（制冷及低温工程专业论文）太阳能土壤跨季节蓄热—地源热泵组合理论与实验研究.pdf

中文摘要 本文提出将太阳能热利用、跨季节土壤储热与地源热泵相结合的太阳能一热 泵组合系统，充分利用太阳能和浅层地表能，扩大太阳能热利用的深度与广度， 提高太阳能利用效率，克服太阳能能量密度低、昼夜及季节性变化，存在间隙性、 不可靠性等问题。 太阳能在土壤中储存与土壤的蓄热性能有关，本文探讨土壤蓄热过程中蓄能 体内的温度变化，对土壤温度场变化规律，蓄热特性指标：蓄热率、损失率、日 蓄热量等以及跨季节蓄热指标等进行理论研究；并运用v b 编写可视化计算程序 进行模拟分析。针对天津地区太阳能土壤跨季节蓄热的可行性进行分析，为太阳 能土壤跨季节蓄热与地源热泵组合系统( s g c h p s s ) 的推广应用提供理论依据 与指导。 在天津地区针对一建筑物建成太阳能土壤跨季节蓄热一地源热泵组合系统 ( s g c 肿s s ) 的示范工程与数据采集系统。结合建筑特点与用途设计一套切实 可行的蓄热方案，将夏季丰富的太阳能储存在地下壤中，为冬季当太阳能不足 时通过热泵加以提升利用，实现太阳能的转移利用。通过对实验数据的分析处理， 初步得到夏季蓄热时：集热器进、出口温度，日蓄热时间，蓄热功率及系统耗功 等；结合示范工程地下温度测量数据，进一步验证理论模拟的可靠性。 关键词：太阳能土壤跨季节蓄热一地源热泵组合系统( s g c h p s s ) ； 太阳能；地源热泵；土壤蓄热；跨季节蓄热 a b s t r a c t t h i sp a p e r p r e s e n t sas o l a r - h e a tp u m pc o m b i s y s t e mw h i c hc o m b i n e ss o l a re n e r g y s e a s o n a ls t o r a g et e c h n o l o g yw i t hg r o u n ds o u r c eh e a tp u m ps y s t e m s o l a r e n e r g ya n d s h a l l o wg r o u n de n e r g yc a nb eu t i l i z e df u l l yi nt h i ss y s t e m h e a ts t o r a g em a k e si t p o s s i b l et ou s es o l a re n e r g ya f t e rs u n s e to ri nw i n t e r , s ot h ew h o l es y s t e mp e r f o r m a n c e i s i m p r o v e d b e s i d e s ，t h i ss o l a rc o m b i s y s t e mc a l lo v e r c o m et h ed i s a d v a n t a g e so f i n t e r m i t t e n c e ，u n r e l i a b i l i t y , d a i l y s e a s o n a lv a r i a t i o na n dl o wr a d i a t i o nf l u xo fs o l a r e n e r g y h e a ts t o r a g eo fs o l a re n e r g yi ns o i li sc o n c e r n e dc l o s e l yw i t hh e a tt r a n s f e ri ns o i l t h eg r o u n dt e m p e r a t u r ef i e l d ，t h et h e r m a ls t o r a g e p e r f o r m a n c ea n di t sr e p r e s e n t a t i v e p a r a m e t e r ss u c ha sd a i l yh e a ts t o r a g e ，a v e r a g eh e a ts t o r a g er a t i o ，h e a tl o s sr a t i o ，a n d t h ei n t e r - s e a s o n a ls t o r a g ep e r f o r m a n c ea r ea n a l y z e d av bc o m p u t e rp r o g r a mw a s d e v e l o p e d ，a n dn u m e r i c a ls i m u l a t i o n sw e r ec a r r i e do u t 。