跨季节水蓄热太阳能集中供暖工程与优化综述

刘美杉 李祥立 端木琳 刘靓侃

大连理工大学建设工程学部

跨季节水蓄热太阳能集中供暖工程与优化综述

刘美杉 李祥立 端木琳 刘靓侃

大连理工大学建设工程学部

本文主要研究国内外跨季节水箱蓄热的系统。从系统特性、参数配比、分层特性、埋深等因素对跨季节水箱蓄热的影响研究现状进行总结。同时整理了现有的太阳能集中供热跨季节供热的先进示范工程给出的实际应用。结合实际工程，介绍工程中的应用现状，对工程的基本情况包括集热器、水箱等进行概括总结，并对运行现状和经验教训进行分析总结。

太阳能集中供热 水箱蓄热 优化

0　引言

太阳能跨季蓄热这一理论最早提出于20世纪60年代，并于20世纪70年代开展了研究工作。20世纪70年代中期随着研究工作的深入，这一技术逐渐应用在欧洲的大型太阳能跨季蓄热供暖工程中[1]。国外最初的工作是依托国际能源署（IEA）1981年启动的跨季节蓄热太阳能集中供热系统研究项目，主要针对的是蓄热技术，以此减少由能源危机带来的资源短缺，同时增加能源供应系统的效率[2～3]；2000年之后的研究大多集中于系统的优化，包括系统内部各个构件之间的参数最佳配比。近几年太阳能的利用技术日趋成熟，太阳能的储存已成为解决太阳能间歇性和供暖冬夏冷热不均的一个主要办法。

随着科学技术的进步，蓄热方式的研究也随之深入。利用太阳能供暖规模也不再局限于单体建筑。越来越多的蓄热方式在实际工程中被加以应用，人们也通过实际工程发现供暖规模越大，跨季蓄热太阳能供暖的经济性愈好。综合现有的研究进展，显热蓄热是最具应用价值的蓄热方式。水作为储热介质，具有很多优点，例如传热及流动性能好，比热容大；粘性、热传导性、密度等适合自然循环和强制循环的要求；无毒、无污染等。但由于水本身是液体，用它做蓄热介质时就需要考虑它的容器，特别是大规模蓄热工程。这样的一个容器其形状、体积、进出口位置、与其他设备耦合的参数都将对集热器效率、供暖效果产生一定影响。因此，本文以水箱这一载体为主要对象展开分析。旨在对现有的研究中对水箱蓄热的研究进展和优化参数范围加以总结。并对工程中使用太阳能跨季蓄热技术的案例进行整合，对现有的实际工程、理论研究进行梳理和总结。

1　太阳能蓄热

蓄热主要是针对太阳能这一可再生资源的间歇性特点做出的合理技术应用。根据蓄热时间的长短，通常会将蓄热分为短期蓄热和跨季蓄热。短期蓄热通常收集一天的热量，蓄热最长不超过一周[1]。这种方法通常选用体积较小的水箱，水箱内水温很高，最高可达95℃。这样的高温水通常可以直接供给生活热网。太阳能供暖系统标准提供的水箱容积选择范围是对应每平方米太阳能集热器采光面积而给出的，短期蓄热给出的参考值是50～150L/m2。水箱温度高但散热同时也增大，温度下降往往较快，通常只能满足用户在较短时间的用热需求。跨季蓄热通常收集几个月的热量，规范提供的容积选择范围也是参照集热器采光面积给出的，为1400～2100L/m2。跨季蓄热所需的水箱体积大，水箱内水温低，在水箱无法满足直供水温条件时，通常需要其他辅助热源来提升位能以满足用户用热需求。

