多需求，所以研究太陽能儲熱有很大的現(xiàn)實意義，可以帶來很大的經(jīng)濟和社會效益。

2 研究進展

太陽能供熱系統(tǒng)根據(jù)儲存與使用熱量的時間跨度可分為短期儲熱太陽能供熱系統(tǒng)CSHPDS（Central Solar Heating Plants with Diurnal Storage）和跨季節(jié)儲熱太陽能供熱系統(tǒng)CSHPSS（Central Solar Heating Plants with Seasonal Storage）。戶用太陽熱水系統(tǒng)就屬于CSHPDS，CSHPDS僅能滿足一定條件下供熱需求，太陽能利用低效。CSHPSS通過一定方式把太陽能量儲存起來，使太陽輻射與季節(jié)性熱量需求相統(tǒng)一，可以更加方便高效地利用太陽能[1]。

太陽能儲熱系統(tǒng)主要由太陽能集熱器、儲熱裝置、輔助熱源、熱水管網(wǎng)等部分組成。常見的儲熱方式有5種：熱水儲熱、含水層儲熱、礫石—水儲熱[2]、土含水儲熱[3]以及地埋管儲熱。熱水儲熱所需的儲水設(shè)備造價昂貴；地下水稀少且較深地區(qū)，沒有條件采用含水層儲熱方式；采用礫石—水儲熱的方式可能會因為水分滲漏到地層造成垮塌事故；黃土雖在干燥時有較大強度，但黃土對水十分敏感，當含水量增加時，就會使黃土強度降低，發(fā)生破壞；地埋管儲熱在土壤源熱泵系統(tǒng)中已經(jīng)得到了應(yīng)用，通過研究和改進讓其適用太陽能儲熱。所以，地埋管土壤儲熱是太陽能儲熱較為適用的方式。

3 研究現(xiàn)狀分析

3.1 太陽能土壤儲熱系統(tǒng)研究進展

目前有關(guān)太陽能土壤儲熱裝置多依賴于研究太陽能—土壤源熱泵系統(tǒng)，以此為平臺許多學(xué)者做了相關(guān)研究工作。哈爾濱工業(yè)大學(xué)呂超等人建立了太陽能跨季儲熱系統(tǒng)供熱供冷示范平臺，每年分別測試儲熱、供熱和供冷的不同模式下的數(shù)據(jù)，經(jīng)過3年的測試實驗，測試結(jié)果表明太陽能跨季儲熱供熱的保證率達到了92%，系統(tǒng)全年供熱能效比在6以上，嚴寒地區(qū)可以滿足需求[4]。也有研究人員從實驗和數(shù)值計算兩方面入手對太陽能跨季節(jié)蓄熱系統(tǒng)進行了研究。王恩宇等人對住宅建筑建立了太陽能-地源熱泵聯(lián)合供熱、地源熱泵單獨供熱系統(tǒng)，7月到11月太陽能集熱器加熱的熱水儲存在地下，在供暖季當水溫高于313.15K時直接供暖，低于313.15K時聯(lián)合供暖。研究結(jié)果表明，太陽能-地源熱泵聯(lián)合供熱系統(tǒng)可以使地源熱泵能效比增大，直接利用太陽能供熱占總供熱量的30%左右，且夏季太陽能的儲熱有利于平衡冷熱負荷，特別適用于高寒地區(qū)使用[5]。楊衛(wèi)波等人建立了垂直U形地埋管建立準三維傳熱模型，并且通過對該模型的準確性進行了實驗驗證，從不同的方面得到了很多結(jié)論，當蓄熱過程中隨著土壤溫度的逐漸升高，傳熱速率也逐漸減緩，所以互相熱干擾性在換熱管布置時要充分考慮；土壤的熱擴散系數(shù)不一樣，儲熱性能也有差異，比較黏土和砂土，長期蓄熱選擇黏土較好，全年溫度恢復(fù)黏土容易實現(xiàn)，單季運行系統(tǒng)選擇砂土則更適合，換熱速度較快[6]。