t h ef e a s i b i l i t yo ft h e c o m b i s y s t e mo fs o l a r g r o u n dc o u p l e dh e a tp u m pw i t hs e a s o n a ls t o r a g ei nt i a n j i n w a sa n a l y z e dt op r o v i d et h e o r e t i c a lf o u n d a t i o nf o rp r a c t i c a l a p p l i c a t i o n s ad e m o n s t r a t i o np r o j e c to fs g c i - i p s sw a ss e tu pa n dad a t aa c q u i s i t i o ns y s t e m w a sd e v e l o p e d b a s e do ns i m u l a t i o nr e s u l t sa n dw e a t h e rc o n d i t i o n si nt i a n j i n ，t h e d e s i g ns c h e m eo ft h e r m a ls t o r a g ew a sp r e s e n t e d ，w h i c hr e a l i z e de n e r g yc a s c a d e d u t i l i z a t i o ni n t e r - s e a s o nb ys t o r i n gt h ea b o u n d a n ts o l a re n e r g yo nt h eu n d e r g r o u n ds o i l i ns u m m e ra n dt a k i n go u ti nw i n t e r p r i m a r yo p e r a t i o nr e s u l t so f s y s t e mp e r f o r m a n c e w e r ea b t a i n e d ，i n c l u d i n gt e m p e r a t u r ev a r i a t i o no fi n n e rt u b ea n do u t e rt u b e ，t h e d u r a t i v et i m e ，t h es t o r a g ep o w e ra n de n e r g yc o n s u m p t i o np o w e r t h es i m u l a t i o n r e s u l t ss h o w e d g o o da g r e e m e n t sw i t ht h ee x p e r i m e n t a ld a t a k e yw o r d s ：s o l a r - g r o u n dc o u p l e dh e a tp u m pw i t hs e a s o n a ls t o r a g e ； s o l a re n e r g y ；g r o u n ds o u r c eh e a tp u m p ； u n d e r g r o u n dh e a ts t o r a g e ；i n t e r - s e a s o n a le n e r g ys t o r a g e 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨注盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：韩撅霞签字日期：弘却年占月t7 r 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤盗盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤洼盘茔可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：彩缀茛 签字日期：西司年占月7 日 导师签名：鹰轫圄 签字隰叼年占月夕日 第一章绪论 1 1 课题研究背景与意义 第一章绪论 目前，人类面临能源短缺和环境恶化两大问题，而且这两者又紧密联系，由 此带来的气候变化已成为2 1 世纪全球经济发展所遇到的巨大挑战之一。