太阳能跨季节储热建筑供热系统及土壤储热实验分析

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1、 天津市科技支撑计划项目（07作者简介：王恩宇， （1970- ） ，男，副教授，主要从事燃烧技术、可再生能源利用及建筑节能技术等。 太阳能跨季节储热建筑供热系统及土壤储热实验分析 王恩宇 齐承英 杨华 张慧川 吕延松 （河北工业大学能源与环境工程学院，天津，300401） 摘 要 根据天津城郊别墅类建筑的冷热负荷特点，设计建立了太阳能跨季节储热建筑供热系统。该系统采用土壤蓄热实现夏季太阳能的跨季节储存，冬季采用太阳能热水或利用热泵提取土壤蓄热进行建筑供热，实现了太阳能的跨季节储热与热泵系统联合运行。短期的实验数据表明，在 36 天时间内，储热区土壤温度平均升高了 ，采用垂直埋管换热土壤蓄热系

2、统实现太阳能的跨季节储存是可行的 。 长期储热效果有待进一步研究。太阳能跨季节储存及热泵联合供热系统的设计应注意各子系统的合理匹配，以提高系统综合能效。 关键词 太阳能 跨季节储热 地源热泵 建筑供热 A F 300401) A is in in by in in in a in .3 6 a is of be To be to 绪论 在能源与环境问题日益突出的今天，地源热泵作为清洁、高效的供热空调系统正受到越来越多的关注，成为建筑空调领域的热点。在北方的农村建筑中，夏季冷负荷远小于冬季热负荷，如果单独采用地源热泵供热势必使地下温度逐年降低。为了弥补该系统的不足，采用太阳能补热是非常现实的做法

3、。 太阳能的能流密度低、受季节和气候影响大的特点制约了其应用。为了实现太阳能的合理利用， 采用太阳能跨季节贮存技术是必需的。跨季节大量热贮存方法一般有：人造大水箱（或蓄水池）储热、砂砾水混合物堆积床储热、地下含水层打井储热或地下埋管储热。研究表明后二者在技术上和经济上是比较有利的 1， 2。而地下埋管储热的应用范围可以更大，常采用竖直埋地换热器把太阳能产生的热能贮存于土壤或岩石层中。 在国外已经对太阳能跨季节储存供热方式进行了多年的研究，并有工程项目应用 3， 4。采用太阳能跨季节储热系统与地源热泵联合系统后，不但可以有效利用春夏秋三季的太阳能供冬季利用，同时，采用太阳能补充热量后，也可以提高

4、地源热泵的制热性能系数 5。 国内虽然也有学者进行了一些太阳能跨季节土壤储热的研究， 但主要是通过理论模拟 6，而有实验或工程的研究项目还很少见。 本文以天津市静海县某别墅式建筑为对象，设计建立了太阳能跨季节储热和地源热泵联合供热系统，并对其初期储热运行状况进行分析。 2太阳能跨季节储热和地源热泵联合供热系统 系统的设计对象为天津市静海县某别墅式建筑（如图 1 所示） ，建筑面积为 210 据该地区的地理气候条件以及建筑的使用要求和使用习惯，该建筑夏季空调的需求不大，冷负荷（累计冷负荷）很小，主要是考虑冬季的供热。因地理环境限制，本建筑群不具备集中供热的条件，采用太阳能冬季供热采暖成为可选的供

5、热方式。本文主要针对其供热特性，设计太阳能跨季节储热和地源热泵联合供热系统，通过实际运行实验，研究合理的系统匹配、运行参数及进行技术经济评价。系统共分为四个部分（如图 2 所示） ：太阳能集热系统、地下储热系统、地源热泵机组、室内风机盘管系统。 太阳能集热系统由集热器、集热水箱、集热器循环水泵构成。 在二楼房顶布置了真空管集热器 26 热器中水的循环采用强制循环，依靠集热器循环水泵提供循环动力，当集热器出口温度与集热水箱水温的温差高于设定值上限（ 15）时，循环水泵开启，集热水箱的水补充到集热器中受热；当集热器进出口温差低于设定值下限（ 3）时，循环泵停止。 地下储热系统由集热水箱换热盘管、储

6、热循环水泵、埋地换热器组成。循环水通过集热水箱的换热盘管从集热水箱取热，再通过埋地换热器把热量贮存于土壤。埋地换热器垂直井埋双 U 形管，共布置四组（编号为 1 4） ，呈正四边形布置，埋管深度 50 m。 在每组埋管井中布置了 6 个热电阻测温点测量储放热过程中土壤温度的变化，测温点距离地面分别为 3 m、 5 m、 10 m、 20 m、 35 m、 50 m。在土壤储热区域的中心，布置了一个测温井（编号为 5） ，分别在距离地面 3 m、 10 m、 20 m 和 50 个测温点，用于监测储热区域中心的温度变化情况。为了提高测量精度，利用 电阻进行测温。在把热电阻布置在井内之前，都进行了