分析可以看出，許多學(xué)者已經(jīng)開展了太陽能土壤儲熱系統(tǒng)研究，大部分在土壤源熱泵的基礎(chǔ)上進行研究，并以土壤源熱泵作為輔助熱源，通過對比驗證，得出太陽能土壤儲熱系統(tǒng)可以滿足供熱需求，單季和全年供熱需求不同時，太陽能土壤儲熱材料的選擇也不同。

3.2 土壤熱物性研究分析

好多學(xué)者對土壤的熱物性進行了大量研究，大都集中在土壤導(dǎo)熱系數(shù)的研究上。針對土壤導(dǎo)熱系數(shù)，L.A.Salomone等使用熱探針法對土樣進行了測量，繪出了砂土和黏土熱阻率（導(dǎo)熱系數(shù)的倒數(shù)）隨含水量在不同干密度范圍內(nèi)變化的曲線，得出隨含水量的增大熱阻率減小，且含水量較小范圍變化較大，含水量較大范圍變化趨緩[7]。H. Abu-Hamdeh通過實驗分析，定性給出土壤的密度和含水量增加時熱導(dǎo)率也增加，并用實驗測試值與砂土和黏土的比熱容理論預(yù)期值進行了對比，以經(jīng)驗公式給出了土壤比熱容、熱導(dǎo)率與孔隙率、干密度和含水量之間的關(guān)系，由于數(shù)據(jù)量偏少，不具有說服力[8]。也有學(xué)者通過研究多種飽和粘性土含水量、熱導(dǎo)率和孔隙比之間的關(guān)系給出經(jīng)驗公式，并指出隨含水量增加，飽和土體的熱導(dǎo)率降低，呈現(xiàn)出非線性關(guān)系，可以用對數(shù)擬合其關(guān)系，但關(guān)系式只是在土體飽和狀態(tài)下給出，沒有普遍性[9]。張旭等通過探針法測量，實驗研究了土壤和不同比例的土沙混合物的導(dǎo)熱系數(shù)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，土沙比越小，導(dǎo)熱系數(shù)越高，還通過擬合方法，得到土壤和不同比例的土沙混合物導(dǎo)熱系數(shù)經(jīng)驗公式[10]。肖琳等通過研究分析了含水率和孔隙率對土壤熱物性中土體導(dǎo)熱系數(shù)的影響，細粉粘土導(dǎo)熱系數(shù)與含水率呈現(xiàn)指數(shù)關(guān)系變化。導(dǎo)熱系數(shù)在先前隨含水率的增加增加較快。這是因為水分子會在細土粒的表面形成水化膜，使原來松散開的土粒點接觸，從而使土體導(dǎo)熱系數(shù)增大，隨著含水量的增加，土粒之間形成面接觸，土體導(dǎo)熱系數(shù)持續(xù)增加，但與含水量少時相比，土體導(dǎo)熱系數(shù)增長率降低，土粒水化膜接觸充分后，隨含水量的增加但土粒間接觸面的增加趨緩，反映到導(dǎo)熱系數(shù)增加趨緩，導(dǎo)熱系數(shù)可分為快速增加和趨緩兩部分。對于細粉粘土導(dǎo)熱系數(shù)與孔隙率呈現(xiàn)對數(shù)關(guān)系變化，導(dǎo)熱系數(shù)先隨孔隙率的增大平緩減小，隨著繼續(xù)增大后急劇減小。這是由于細粉性粘土中顆粒粒徑小，比表面能較大，顆粒晶體表面與顆粒邊緣形成很大的靜電引力，使其間形成水化膜較厚，這樣導(dǎo)熱系數(shù)在孔隙率小時變化不明顯，孔隙率增大到一定值后，土粒中間會產(chǎn)生空氣間隔，致使導(dǎo)熱系數(shù)下降急劇[11]。欒英波等人對北京地區(qū)細粉質(zhì)粘土的含水率、密度、孔隙率進行了測定，分析了各因素對導(dǎo)熱系數(shù)的影響，認為用乘冪關(guān)系可以描述導(dǎo)熱系數(shù)與密度的大體關(guān)系，經(jīng)驗計算公式λ=0.0422ρ5.8479，相關(guān)系數(shù)R=0.845，從中可以看出從自然狀態(tài)下隨著密度的增大，導(dǎo)熱系數(shù)也增大，呈現(xiàn)出非線性規(guī)律。與應(yīng)用含水率使用對數(shù)關(guān)系和乘冪關(guān)系與導(dǎo)熱系數(shù)擬合，擬合結(jié)果較好。含水率對導(dǎo)熱系數(shù)的影響可分為3個階段，導(dǎo)熱系數(shù)在含水率為0%～5%內(nèi)增加較快，因為干燥自然狀態(tài)下無水化膜產(chǎn)生，土粒間相互接觸熱傳遞，加入少量水后產(chǎn)出部分水化膜，增大了顆粒之間的有效接觸面積，導(dǎo)熱系數(shù)增大迅速。含水率在5%～20%之間時，有效接觸面積也逐漸增加，導(dǎo)熱系數(shù)增加也較快，隨著含水率的持續(xù)增加，粒間有效接觸面積增加緩慢，導(dǎo)熱系數(shù)的增加也減緩。當含水率大于20%時，導(dǎo)熱系數(shù)趨于穩(wěn)定，這是由于孔隙水的不斷增加使其中水化膜完全接觸，所以粉質(zhì)粘土導(dǎo)熱系數(shù)會繼續(xù)增大并趨于穩(wěn)定[12]。