现有的储热方式可以分为显热蓄热、相变蓄热和化学蓄热。三种蓄热技术中，显热蓄热的应用更为广泛。水凭借其较大的比热容成为非常良好的储热介质。加上它低廉的造价、较好的流动性、传热性能成为人们首选。同样地埋管蓄热应用也很多，主要方式是在地表以下安装地埋管换热器，并通过它向土壤进行蓄、放热。此种方式若欲和热水蓄热取得相同的蓄热量，蓄热容积要比热水蓄热容积高出3～5倍。这种蓄热方式通常和热泵相结合，从而将土壤中的热量提取供给用户。在德国内卡苏姆有采用该种蓄热方式的实际工程，该蓄热体体积约为63400m3，其蓄热温度可以达到85℃[4]。潜热蓄热和相变蓄热近几年的应用也在逐渐增多。通常相变材料蓄热容量大，蓄热密度高，蓄放热过程中系统热稳定性更优，体积小，但造价较高。我国近些年在相变蓄热材料上也展开了诸多研究，对其可行性和适用范围进行了验证[5]。对于某一特定的太阳能供热系统，不同的蓄热方式会对整个系统运行、投资带来不同程度的影响。因此，设计人员更应该因地制宜，合理考虑当地地理条件、气象条件、集热系统形式等选择合理的方式，以用最小的投资达到最大的热收益。

文献[6]中给出了不同系统形式下的推荐蓄热方式，如表1所示。无论选用哪种方式进行蓄热，主要关注的还是蓄热效果，这就对单位体积或单位重量的储热容量、工作方式和温度范围、加进或取出热量的动力要求、储热器的容积、结构和内部温度的分布情况以及减小储热系统热损失和系统成本的方法等有一定的要求[7]。

表1　蓄热方式选用表

为了达到较好的供热效果，也需要对水箱的温度进行合理控制。王磊、袁磊等人通过对西藏地区28个太阳能供暖系统的调查研究发现，所观测统计的常见故障中以蓄热水箱面积与集热器面积的不匹配导致的故障居多，这种不匹配通常会改变水箱内的蓄热状态。在水箱体积过小的情况下，会使得水箱内水温高于85℃而汽化，严重影响蓄热效果[8]。除此之外，水温过高也会加剧水箱内水的热损失。在实际应用中，为了提高集热器效率，常常希望从水箱回到集热器的水温较低。但如果水箱温度太低，无法直供的情况下通常需要添加辅助热源。由于实际气候条件与设计有所偏差，常常导致辅助热源使用时长大于设计值，从而增大了运行投资。在欧洲重点太阳能跨季蓄热供暖示范工程中，有17项采用水箱蓄热。

2　水箱蓄热研究

2.1系统特性研究

意大利卡拉布里大学G.Oliverti等人模拟了一个太阳能蓄热供热系统，太阳能集热器面积91.2m2，蓄热水箱500m3。实验从1995年5月1日模拟至次年11月31日，以水箱温度变化为研究对象，对单年水箱温度和两年同时段内水箱温度作对比，分析系统效率[9]。N.D.Kaushika和K.S.Reddy对太阳能闷晒式集热、蓄热系统蓄热水箱内温度变化进行了实验模拟，得到了水箱内不同高度上温度的变化规律，给出了此蓄热水箱容积、集热效率、水箱最终温度之间曲线关系[10]。2000年德国D.Lindernberger等人利用Bavarian试点的一个太阳能跨季蓄热的供热系统进行模拟，对蓄热、热泵部分进行优化[11]。2005年，德国的S.Raab等人利用Trnsys软件模拟跨季蓄热太阳能供暖系统，在原有基础上增加土壤温度对蓄热水箱的影响，模拟水箱水温变化，验证模型精度[12]。2009年Alireza Hobbi等人同样利用Trnsys软件，以太阳能保证率为目标函数，对太阳能热水系统影响因素做了模拟分析。研究包括集热器面积、流体类型、集热器流量、水箱高度体积、热交换器效率、管道尺寸等。结果显示，优化后的太阳能保证率大大提高[13]。

2.2水箱体积与集热器面积

由于针对某一特定的系统，过小的蓄热容积会使得内部水温过高而增大蓄热体的热损失，而过大的蓄热容积会使储存的水温偏低。现如今，国内外已有多位学者针对不同地区、不同供热对象的系统做出研究，给出了在一定条件下集热板与蓄热水箱最优体积比。