开发新 能源和节能是解决能源问题的两大途径。太阳能是人类能量的主要来源，也是一 种无污染、蕴藏丰富的自然能源，太阳能的利用得到了越来越多的重视。太阳能 热泵组合系统以其显著的节能性和环保性，具有广阔的发展前景n 训。 太阳能组合系统是未来建筑节能的一个重要的发展方向。与常规家用太阳能 热水系统相比，组合系统结构虽然相对复杂，造价较高，而且由于热负荷量大， 集热器面积也较大，但由于组合系统能更有效地利用太阳能，大大减少了对煤、 石油等不可再生能源的依赖，减轻了对环境的污染和影响，所以更有发展潜力。 在北方高寒地区，冬季气温低，日照时间短，仅5 - 6 小时，有效太阳辐射量 少，很难满足供热需要；而在夏季一般高温少雨，日照时间较长，超过1 2 小时， 太阳能丰富【4 】。解决这一问题的关键所在是采用可靠的、性能优良的储热材料， 它可以在获得太阳能期间进行储热，又可以在太阳能不足时将所储热量释放供热 泵蒸发器使用。由此可见，储热在太阳能热泵供热系统中所起的作用，不论从供 热还是从经济的角度来看，都比一般系统大得多【5 1 。采用跨季节储热装置的太阳 能系统是合理利用太阳能的最有效途径之一，每年供暖和家庭热水总热量需求的 5 0 以上都可以由太阳能供给1 6 j 。 将太阳能组合系统大型化，利用挖掘水池、地下含水层或埋管以及相变蓄热 等技术，实现太阳能跨季节蓄能 7 1 ，使夏季较富裕的太阳能储存起来供冬季时使 用，这也是太阳能组合系统在我国发展的可行之路，是太阳能组合系统的的一条 发展途径。 用土壤储热的太阳能长期储热系统，具有储热能力大、热损失较小的优点， 它可以将太阳能集热器所获得的热量储存在土壤中，为住宅提供全年的生活用热 水。经济分析表明，这种系统目前可与电加热系统相竞争，而在发展中国家，则 可与用常规燃料供暖的系统相竞争。土壤储热太阳能供暖系统的年度成本仅为电 加热系统的1 3 左右，为常规太阳能供暖系统的2 3 左右。因此，从长远的观点 来看，地下土壤储热被认为是跨季节储热的最有前途的方式之一悼j 。 第一章绪沦 土壤储热系统是很受重视的一个研究方向，其特点是在地下埋设许多垂 直放置的同心套管或u 形管。实践表明，土壤储热效率可达7 5 以上，是目前成 本最低的季节性储热方式【8 1 。 1 2 课题研究发展现状 1 2 1 太阳能跨季节蓄热组合系统应用现状 欧洲对太阳能采暖热水组合系统设计研究较早，在上世纪7 0 年代就有相应 的运行系统出现，9 8 年国际能源机构i e a 下设的太阳能供暖制冷组织s h c 将其列 为一个专题：t a s k2 6s o l a rc o m b i s y s t e m ，主要研究组合系统的调查和推广、系 统及部件性能测试方法及数值模拟方法开发、系统的最优化三个方面的问题n 羽。 系统中主要包括太阳能集热器回路、热存储子系统、控制子系统、辅助能源子系 统、热水分配子系统五个部分。 图卜1 是欧洲太阳能集热器组合系统发展的预测图。 年份 图卜1欧洲太阳能组合系统发展预测图 从图卜1 中可看出组合系统在欧洲有很好的发展前景，预计到2 0 1 0 年安装 组合系统达1 8 0 0 万i n 2 ，能够有效减少对常规化石能源的依赖和c 0 2 的排放。 近十多年来国外已经设计安装了多种类型的太阳能组合系统，其中大都进入 市场，产品、技术比较成熟，这些都可为我国太阳能热利用提供有利的借鉴u 乱。 近年来，中北欧建立了许多大型跨季节蓄热的太阳能系统，主要在瑞典、丹 麦、荷兰、德国、澳大利亚( d a l e n b i c k ，2 0 0 3 ) ，南欧仅有希腊雅典l y k o v r i s s i 跨季节蓄热系统一处【l4 1 。 德国是第一个将太阳能辅助供热工程作为政府示范和研究项目的国家。1 9 9 3 年，德国政府计划在1 0 年内完成2 0 0 0 兆卡太阳能工程计划，工程由b m b f 科研 第一章绪论 学术机构和b m w l 经济技术机构资助，分三期来完成：i 期主要研究大规模太阳 能热利用系统的长期性能和可靠性；1 i 期( 无跨季节蓄热) 和i i i 期( 有跨季节蓄 热) 主要是探索和示范监测工程。在完成4 个短期太阳能集中供热工程之后，一 直到1 9 9 5 年才开始期工程的建设，己建成8 个跨季节蓄热示范工程，表1 - 1 为2 0 0 0 兆卡太阳能工程的i i i 期概况”驯。图1 2 为位于德国汉堡市的第一个太阳 能跨季节蓄热示范工程”“。 