針對不同地區(qū)土壤熱物理性質(zhì)，南京林業(yè)大學(xué)學(xué)者以土壤比熱容變化為研究目標，先后測試了蘇州、鄭州地區(qū)土壤的熱物理性質(zhì)，分析了土體單位體積比熱容導(dǎo)熱系數(shù)和與孔隙率和飽和度的三相構(gòu)成關(guān)系。發(fā)現(xiàn)土壤的體積比熱容在孔隙率一定時隨著土壤飽和度增大而增大。土壤飽和度具有一個臨界值，在該臨界值體積比熱容出現(xiàn)拐點，當飽和度小于該臨界值范圍，孔隙率增大時體積比熱容減少；當飽和度大于該臨界值范圍，孔隙率增大時體積比熱容增大。分析得出體積比熱容、飽和度和孔隙率在臨界范圍區(qū)間成線性關(guān)系，測量和計算得到蘇州和鄭州地區(qū)土壤的比熱容計算公式。

針對沙土的熱物理性質(zhì)，對比含濕量、孔隙率對沙土導(dǎo)熱系數(shù)和質(zhì)量比熱容的影響，北京交通大學(xué)研究人員研究發(fā)現(xiàn)，在含濕量一定下，沙土的孔隙率提高，質(zhì)量比熱容Cm和導(dǎo)熱系數(shù)減小；在孔隙率一定下，沙土含濕量增大，質(zhì)量比熱容和導(dǎo)熱系數(shù)增大，并且都呈線性關(guān)系。但孔隙率相對含濕量對沙土質(zhì)量比熱容的影響比小的多，質(zhì)量比熱容在同一含水率下基本恒定[14]，還分別給出了含濕量和孔隙率固定時的比熱容計算公式。

針對黃土的熱物理性質(zhì)，西安建筑科技大學(xué)王鐵行等人測試了不同含水率、不同密度、擾動黃土試樣，得到黃土單位體積比熱容和黃土導(dǎo)熱系數(shù)。發(fā)現(xiàn)體積比熱容在含水量一定時隨密度增大而增大；體積比熱容在密度相同的情況下也隨含水量的增大而增大。其中，相對于密度，含水量對比熱容的影響更明顯[15]。還得到了比熱容隨密度、含水量的關(guān)系式C=ρd（1.27+0.021ω）103。