Mo.Chung等人利用Trnsys模拟设计太阳能跨季蓄热系统，并预测系统性能和经济性。该系统的热量一部分向建筑供热，另一部分向农作物温室大棚供热。模拟系统集热器面积184m2，蓄热水箱体积600m3。通过模拟给出了最佳水箱容积、集热器面积和太阳能保证率之间的关系，并进行经济评估[14]。K.K.Matrawy和I.Farkas以太阳辐射强度与负荷为依托，通过调整不同的集热器面积与蓄热水箱容积之比，研究集热效率。给出了典型月不同集热器面积与蓄热水箱容积之比时，集热器、蓄热水箱效率、太阳能保证率的变化趋势，从而判断影响因素，选择出最优的集热器面积和水箱容积的数值[15]。D.Pahud主要研究太阳能跨季蓄热。在给定不同蓄热介质——岩石和水时，基于不同种类热负荷的情况且太阳能保证率在70%的情况下，系统所需集热器面积以及单位面积集热器所需的岩石蓄热或水蓄热的容积[16]。

2007年，赵军利用Trnsys软件对太阳能跨季蓄热供热系统的运行特征进行了长期的模拟研究[17]，提出了集热器面积与蓄热水箱体积比是影响系统的主要参数且模拟得出集热器面积与蓄热水箱体积比在0.1～0.4范围时，太阳能保证率在运行的第二年可达31%～54%。张广宇等人通过对虚拟案例的分析初步得出在确定跨季节蓄热供暖技术中建筑供暖面积、集热器面积、蓄热水箱容积等参数的合理取值范围[18]。王选设计了太阳能蓄热供热系统优化设计软件，通过输入建筑、集热器、蓄热体参数，得出水箱逐时温度，从而给出推荐蓄热水箱蓄集热比[19]。张时聪、姜益强、姚杨对哈尔滨一栋示范楼做数值模拟，以太阳能保证率为目标函数，地下水池体积为约束条件，得到了哈尔滨地区与100m2的集热器相匹配的地下水池半径推荐值[20]。

2.3水箱分层

太阳能蓄热水箱中形成一定温度分层能够有效地提高集热效率，降低热损失。另一方面可以提高蓄热水箱内可用热量，在一定程度上减小辅助能源的使用，降低运行费用。实验数据表明，在没有机械扰动的前提下，容积为450L的水箱，水箱顶部与底部的温差能够达到32.4℃[21]。影响水箱分层的主要因素有水箱的形状（方体、圆柱体等）、换热形式、换热位置、水箱高度与水箱直径比、壁厚、壁面导热性等。而1985年Wustling等人通过模拟发现具有良好分层的热水系统效率比完全混合的系统高37%[22]。利用这一温度差的优势，合理设置水箱进、出水管位置，以使用户侧供水温度增加来减少辅助热源的使用。另一方面通过降低集热器进口温度来增加集热器效率，从而有效地提高太阳能保证率。

现有的文献中对水箱温度分层的描述主要集中为多节点模型和插栓流两个模型。主要影响水箱的温度分层的是水箱的结构、水温、进出温度、进出口流量。徐同兰，汤金华采用插栓流模型对水箱进行模拟研究[23]；罗艳，汤金华通过对一个容积为2.8m3，高2m的蓄热水箱进行模拟得出分层对不同集热器效率的影响程度和不同用水模式下分层效果的变化[24]。王登甲，刘艳峰对太阳能采暖系统中蓄热水箱进行多节点分析研究，对高2m，半径为1m的圆柱体蓄热水箱进行模拟研究，得出了水箱进水管最佳流速在0.01～0.05m/s之间并给出了采暖供水管的最佳位置[25]。朱宁等人也通过CFD模拟给出了利于水箱分层的设计措施——降低热水进口流速、提高热水进口位置、涉及特殊热水通道等来降低湍流的形成[26]。曲世琳等人通过对太阳能水源热泵系统性能特性的研究，判断了辅助热源位置、进出口温度、集热器温差对分层的影响[27]。除此之外，国内外诸多学者也对通过改善水箱内部结构来提高分层效果。王智平等人就不同的原理下的不同方法进行整理和综述[28]。A.A.Dehghan和A. Barzegar从理论上进行研究探寻格拉晓夫数、雷诺数以及水箱进出口大小对水箱热特性的影响[29]。