7、标定，热电阻测量精度在 0 50之内的测温误差在 内。 地源热泵机组额定制热量为 制热输入功率 2.7 室内共布置风机盘管 4 个，分别布置在一楼客厅和两个卧室以及二楼一个卧室。 图 1 示范别墅建筑 图 2 太阳能辅助地源热泵系统图 在非供热期（春、夏、秋三季） ，太阳能集热器收集的太阳能通过储热循环全部贮存于地下土壤中。在冬季供热期，控制供热系统给水温度满足室内采暖要求，系统设计为太阳能直接供热和热泵机组供热两种运行模式，当太阳能集热器集热量大于室内采暖耗热量， 太阳能集热水箱内水温高于 42时，热泵机组不运行，由太阳能热水直接供风机盘管向室内供热；当太阳能集热器集热量小于室内采暖耗热量，

8、集热水箱内水温低于（ 42 t）（ 般设为 3）时，热泵机组开启，由热泵机组从土壤吸收太阳能储热提升供热流体温度，使供热流体温度符合采暖要求（高于 42） ，通过风机盘管向室内供热。 3系统储热工况运行分析 为验证设计的太阳能跨季节储热和地源热泵联合供热系统各子系统的匹配及土壤储热的可行性，完成系统建设后，进行了初步测试和评价。 自 2007 年 7 月 31 日至 9 月 6 日，进行了系统运行匹配分析和储热实验，实验测试时间累计为865 小时。 热器集热及太阳能储热性能 在实验期间内，获得了太阳能集热系统和土壤系统的运行数据，如表 1 所示。 表 1 太阳能储热系统热量表和电表数据 热量，

9、 环泵电耗， 阳能集热器 太阳能储热量 太阳能循环泵 该实验时间段内，J） ，其中贮存到地下的热量占 78，集热水箱蓄存的热量约占 4，其余 18散失。系统散热损失较大，分析原因是储热水箱及管路保温不够，应进一步加强保温措施。 实验期间， 太阳能循环水泵耗电量为 4.9 占集热器总集热量的 埋地换热器循环水泵储热耗电量为 18.6 储热量的 即：本系统向地下每储存 1000 量，需要消耗的电能为 7.5 热循环泵耗较大，分析原因是集热水箱内间壁式换热器换热面积过小，储热循环水温度低，导致储热循环时间增大，泵耗较高。因此，对于间接储热方式，应合理设计换热面积，使集热系统的集热功率与储热系统相匹配

10、，提高土壤储热系统循环水的温度，提高储热效率，缩短储热循环运行时间，减少泵耗。 温变化分析 在实验测试运行期间，地温的变化情况如图3图 6 所示。 从图 3 和图 4 可以看到，经过 36 天的储热，地下温度变化还不明显。天津市受气温影响的地下区域深度为 7 m 之内，所以在 3 m 和 5 m 的温度变化受气候影响，不能把地下储热和气候的影响分开。 10 m 以下的地层温度变化，随着深度增加变化越小。各测温井的温度变化稍有差别，最高升高温度可达 平均温升为 在 5测温井中温度变化还很小，在 10 20 m 范围内，温度升高为 而在 50 m 测点处温度几乎没有变化。因为在埋地换热器的底层，换

11、热管接触的土壤面积大，热量向更深处传递，而在横向上还没有传到该测温点处。由此可以推断，在埋地换热器的底部越向地层深处，热作用半径是逐渐减小的。 图 3 运行 865 小时后（下一次储热前一分钟）地下温度与初始温度的比较 图 4 运行 865 小时后（下一次储热前一分钟）地下温度的升高幅度 （ a） 3井 （ b） 4井 图 5 各测温点地温连续变化曲线 图 6 一天内地下温度的变化曲线（3井） 从图 5 和图 6 可以看出，太阳能储热开始时刻大约在每天的上午 11 点到下午 2 点， 结束在下午 2点到 5 点，维持储热时间 2 时。有的时候由于遇到下雨或阴天情况，储热时刻会推迟到下午 3点以后。另外从图 4 和图 5 中可以发现，虽然各井中的温度变化是一致的，但各井间温度依然有一定偏差，可能的原因是在储热过程中各井的流量分配不均， 需要在今后考虑和测试。 从图 6 可明显看出，在温度曲线突升的时刻为储热起始时刻，随后，在温度曲线突降的时刻为储热结束时刻。在储热过程中，各测温点处的温度变化幅度是不相同的，这和当地土壤温度及储热水温度有关。 图 7 埋地换热器进出口温度典型分布 图 7 是 9 月 4 日埋地换热器储热过程中的进出口温度