根據(jù)以上可以看出，大量研究對土壤導(dǎo)熱系數(shù)變化基本規(guī)律有類似相近的結(jié)論，提高土壤導(dǎo)熱系數(shù)的方法可以通過增大土壤密度、減小孔隙率和提高含水率的方法實現(xiàn)。但不同地區(qū)和不同成分的土壤擬合其導(dǎo)熱系數(shù)曲線不一樣，而當?shù)赝寥缹?dǎo)熱系數(shù)的確定必須通過實驗測量驗證并修正經(jīng)驗公式才能得到。

3.3 地埋管換熱系統(tǒng)的研究分析

針對水平埋管、豎直埋管和螺旋埋管的換熱性能的比較，有學(xué)者通過給定熱負荷和入口水溫，對三種埋管方式應(yīng)用流體力學(xué)軟件進行模擬計算，三種埋管長度一致，水平埋管深度為1m，比較三種方式的換熱特性，模擬結(jié)果表明換熱效果不如豎直埋管[16]。原因是水平埋管由于埋深較淺，易受環(huán)境溫度影響，蓄熱體初始溫度較高所致。也有學(xué)者通過建立二維數(shù)學(xué)模型，求解在制冷和制熱條件下水平埋管土壤溫度場和熱流分布，對模擬結(jié)果利用他人文獻中的數(shù)據(jù)進行對比，表明水平埋管埋深越淺，環(huán)境溫度的影響越大，水平埋管的熱流密度在不同方向受氣溫影響，土壤埋管上部的熱流密度影響最大[17]。

為了減少大氣溫度對水平埋管換熱性能的影響，有方法是在水平埋管上部鋪設(shè)保溫層，可以減少土壤蓄熱體散失的熱量。李曉燕等人在水平埋管上部鋪設(shè)了一層保溫層，模擬和實驗研究水平埋管換熱性能，發(fā)現(xiàn)模擬和實驗比較接近[18]，證實此方法可有效解決氣溫對土壤埋管上部的熱流密度影響。

學(xué)者們對水平埋管群也有研究，管間距、管徑、埋深對水平管散熱量有一定影響，劉曉娟等人通過計算得出影響最顯著的因素是管間距，在工程應(yīng)用中管間距要著重考慮[19]。譚祈燕等經(jīng)過一年時間使用有限元法模擬水平埋管蓄熱體，得出換熱管的熱擾動半徑，從而得到埋管間距，使布置埋管有了方法和依據(jù)[20]。

由于豎直埋管的造價高，水平埋管占地面積大，結(jié)合兩者的優(yōu)缺點，鄭宗和等人設(shè)計了一種帶不銹鋼熱管的水平埋管換熱裝置并實驗，水平埋管換熱性能得到了提高。既降低了造價，占地面積又節(jié)省了47%的[21]。

上面分析可以看出，國內(nèi)外現(xiàn)階段對埋管換熱系統(tǒng)的研究大部分結(jié)合地源熱泵集中在豎直埋管方式上，特別是井式U形管換熱器的研究。雖然氣溫對水平埋管影響較大，埋管的占地面積也較大，但水平埋管也有優(yōu)勢，比如成本相比豎直埋管的打井更低，出現(xiàn)故障時維修相對方便，這些優(yōu)勢使得它在較大供熱場所非常適用，但水平埋管的研究相對較少，今后需要更多的研究。

4 結(jié)語

綜上所述研究表明，太陽能土壤蓄熱可以更高效地利用太陽能，實際應(yīng)用價值巨大，前景廣闊；在研究該系統(tǒng)時，較為經(jīng)濟的土壤蓄熱方法是地埋管蓄熱方式；通過增大密度、減小孔隙率和提高含水率來提高土壤導(dǎo)熱系數(shù)，以提高土壤儲熱材料的儲熱和換熱性能；不同地區(qū)和不同成分的土壤的熱物性不同，應(yīng)用時要通過實驗測量驗證并修正經(jīng)驗公式才能確定；水平埋管有著成本優(yōu)勢，但水平埋管形式的研究不足，特別在水平埋管群上研究相對較少，今后需要投入更多的研究。