表1 - 1i i i 期工程概况：跨季节蓄热太阳能供热系统 名称 f r i e d r i c h s n e c k a r s u l mc h e m _ n i t z 单位 h a m b u r g 指标 h a f e n p h a s e i计划中 采暖面积i n 21 4 8 0 03 9 5 0 02 0 0 0 0 热负荷 g j a5 7 9 61 4 7 8 25 9 8 74 4 5 0 集热器面积m 23 0 0 05 6 0 02 7 0 02 0 0 0 蓄热容积 m 34 5 0 01 2 0 0 02 0 0 0 08 0 0 0 蓄热方式热水池热水池埋管砾石水 年太阳能得热量g j a 2 8 4 06 8 9 42 9 9 51 8 6 8 太阳能保证率4 94 75 0 4 2 年太阳得热量损耗 g j ( m 2 a ) 9 6 51 2 3 l1 1 0 99 3 6 供热系统总投资 m j od m6 1 l7 7 54 5 0 太阳能投资 m i o d m 4 3 36 3 0。2 9 02 4 0 ( 除附属设备) 采暖总费用 d i g j1 1 25 88 8 太阳能采暖费用 d g j1 3 98 69 41 3 1 已建成的跨季节蓄热示范工程为太阳能集中供热系统的设计和应用提供了 依据，并验证了该做法的可行性。经济性问题是这项技术市场化的首要必备条件。 1 9 9 9 年，b e n n e r 等开始采用计算机程序对跨季节蓄热系统相关设施进行精确监 控测试。计算机采集到的详细数据用来确定系统的不足之处以及对系统进行优 化，以期达到更经济的目的。为此，斯图加特大学热能与动力研究所开展了科学 第一章绪论 研究与技术交流合作。在进行太阳能系统设计时，短期蓄热按太阳能满足全年供 暖和热水总需求的1 0 一2 0 设计，太阳能保证率满足7 、8 月份热水负荷的 8 0 1 0 0 ，年热水负荷的4 0 5 0 ( 中北欧统计数据) ；跨季节蓄热太阳能集中供 热系统( c e n t r a ls o l a rh e a t i n gp l a n tw i t hs e a s o n a ls t o r a g e ，c s h p s s ) 的目标是太 阳能保证率满足大型建筑全年供暖和生活热水总需求的5 0 以上，随着季节的更 替，通过跨季节蓄热实现太阳辐射与热需求之间的补偿。图1 3 为德国 f r i e d r i c h s h a f e n 地区c s h p s s 系统月能量平衡刚1 4 】。 f “ie n e 啊 0 s o i 甜o n * t g y _ 一 _ 奠 一j ：l 一一 广 一 j a nf b 黼 p r y3 u aj u l a u g8 po c tn o vo c 图1 - 2 德国汉堡示范工程图卜3c s b p s s 系统月能量平衡图 目前，跨季节蓄热太阳能集中供热系统在欧洲尚处科学研究和工程示范阶 段，这一技术发展的瓶颈在于初投资较大，现已建成的示范工程主要由政府投资 建设。从技术角度来讲，需要改进并提出新的跨季节蓄热装置以提高储热效率、 降低建造成本，同时提高太阳能集热器效率并采用低温供暖技术等：在设计中， 需要对系统参数进行优化，目前欧洲主要采用t r n s y s 软件来完成系统参数的 优化工作。国内还没有真正意义上的太阳能跨季节蓄热集中供热系统应用实例。 天津大学正在做太阳能土壤跨季节蓄热一地源热泵组合系统( s o l a r - g r o u n d c o u p l e dh e a tlu m p 埘t hs e a s o n a ls t o r a g e 。s g c h p s s ) 方面的尝试，本文将在第四 章中详细介绍。 1 2 2 土壤跨季节蓄热与土壤内热质传递研究现状 跨季节蓄热太阳能集中供热系统( c s h p s s ) ，是与短期蓄热或昼夜型太阳 能集中供热系统( c e n t r a ls o l a rh e a t i n gp l a n tw i t hd i u r n a ls t o r a g e ，以下简称 c s h p d s ) 相对而言。现在普遍流行的家用太阳能热水器系统( d e p a r t m e n to f s o c i a la n dh e a l t hs e r v i c e s ，d s h s ) 及其它类似装置就属于c s h p d s 系统。由于 太阳能量密度较低，且存在季节和昼夜交替变化等，使得c s h p d s 系统不可避 免地存在很大的不稳定性，太阳能利用效率低等缺点。 