太陽能土壤儲熱材料研究現狀分析

王亞剛

（甘肅自然能源研究所，甘肅 蘭州 730046）

1 引言

當前環境問題日益突出，引起人們高度關注，節能減排和環境保護得到了世界各國廣泛重視，各國都在加大開發和利用可再生能源，太陽能作為可再生能源的重要組成部分，以節約能源、保護環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定，晝夜和季節性變化很大，太陽能量很不穩定，使其連續或季節性利用受到限制，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實意義，可以帶來很大的經濟和社會效益。

2 研究進展

太陽能供熱系統根據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CSHPDS（Central Solar Heating Plants with Diurnal Storage）和跨季節儲熱太陽能供熱系統CSHPSS（Central Solar Heating Plants with Seasonal Storage）。戶用太陽熱水系統就屬于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，使太陽輻射與季節性熱量需求相統一，可以更加方便高效地利用太陽能[1]。

太陽能儲熱系統主要由太陽能集熱器、儲熱裝置、輔助熱源、熱水管網等部分組成。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備造價昂貴；地下水稀少且較深地區，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，發生破壞；地埋管儲熱在土壤源熱泵系統中已經得到了應用，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 研究現狀分析

3.1 太陽能土壤儲熱系統研究進展

目前有關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，以此為平臺許多學者做了相關研究工作。哈爾濱工業大學呂超等人建立了太陽能跨季儲熱系統供熱供冷示范平臺，每年分別測試儲熱、供熱和供冷的不同模式下的數據，經過3年的測試實驗，測試結果表明太陽能跨季儲熱供熱的保證率達到了92%，系統全年供熱能效比在6以上，嚴寒地區可以滿足需求[4]。也有研究人員從實驗和數值計算兩方面入手對太陽能跨季節蓄熱系統進行了研究。王恩宇等人對住宅建筑建立了太陽能-地源熱泵聯合供熱、地源熱泵單獨供熱系統，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時聯合供暖。研究結果表明，太陽能-地源熱泵聯合供熱系統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使用[5]。楊衛波等人建立了垂直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，全年溫度恢復黏土容易實現，單季運行系統選擇砂土則更適合，換熱速度較快[6]。

分析可以看出，許多學者已經開展了太陽能土壤儲熱系統研究，大部分在土壤源熱泵的基礎上進行研究，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

好多學者對土壤的熱物性進行了大量研究，大都集中在土壤導熱系數的研究上。針對土壤導熱系數，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（導熱系數的倒數）隨含水量在不同干密度范圍內變化的曲線，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率也增加，并用實驗測試值與砂土和黏土的比熱容理論預期值進行了對比，以經驗公式給出了土壤比熱容、熱導率與孔隙率、干密度和含水量之間的關系，由于數據量偏少，不具有說服力[8]。也有學者通過研究多種飽和粘性土含水量、熱導率和孔隙比之間的關系給出經驗公式，并指出隨含水量增加，飽和土體的熱導率降低，呈現出非線性關系，可以用對數擬合其關系，但關系式只是在土體飽和狀態下給出，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熱系數，結果發現，土沙比越小，導熱系數越高，還通過擬合方法，得到土壤和不同比例的土沙混合物導熱系數經驗公式[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熱系數的影響，細粉粘土導熱系數與含水率呈現指數關系變化。導熱系數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，從而使土體導熱系數增大，隨著含水量的增加，土粒之間形成面接觸，土體導熱系數持續增加，但與含水量少時相比，土體導熱系數增長率降低，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，反映到導熱系數增加趨緩，導熱系數可分為快速增加和趨緩兩部分。對于細粉粘土導熱系數與孔隙率呈現對數關系變化，導熱系數先隨孔隙率的增大平緩減小，隨著繼續增大后急劇減小。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，這樣導熱系數在孔隙率小時變化不明顯，孔隙率增大到一定值后，土粒中間會產生空氣間隔，致使導熱系數下降急劇[11]。欒英波等人對北京地區細粉質粘土的含水率、密度、孔隙率進行了測定，分析了各因素對導熱系數的影響，認為用乘冪關系可以描述導熱系數與密度的大體關系，經驗計算公式λ=0.0422ρ5.8479，相關系數R=0.845，從中可以看出從自然狀態下隨著密度的增大，導熱系數也增大，呈現出非線性規律。與應用含水率使用對數關系和乘冪關系與導熱系數擬合，擬合結果較好。含水率對導熱系數的影響可分為3個階段，導熱系數在含水率為0%～5%內增加較快，因為干燥自然狀態下無水化膜產生，土粒間相互接觸熱傳遞，加入少量水后產出部分水化膜，增大了顆粒之間的有效接觸面積，導熱系數增大迅速。含水率在5%～20%之間時，有效接觸面積也逐漸增加，導熱系數增加也較快，隨著含水率的持續增加，粒間有效接觸面積增加緩慢，導熱系數的增加也減緩。當含水率大于20%時，導熱系數趨于穩定，這是由于孔隙水的不斷增加使其中水化膜完全接觸，所以粉質粘土導熱系數會繼續增大并趨于穩定[12]。

針對不同地區土壤熱物理性質，南京林業大學學者以土壤比熱容變化為研究目標，先后測試了蘇州、鄭州地區土壤的熱物理性質，分析了土體單位體積比熱容導熱系數和與孔隙率和飽和度的三相構成關系。發現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間成線性關系，測量和計算得到蘇州和鄭州地區土壤的比熱容計算公式。

針對沙土的熱物理性質，對比含濕量、孔隙率對沙土導熱系數和質量比熱容的影響，北京交通大學研究人員研究發現，在含濕量一定下，沙土的孔隙率提高，質量比熱容Cm和導熱系數減小；在孔隙率一定下，沙土含濕量增大，質量比熱容和導熱系數增大，并且都呈線性關系。但孔隙率相對含濕量對沙土質量比熱容的影響比小的多，質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，西安建筑科技大學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熱系數。發現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、含水量的關系式C=ρd（1.27+0.021ω）103。

根據以上可以看出，大量研究對土壤導熱系數變化基本規律有類似相近的結論，提高土壤導熱系數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。但不同地區和不同成分的土壤擬合其導熱系數曲線不一樣，而當地土壤導熱系數的確定必須通過實驗測量驗證并修正經驗公式才能得到。

3.3 地埋管換熱系統的研究分析

針對水平埋管、豎直埋管和螺旋埋管的換熱性能的比較，有學者通過給定熱負荷和入口水溫，對三種埋管方式應用流體力學軟件進行模擬計算，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，易受環境溫度影響，蓄熱體初始溫度較高所致。也有學者通過建立二維數學模型，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，對模擬結果利用他人文獻中的數據進行對比，表明水平埋管埋深越淺，環境溫度的影響越大，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了一層保溫層，模擬和實驗研究水平埋管換熱性能，發現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，在工程應用中管間距要著重考慮[19]。譚祈燕等經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[20]。

由于豎直埋管的造價高，水平埋管占地面積大，結合兩者的優缺點，鄭宗和等人設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，占地面積又節省了47%的[21]。

上面分析可以看出，國內外現階段對埋管換熱系統的研究大部分結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，但水平埋管也有優勢，比如成本相比豎直埋管的打井更低，出現故障時維修相對方便，這些優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，實際應用價值巨大，前景廣闊；在研究該系統時，較為經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熱系數，以提高土壤儲熱材料的儲熱和換熱性能；不同地區和不同成分的土壤的熱物性不同，應用時要通過實驗測量驗證并修正經驗公式才能確定；水平埋管有著成本優勢，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。