2.4埋深、控制方式研究

孙东亮等人利用相似性原理物理性缩小水箱蓄热模型，考虑水箱内液体流动和温度分层并通过数值模拟研究了在花岗岩型和沙子型两种不同土壤中水箱埋入深度对系统太阳能保证率的影响，得出了在花岗岩型土壤中，太阳能保证率随埋入深度的增加而增加。在沙子型土壤中埋深对太阳能保证率影响不大[30]。国外也有将蓄热水箱直接放在室外的案例，在这种情况下，除了对冬季室外温度有一定限制外，良好的保温措施也是对蓄热能力的有力保障。

通过理论分析，针对蓄热的使用情况，可以看出供暖初期太阳能保证率在某些地区可以达到100%，但随着时间的增加太阳能保证率越来越低。供暖中后期短期蓄热对太阳能保证率的提升有明显作用。有学者提出，大容积的蓄热水箱在供暖初期使用，而在采暖后期使用小容积水箱更有优势，但小水箱水温波动大，对控制有一定要求[31]。

2.5研究现状及存在的问题分析

1）研究对象。我国现如今太阳能供热水技术已相对成熟，但在供暖方面的应用研究还处于发展中，没有更为精准的工程参数给出，只能借鉴国外先进工程的经验参数。另外国内跨季节蓄热太阳能供热的实际工程较少。在太阳能供热方面，目前的研究重点主要集中于单体建筑，区域供热的研究较少，小型的太阳能供热项目不能获得规模效益，太阳能保证率也很低。

2）初投资。限制太阳能大规模应用的主要问题还是初投资。水箱的保温、施工造价高昂都是限制其大范围应用的一个难点。现已有学者分析出在区域供热中用户数量的增加有利于降低运行费用和初投资。现有的研究中，优化研究的目标函数还是多以太阳能保证率为主。日后的优化应在前面研究的基础上，将整个系统经济性作为优化目标。

3）系统优化。以前的研究主要集中在系统的热特性上，通过实验给出系统设计的基本参数。近几年的研究虽然开始综合考虑系统的耦合特性，但多集中在集热器面积与水箱体积的最优配比、地埋管体积的最优配比上。但实际工程要远比研究所做的假设条件复杂，流量、辅件的参数、控制策略同样会对系统运行优劣产生影响。

3　水箱蓄热工程实例

3.1工程简介

太阳能蓄热系统应根据太阳能集热系统形式、采暖负荷、太阳能保证率进行技术分析，综合考虑地理条件、系统初投资和运行成本，选取适宜的蓄热方式。欧洲、北美在太阳能供热水、供暖系统方面的工程应用可以追溯到几十年前。早期的太阳能供热站没有季节蓄热，供热规模较小，太阳能保证率很低[2]。随着技术的发展，太阳能供热站逐渐向大规模的跨季节蓄热方向发展。但由于技术、经济等因素，工程大多是针对单体建筑，个别研究也只是针对无需将工质防冻作为考虑因素的冬季温度较高地区的建筑[14]。可以说，推广范围有一定的局限性。但近十余年来，大型太阳能供热采暖系统工程登上历史舞台，并发展迅速。到2013年，共有太阳能供暖工程116项，其中有17项采用了水箱蓄热技术[9]。

表2　欧洲大型跨季蓄热太阳能供暖工程概况

3.2工程运行分析

1）控制策略。现有的工程多以温差控制为主。水箱温度达到直供温度要求时直接供给用户，温度不达要求时通过辅助热源，使水温满足条件后供给用户。这一控制方法在工程验证中，被认为是行之有效的。通过对工程的后期监察不难发现，如果集热系统出现问题需要临时关闭或开启，这个控制策略就略显简易。

2）水箱。现有的水箱保温多以在水箱四周和底面加不锈钢或聚丙烯内衬并用玻璃棉做保温。在研究中也有使用黏土做内衬，但容易出现漏水现象影响蓄热效果。在实际操作中，如果采用其他辅助设备，也要根据实际情况调整以最大程度上满足经济性要求。如Attenkirchen的蓄热工程，就采用了地下水池与地埋管耦合的蓄热方式。埋地水箱做短期蓄热，四周不加设保温，从而提升土壤温度，增强地埋管蓄热。