第一章绪论 而c s h p s s 系统主要是通过一定的存储媒介，如热水型蓄热、砾石一水蓄热、 埋管土壤蓄热和含水层蓄热等，进行太阳能量存储( 蓄热) ，以补偿太阳辐射与 热量需求的季节性变化，从而达到更高效利用太阳能的目的。因此，c s h p s s 系 统可以很大程度上克服c s h p d s 系统的缺点。在欧洲，c s h p s s 系统中太阳能占 总热需求量的比例己达到4 0 6 0 ，远远超出了c s h p d s 矛n 家用太阳热水器 d s h s 系统。c s h p s s 系统已经成为国际上比较流行、极具发展潜力与大规模利 用太阳能的首选系统之一。瑞典在a n n e b e r g 地区的商业住宅中利用太阳能地下蓄 热，开凿1 0 0 个u 型垂直埋管换热器，用来储存2 4 0 0 m 2 太阳能集热器收集到的热 量，其中一部分采用热电联合用能循环，一部分采用热泵系统循环，每年可以补 充7 0 一8 0 自q 供热量【l 们。 利用t r n s y s 和m i n s u n 建立土壤蓄热模型( d s t ) ，对一个9 0 户家庭约 1 0 8 0 m w h 的热负荷进行分析，设计时满足太阳能占6 0 ，太阳能集热器3 0 0 0 m 2 ， 可以提供3 0 的供热热水，地下蓄热容积6 0 0 0 0 m 3 ，蓄热温度为3 0 c 4 5 c i l 。 目前，主要的研究方向是太阳能集热器面积和蓄热体容积对c s h p s s 系统的 供热性能、经济性及系统的优化分析：应用有限元分析法对太阳能集热器、热泵、 地下蓄热体进行仿真模拟和经济性分析【l 昏1 9 】。 跨季节蓄热太阳能集中供热系统，目前研究方向是如何改进和提高蓄热效 率，降低建造成本，同时提高太阳能集热器效率并采用低温供暖技术等。设计中， 需要对系统参数进行优化，t r n s y s 已成为主要的计算与分析软件。 国内针对太阳能土壤蓄热的研究与应用，从文献检索看，目前尚只有针对温 室的太阳能地下蓄热的有关研究，如采用太阳能地下蓄热进行温室黄瓜生长实 验，与煤炉地上加热方式相比，温室地温平均升高4 4 。c ，产量提高2 1 以上【2 0 】。 对太阳能土壤蓄热温室进行模拟研究，得到太阳能集热器面积与温室种植面积的 优化比例为l ：5 t 2 1 j 。 对太阳能土壤跨季节蓄热，本课题组已开展了此方面的初步研究1 2 2 。2 6 。结合 土壤跨季节蓄热，实现太阳能、地表能及与地源热泵的组合利用；通过地下埋管， 将夏季过剩太阳能储存于土壤中，冬季太阳能不足时，通过地源热泵加以提升利 用；并建立示范工程，实现供热、空调和供热水三联供f 2 引。将太阳能_ 土壤蓄热 系统应用于公路融雪中，实现太阳能的跨季节转移利用【z 引。 国际上己开展了一些土壤蓄能相关的研究工作 2 7 - 2 8 】，但对土壤蓄能的机理和 特性研究是很有限的，国内研究工作尚处于起步阶段。 国内外对地源热泵的埋地换热器及与地下土壤之间的传热已做了很多研究 工作，如以线热源旧1 或圆柱热源m 1 模型为基础，开展埋管传热理论研究b 引。对 土壤的蓄冷，开展了含土壤冻融过程的埋管管束内层及外层盘管蓄泠、释冷过程 第一章绪论 的研究，得到土壤蓄冷及释冷的运行特性受土壤物性、流体流量、温度、埋管布 置及尺寸等多因素的影响n 引。通过垂直埋管的传热实验和模拟计算，对蓄能的传 热作用进行分析和探讨，表明：蓄能改变地下蓄能体的能位；蓄能体温度分布的 变化随时间而改变【3 引。对土壤内热湿迁移进行了很深入的研究b 副，通过分形理论 研究多孔介质内的热质传递，采用有限容积法分析分形多孔介质中的热传导等。 1 3 本文主要研究内容 本文以土壤蓄热特性为重点开展理论与实验研究，研究太阳能在土壤中跨季 节蓄存效果，在此基础上设计太阳能土壤跨季节蓄热与地源热泵组合 ( s g c h p s s ) 系统及其示范工程的应用研究。 1 、建立土壤蓄热过程的物理与数学模型，运用v b 编程语言编制土壤跨季 节蓄热可视化计算软件，通过模拟计算探讨地下蓄能过程中土壤温度场在不同条 件下的分布与变化，研究蓄能传热机理和规律。 2 、通过地下埋管蓄热的模拟计算，研究地下土壤蓄存热量的能力和容量， 跨季节蓄存后热量的损失情况，进行有关特征指标的研究，如定义为“日蓄热量”、 “平均蓄热率”、“跨季节热损失率”，研究太阳能夏季蓄热为冬季供热所利用的 效果。 3 、在土壤蓄热研究基础上，针对一实际建筑物设计太阳能土壤跨季节蓄热 一地源热泵组合系统( s g c h p s s ) 示范工程，并开展相应的应用研究。