淺析跨季節蓄熱太陽能區域供熱技術

賈曉光

（山西三晉之窗新能源科技有限公司，山西 晉中 030600）

近年來學界圍繞跨季節蓄熱技術開展了大量研究，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）等跨季節蓄熱技術便屬于這類研究的成果代表，這類技術均具備蓄熱體大型化的發展趨勢。為保證跨季節蓄熱技術較好服務于太陽能區域供熱，正是本文圍繞該課題開展具體研究的原因所在。

1 跨季節太陽能蓄熱技術

1.1 地下水體蓄熱技術

地下水體蓄熱屬于常用的跨季節太陽能蓄熱技術，該技術在應用中對建設地點地質構造存在著較為苛刻的要求。地下水體蓄熱技術的應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，地下水體蓄熱技術能夠在熱水井中實現太陽熱能的存儲，而通過抽取熱水井中的熱水，冬季即可滿足跨季節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。早在2000 年，地下水體蓄熱技術便已經在德國得到了實踐應用，應用地下水體蓄熱技術的跨季節蓄熱太陽能供熱系統為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50%（部分年份可達到55%）。跨季節蓄熱太陽能供熱系統在地下水體蓄熱技術應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℃，地下水體蓄熱技術的實用性大幅提升，這必須得到業界人士的重視。

1.2 土壤源蓄熱技術

土壤源蓄熱技術主要采用地埋管蓄熱裝置，通過在豎井內設置單U 形管或雙U 形管，即可通過水等介質儲在土壤和巖石中儲存太陽熱能，地埋管蓄熱裝置一般設置深度為地面下30～100m 范圍。在冬季供暖時，土壤源蓄熱技術能夠通過水等介質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。在土壤源蓄熱技術的應用中，德國內卡蘇姆地區分批建設的地埋管蓄熱裝置屬于其中代表，該工程建設有雙U 管的蓄熱井528口，而為了實現短期內系統換熱低谷與高峰時存在的不同要求，工程還配套建設了水箱儲存部分熱量，共建設水箱2 個，體積均為100m3。在土壤源蓄熱技術的支持下，工程滿足了區域住戶26.7%～44.8%的冬季生活熱水用熱及建筑供暖用熱需要，土壤源蓄熱技術的應用價值由此得到了證明。

1.3 大容積水池蓄熱技術

大容積水池蓄熱技術在世界各地均有著較為廣泛應用，該技術具備存取熱量快捷、流動性好、單位體積熱容量高等優勢，因此，其屬于廣受業界關注的跨季節太陽能蓄熱技術。大容積水池蓄熱技術在應用在一般采用季節蓄熱水體，這是為了盡可能降低熱損失。在德國腓特烈港基于大容積水池蓄熱技術建設的跨季節蓄熱太陽能供熱系統中，該系統的季節蓄熱水體面積為35000m2，大容積水池蓄熱技術在應用中為當地280 戶住戶提供了冬季生活熱水用熱及建筑供暖用熱，并實現了43%左右的冬季熱量供給。

1.4 鋼罐蓄熱技術

鋼罐蓄熱技術雖然也被納入跨季節太陽能蓄熱技術范疇，但其本質上不屬于嚴格意義上的跨季節蓄熱，這是由于鋼罐體積限制所致。結合近年來鋼罐蓄熱技術的實踐應用可以發現，其蓄熱體積一般控制在7000m3內，這是由于超過該尺寸將導致鋼罐蓄熱技術應用的投資及系統費用大幅提升。

2 跨季節蓄熱太陽能區域供熱技術的應用

2.1 跨季節蓄熱太陽能集中供熱系統

對于應用跨季節太陽能蓄熱技術的跨季節蓄熱太陽能集中供熱系統來說，該系統也可以被稱作區域性太陽能供熱系統，其服務的供熱用戶數量一般在100 戶以上。跨季節蓄熱太陽能集中供熱系統一般由熱水管網、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責，熱水管網會通過換熱器將太陽能輸送至跨季節蓄熱裝置，而在需要利用蓄熱裝置內熱能時，蓄熱裝置內熱能會在冬季由換熱器輸送至區域熱力管網，由此即可滿足區域內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 實例分析

為更為直觀展示跨季節蓄熱太陽能區域供熱技術的應用，本文將圍繞丹麥跨季節蓄熱太陽能區域供熱成功案例作為研究對象，案例對象包括采用土壤源蓄熱技術的A 工程，采用大容積水池蓄熱技術的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，體積分為5500m3、2000m3。在土壤源蓄熱技術應用中，工程將埋管深度設為45m，熱水井與冷水井之間的距離設為3m。結合該工程中的能流圖進行分析可以發現，太陽能實現了23%的熱量貢獻；B 工程一期、二期太陽能集熱器面積分別為18300m2、15000m2，采用75000m3的系統季節蓄熱池，同時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，季節蓄熱池的年熱損失為30%左右。結合能流圖可以發現，太陽能貢獻達41%，太陽能綜合利用率達35%～40%；C 工程配置有63000m3的季節蓄熱水體。基于能流圖進行分析可以發現，該工程的太陽能貢獻率為41%，并存在447kW·h/m2/年的太陽能得熱量。

對比三個工程可以得出表1 所示結果，而為了三個案例開展更深入對比可以發現，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%。結合對比可以發現，應用大容積水池蓄熱技術的C 工程的運行效果最為穩定、優秀，該工程具備的較高借鑒價值必須得到重視。

3 結語

綜上所述，跨季節蓄熱太陽能區域的供熱技術具備較為廣闊的應用前景，在此基礎上，本文涉及的地下水體蓄熱技術、土壤源蓄熱技術、大容積水池蓄熱技術、鋼罐蓄熱技術、跨季節蓄熱太陽能集中供熱系統以及工程實例等內容，則提供了可行性較高的跨季節蓄熱太陽能區域供熱技術應用路徑，而為了更好推廣該技術，先進高效的大型太陽能集熱器場、萬噸級跨季節蓄熱體的合理應用必須得到重點關注。

表1 跨季節蓄熱太陽能區域供熱工程對比