3）水泵。在造成系统运行因为泵的启停控制而影响运行效果的不在少数。实际运行中，由于泵开启情况与设计不能达到统一，导致水箱进出口处的流量不一致，从而影响水箱内分层效果，而增大热损失。因此实际运行中对系统的控制和对水箱水温的控制也是日后研究的重点。另外有些工程选用多个造价低廉的泵代替一个大功率的水泵，这样虽然减少了初投资，但运行控制时造成一定混乱，从整个系统运行上考虑，这样降低初投资的方式并不提倡。

4　结论

本文重点介绍了太阳能水箱蓄热的优化策略和实际工程应用情况。对供热工程中蓄热水箱的研究，如集热器面积与水箱体积参数配比、水箱构造、水箱进出口位置、进出口流速等参数的研究已经较为成熟。但我国研究多集中于严寒、寒冷地区或太阳能资源富裕地区。从现有的研究结果可以看出，优化研究目标函数主要是太阳能保证率。研究内容也主要是在得到较高太阳能保证率的前提下寻找各组件之间的最优参数配比。另外新型保温材料的研发也会对水箱蓄热提供有力保障。在关注这一类材料供热效果的优化的同时，经济性问题也是考虑的重点。实际应用中，应是在技术成熟的基础上降低造价，从而达到真正意义上的节能优化。

在实际工程中，为了大力推广这一技术，减小投资的方案和技术研究应紧跟工程进行。水作为蓄热介质虽然有诸多优点，但是它的一些缺点却不容忽视。水融入氧气后容易引起腐蚀作用，同时结冰时体积膨胀，会破坏管路或储热容器。因此在实际工程中要考虑热胀性，以免水箱破裂漏水而引起不必要的热量损失。通过理论分析，针对蓄热的使用情况，可以看出在供暖初期，太阳能保证率在某些地区可以达到100%，然后随着时间的累积，太阳能保证率越来越低。供暖中后期短期蓄热对太阳能保证率的提升有明显作用。优先利用水箱内蓄存的水可以减小水箱的热损失，如何强化这一方法的控制策略也是在实际中应加以细化的。另外通过在实际工程中也有很多经验教训，例如可以考虑做多种蓄热方式耦合来满足用户热需求。夏季蓄热水箱温度过高时可以尝试夜间运行集热器来降温。将现有工程的后期监控做好定会为以后的工程设计提供更多有价值的技术依据。

[1]Amaya V Novo,Joseba R Bayon,Daniel Castro-Fresno,et al.Rev -iew of seasonal heat storage in large basins:Water tanks and gravel-water pits[J].Applied Energy,2010,87:390-397

[2]M N Fisch,M Guigas,J O Dalenba,et al.A review of large-scale solar heating systems in Europe[J].Solar Energy,1998,63(6): 355-366

[3]底冰,马重芳,唐志伟,等.太阳能集中供热系统发展简况[J].暖通空调,2006,36(7):27-31

[4]Jan-Olof Dalenb ck,于国清.欧洲大型太阳能供热系统的应用与设计[J].暖通空调,2007,37(4):117-120

[5]贾艳敏.太阳能、蓄热与地源热泵组合系统运行模式与实验研究[D].天津:天津大学,2010

[6]太阳能供热采暖工程技术规范(GB50495-2009)[S]

[7]张鹤飞.太阳能热利用原理与计算机模拟(第二版)[M].西安:西北工业大学出版社,2004

[8]王磊,袁磊,朱长鸣,等.主动式太阳能供暖系统全过程调试必要性研究[J].暖通空调,2012,42(2):53-5606

[9]G O1iveti,N Areuri,S Ruffol.First experimental results from a prototype plant for the interseasonal storage of solar energy for the winter heating of buildings[J].Solar Energy,1998,62: 281-290

[10]N D Kaushika,K S Reddy.Thermal design and field experiment of transparent honeyecomb insulated integrated-collector-storage solar water heater[J].Applied thermal Engineering,1999,19: 145-161

[11]D Lindenberger,T Bruckner,H-M Groscurth,et al.Optimization of solar district heating systems:seasonal storage,heat pumps and cogeneration[J].Energy,2000,25:591-681