即在埋 管式地源热泵系统基础上增加太阳能集热与地下土壤跨季节蓄热部分，同时开发 一套计算机数据采集和监控系统。 第一章太阳能跨季节储存与j ：壤蓄热特性 第二章太阳能跨季节储存与土壤蓄热特性 尽管太阳能给人类和自然界提供了几乎取之不尽、用之不竭的能量。但是太 阳能是随时间、季节变化的，这种间断性造成供需的矛盾。为此要想办法把充足 时的太阳能储存起来，以供太阳能不足时使用，这就是太阳能的热储存。由于大 地本身的绝热性，其周围土壤的温度比外界空气的温度更加稳定。因此，将土壤 作为太阳能跨季节利用的储热介质值得深入研究。 2 1 太阳辐射特点与倾斜面上太阳辐射量计算 2 1 1 太阳辐射的特点 太阳是距地球最近的一颗恒星，它是一个温度极高的球体。在太阳球心至平 均半径1 4 处的球体，占总质量的4 0 ，总体积的1 5 和所产生能量的9 0 ， 这里的温度大约为1 5 x l o7 。至平均半径的7 0 处，温度降至5 x 1 0 5 ；再向 外，至表层进一步降至6 x 1 0 3 左右口7 1 。 太阳不停的向四周空间放射出巨大的能量，其总能量平均每秒钟达 3 8 7 x 1 0 2 6 j ，相当于每秒钟烧掉1 3 2 x 1 0 1 6 吨标准煤所释放出来的能量。而地球所 能接受到的能量仅是太阳发出总量的2 2 亿分之一。尽管如此，每秒钟也有 1 7 7 x 1 0 1 。7 j 之多，折合标准煤约为6 1 0 6 吨。 但太阳辐射到达地面之前要经过大气层，后者对太阳辐射有种种影响【3 8 】： 1 ) 太阳辐射到达大气层外表面时有一部分被反射回外层空间。 2 ) 太阳辐射到达大气层之前是平行光线，当它通过大气层时，大气中的n 2 和 0 2 分子将一部分平行光线向各个方向散射。 3 ) 大气中的尘粒和接近地面的大气层中的水蒸汽也有散射作用。 以上2 ) 、3 ) 两种作用减弱了射向地面的太阳辐射的直射( 具有方向性) 强 度，却造成了太阳辐射中的散射辐射。散射辐射也有一定的强度，但是它是一种 漫射，没有方向性。 4 ) 大气中的臭氧、水蒸汽和尘粒吸收了一部分太阳辐射能，然后以长波辐 射的方式将此能量传向外层空间和地面，其中也有一部分以对流方式传向地面。 5 ) 透过大气层直接射向地面的太阳辐射成为直射。直射辐射的方向取决于 太阳的位置，太阳的位置可用高度角和方位角来表示。 第二章太阳能跨季节储存与 ：壤蓄热特性 2 1 ，2 倾斜面上太阳辐射量计算 1 、直射辐射 无论固定的太阳能收集器，还是跟踪太阳的收集器，其收集面都是以一定的 倾斜角度朝向太阳的，可见，对于确定的倾斜面上的太阳辐射能量，在太阳能利 用中是个重要的问题。 如图2 1 ，大气质量为m 时垂 + 直于太阳光线表面a c 上的太阳 直射辐射强度i 。与倾斜面上a b 上的直射辐射通量i b 有如下关 系： 6 = lc o s o r ( 2 一1 ) 式中，岛为太阳光线与斜面 法线n 之夹角，即太阳光线的入 射角。 对于南向收集器，将南向斜 面的入射角代入即可，即 a 水平面 图2 - 1倾斜面上直接辐射通量与入射角的关系 l t b l l 。= a c a b = c o s o r i r 6 = 【s 试一s ) s i n , 多+ e o s ( # 一s ) c o s 8 c o s 0 9 i 。 ( 2 2 ) 式中，为地理纬度，6 为太阳赤纬，为时角，s 为斜面倾角( 面向南倾 斜为正) 。 2 、散射辐射 散射辐射是由于地球大气以及云层的反射和散射作用而改变了方向的太阳 辐射，它来自半球天空四面八方的各个方向，在计算时也需要考虑。到达地表水 平面上的散射辐射通量，可在气象数据库中查得。下面介绍如何将其折算为倾斜 面上的散射辐射。 在假定天空为各向同性的散射辐射条件下，利用角系数的互换定律： 一c = 4 c 一咖 ( 2 3 ) 到达太阳能集热器倾斜面上单位面积的散射辐射通量可以写成如下： i r d = l a a , k r 一。= l 只一s t y ( 2 - - 4 ) 式中，i r d 为倾斜面上的散射辐射通量；i d 为水平面上散射辐射通量；为 8 第一章太阳能跨季节储存与襄蓄热特性 半球天空的面积；为倾斜面的面积，在这里a c ：1 ；f h 刊f s h 为角系数( 或 称为形状系数) 。 集热器倾角的平面对天空的角系数： c 曲= 生+ 生c o s s+ j 22 ：1 + c o s s - c o s 2 ( 羔) ( 2 5 ) ， 式中，r 为半球天空的半径；s 为集热器倾角。 将式( 2 - - 5 ) 代入式( 2 - - 4 ) 得： r , a = l a ( 半) 却群( 罢。2 吲 3 、太阳总辐射 太阳总辐射也称为全天空日射，它是到达地表水平面上的太阳直射辐射与散 射辐射的总和，即 l h5 l b + i d?(2-7) 式中，i n 为水平面太阳总辐射量；i b 为水平面上直射辐射通量；i d 为水平面 上散射辐射通量。 倾斜面上的总辐射除了直接辐射和散射辐射外，还需要考虑来自地面的反射 辐射。一般认为，地面对太阳的反射遵从兰伯特( l a m b e r t ) 定律。因此，把地 面的反射辐射看成是各向同性的。到达倾斜面的反射辐射可写成： i t , p ( 厶圳p 半 ( 2 - 8 ) 式中，p 为地面的反射率，各种地面的反射率如表2 1 所示。 所以斜面上的总辐射强度为： i r = i r b + i t d + i t 。p 咆“半啪圳p 半 ( 2 _ 9 ) 表2 - 1各种地表面的反射率 地面状态 反射率 地面状态 反射率地面状态反射率 干燥黑土 1 4 干草地 1 5 - 2 5湿砂地 9 湿黑土8湿草地1 4 - 2 6新雪 8 l 干灰色地面 2 5 - 3 0 森林 4 1 0 残雪 4 6 7 0 湿灰色地面 l o 一1 2 千砂地 1 8水表面6 9 第二：章太阳能跨季节储存与土壤蓄热特性 2 2 太阳能跨季节储存方法 所谓跨季节性蓄热，就是指长期蓄热( 储热容积比较大，充分热循环周期比 较长，一般为一年) ，是与短期蓄热或昼夜型蓄热相对而言的。从某种意义上来 说，现在普遍流行的小型家用太阳热水器系统( d s h s ) 以及其它类型装置就属 于短期蓄热太阳能系统的范畴。由于地球表面的太阳能量密度低，且存在季节和 昼夜交替变化等特点，这就使得短期蓄热太阳能供热系统不可避免的存在很大的 不稳定性，从而使太阳能利用效率也变得很低。因此，长期蓄热是目前极具发展 潜力的大规模利用太阳能的方式。 根据储热介质的类型差异，跨季节储热系统大致可以分为下述几种方式：热 水蓄热池( h o t - w a t e rs t o r a g et a n k ) 、砾石水蓄热( g r a v e l w a t e rh e a ts t o r a g e ) 、地 下土壤埋管蓄热( u n d e r g r o u n dd u c th e a ts t o r a g e ) 以及天然地下水层蓄热( n a t u r a l a q u i f e rh e a ts t o r a g e ) 【6 】，如图2 2 所示。 l ! = 一 ( a ) 热水蓄热池 1 l i i 、q二二 ( b ) 砾石水蓄热 ( c ) 埋管蓄热( d ) 天然地下水层蓄热 图2 - 2 跨季节储热方式 1 、热水蓄热池 这是一种常见的跨季节储热方式，多置于地下。这种方式采用水作为储能介 质，水的热容量大、粘度低、无毒性、无腐蚀性，且价格低廉，是大规模储热的 第章太阳能跨季节储存与l ：壤蓄热特性 理想介质 3 9 1 。此外，很多太阳能集热器系统都是用水，由于在传热介质与储热介 质之间无需设置换热器，从而降低了费用，并提高了效率。热水蓄存池装置结构 如图2 2 ( a ) 所示，水箱壁面由混凝土浇筑而成，内侧则通常还要敷设一层较厚 不锈钢板( 大于0 1 衄) ，以增强系统的坚固性、抗腐蚀性，同时还可以增大导 热热阻，减少热损失。从热力学角度看，这种蓄热形式具有较大的热容以及良好 的蓄热释热性能，所以是这四种蓄热方式中最佳的方式，其利用可能性最为广 阔。热水蓄热的一个关键技术在于水箱维护结构的设计和隔热。德国i l m e n a u 科 技大学已经开发出一种由玻璃纤维增强塑料组成的新型复合壁面材料。目前，研 究小组正对这种材料进行长期耐久性测试。 2 、砾石水蓄热 这种形式的储热方式也叫人造含水土层蓄热( m a n m a d ea q u i f e r h e a ts t o r a g e ) ， 该蓄热装置结构如图2 2 ( b ) 所示。地下挖出一个凹槽，用绝热防水材料铺满坑 底及坑壁，坑内填满砾石和水的混合物作为储热介质，其中砾石用于支撑顶盖。 充热和放热可以直接通过坑内水的循环进行，也可以通过埋置于坑内不同层的管 道实现 4 0 l 。发展这种方法的最初目的是为了防止地下水受到污染。 这种储热方式，太阳能可以通过埋设在各层的换热器管群，进行储存和释放， 不需要特别的承重框架，因为作用力可以被砾石分解至四周及底部区域。但是， 由于砾石水混合物的比热较小，在相同蓄热量的情况下，砾石水蓄热装置的容 积要比热水蓄热池高出5 0 左右。 