[12]S Raab,D Mangold,H Muller-Steinhagen.Validation of a compu -ter model for solar assisted district heating systems with seasonal hot water heat store[J].Solar Energy,2005,79:531-543

[13]Alireza Hobbi,Kamran Siddiqui.Optimal design of a forced circu -lation solar water heating system for a residential unit in cold climate using trnsys[J].Solar Energy,2009,73:700-714

[14]Mo Chung,Jun-Un Park,Hyung-Kee Yoon.Simulation of a centr -al solar heating system with seasonal storage in Korea[J].Solar Energy,1998,64:163-178

[15]K K Matrawy,I Farkas.New technique for short term storage sizing[J].Renewable Energy,1997,11:129-141

[16]D Pahud.Central solar heating plants with seasonal duct storage and short-term water storage:design guidelines obtained by dynamic system simulations[J].Solar Energy,2000,69:495-509

[17]赵军,曲航,崔俊奎,等.跨季节蓄热太阳能集中供热系统的仿真分析[J].太阳能学报,2008,29(2):214-219

[18]张广宇,于国清,何建清.较大规模集中式住区级跨季节蓄热性太阳能供热系统参数研究[J].暖通空调,2007,37(8):113-116

[19]王选.太阳能热水蓄热采暖系统优化设计研究[D].北京:中国建筑科学研究院,2010

[20]张时聪,姜益强,姚杨.太阳能季节性地下水池蓄热供热系统的模拟研究[J].太阳能学报,2008,(1):40-45

[21] 郑瑞澄,路宾,李忠,等.太阳能供热采暖工程应用技术手册[M].北京:中国建筑工业出版社,2012

[22]Wuestling M D,Klein S A,Duffie J A.Promising control alternatives for solar water heating systems[J].Solar Energy Engineerin -g,1985,107(3):215-221

[23]徐同兰,汤金华.基于插栓流模型的太阳能供热系统的研究[J].太阳能,2008,12:26-28

[24]罗艳,汤金华.蓄热水箱温度分层模型与分析[J].节能,2008, 12:15-18

[25] 王登甲,刘艳峰.太阳能热水采暖蓄热水箱温度分层分析[J].建筑热能通风空调,2010,(2):16-1

[26]朱宁,王占恒,王大水,等.太阳能蓄热水箱的温度分层研究[J].太阳能,2013,18:16-18

[27] 曲世琳,孙峙峰,吉玉保.蓄热水箱对太阳能-水源热泵系统性能特性的影响分析及实验研究[J].太阳能学报,2012,(8): 1405-1410

[28]王智平,陈丹丹,王克振,等.太阳能储热水箱温度分层的研究现状及发展趋势[J].材料导报,2013,15:70-73

[29]A A Dehghan,A Barzegar.Thermal performance behavior of a domestic hot water solar storage tank during consumption operation[J].Energy Conversion and Management,2011,52:468-476

[30] 孙东亮,王丽.太阳能跨季节水箱蓄热供暖系统的数值研究[A].见:2011年中国工程热物理学会传热传质学学术会议论文集[C].2011

[31] 陈朋,于国清,孟凡兵.小型别墅季节蓄热型太阳能供热技术研究[J].建筑热能通风空调,2005,(6):6-8

Review of Application and Optimization on Central Solar Heating Plants with Seasonal Water Storage

LIU Mei-shan,LI Xiang-li,DUANMU Lin,LIU Liang-kan
Faculty of Infrastructure Engineering,Dalian University of Technology

This article mainly focuses on the central solar heating plants with seasonal water storage.It summarizes the domestic and overseas researches done on the influences on the tank storage including tank characters,system parameters,stratifications and placing depths.Meanwhile organizes central solar heating plants with seasonal water storage projects.The paper also concludes the projects including collectors and tanks.Moreover analyzes the current running situations and lessons.

central solar heating plant,tank storage,optimization

1003-0344（2015）06-026-6

2014-5-29

刘美杉（1990～），女，硕士研究生；辽宁省大连市甘井子区凌工路2号大连理工大学综合实验四号楼427（116033）；E-mail:smgsmlk@163.com

中央高校基本科研业务费专项资金资助（DUT14QY13）