3 、埋管蓄热 这种储热方式是将热能直接储存在土壤或岩石中，这种蓄热装置的结构如图 2 2 ( c ) 所示。在进行新系统设计之前，必须对建筑地点的地理状况和用户的需 求进行全面的分析。整个储能系统由许多管道组成，首先要向地下竖直钻井，通 常直径为1 0 0 1 8 0 删，深3 0 1 0 0 m 。换热器由一个或两个插入式竖井内的u 形塑 料管组成。换热器材料的选择取决于储热温度，常用的有聚丙烯、聚乙稀( 高密 度聚乙烯) 或聚丁烯。最后，竖井必须采用一种特殊的材料从底部到顶部进行填 充，以保证换热器管壁与土壤之间接触良好。此过程中，要避免产生较大的气泡， 否则，将会在换热器与土壤之间产生较大的热阻。 这种系统的热性能受到热交换器周围区域热量、水分运动的影响。导热性和 热容性的大小在很大程度上取决于含水量的大小。可以采用计算机模拟温度范围 至9 0 情况下热量及水分的输运状况，从而得出在水分含量、矿物质成分、干 容重和土壤组分形状等因素影响下，土壤的有效换热系数和热容量。 第一章太阳能跨季节储存与 壤蓄热特性 4 、天然水层蓄热 含水土层就是指含有充满水的泥、沙砾或多孔石的地下河床或地层。如果某 些含水土层的上层和下层都是密封的，而且在本层内没有或只有很慢的天然地下 水流动，则这些含水土层就可用作热量( 冷量) 的储存。在这种情况下，需要在 含水土层中钻两1 3 3 3 井或一组井用于地下水的提取或注入。在充热阶段，来自冷源 井的冷水由太阳能系统加热后注入热源井 4 1 】，其结构装置如图2 2 ( d ) 所示； 在放热阶段时流动方向则相反。e h 于不同的流动方向，所有的井都装有泵和输入 输出的管子。为了使热损失减少到合理的程度，这种蓄热方式的容积应尽可能的 大，一般要超过1 0 0 万m 3 。储水层储热的储热温度一般为2 0 c 3 0 c ，若储水层 足够深，储热温度可达6 0 9 0 一圳。 在实际工程中，具体采用哪种蓄热方式主要取决于当地的地理位置、气候、 地质水文等条件，要进行必要的技术经济分析。此外，对于埋管蓄热和含水层蓄 热方式，还要进行前期的地质勘探工作，并获得有关管理部门的施工许可证。 2 3 地下埋管蓄热方式 跨季节储热的储热装置可置于地面以上，一般较常见的有钢质储热水塔，但 钢质储热水塔的投资相对来说较高，并且储热容积有一定的限制，对保温性能要 求较高，从长期运行的经济性来看，置于地面以下的储热装置更为有效。由于土 壤和岩石的热传导系数比较低，从而使在地面以下一定容积内进行储热成为可 能，然而储热损失却因储热容积的不同而相差很大。实验表明：在一定的温度下， 回 水 乏三：享鋈r ：三： 芑= 一。卣 o 一 j 。( ： ， - - 一 图2 3u 型竖直埋管蓄热示意图 钻 孔 深 一l o o m ) 筇? 章太阳能跨季节储存与j 二壤蓄热特性 个边长为3 m 的立方形地卜储热装置，在几天之后，其储热量的5 0 将损失掉。 而相应的边长为l o o m 的正方形地下储热装置，在6 个月之后，其热损失只有 1 0 t 4 3 】。图2 3 为u 型竖直埋管蓄热示意图i4 4 1 ，储热装置的项部设置绝热层从而 减少热损失。比较之下，高温系统在尺寸上要比低温系统大得多，因为较大的温 度梯度将会导致较高的热损失。通常，高温土壤蓄热系统的体积要超过 1 0 0 0 0 m 3 【4 5 】。 埋管蓄热方式，通过地下埋管热量直接被储存或者释放至周围的土壤中。埋 管蓄热方式对地质结构具有较强的选择性，比较适合的地质结构有岩石和饱和水 土壤等。在实际应用中，垂直钻孔换热器是比较典型的埋管蓄热装置，主要分为 单u 型、双u 型等多种类型。此外，桩埋换热器也是近年来发展起来的一种新 型埋管蓄热装置，这些装置在地源热泵系统中应用较为广泛，技术成熟度也高。 国外多年的研究和实践表明，太阳能跨季节储热技术有很大的潜能，可以减 少电能和矿物燃料的消耗；可以高效的利用太阳能源；同时，它们一个显著的特 点就是对生态环境的影响很小。太阳能储热有几种不同的方式，它们各自都有自 己不同的特点和分别适用不同的地理条件，这里仅对它们作一大概的比较【4 3 】，见 表2 2 。 表2 2各种蓄热方式的投资、技术与蓄热温度比较 热水池砾石水地下土壤地下含 项目相变蓄热 蓄热蓄热埋管蓄热水层蓄热 投资( 元 4 - 5 3 4 50 5 - 20 3 - 1 5 1 0 0 - 2 0 0 k w 木h ) 技术 木木木拳木料 ，l c 木木 蓄热温度 5 58 5 9 03 0 ( 最高，) 注：术基本无技术问题，木术无大的技术问题，：l c 料存在一定技术问题 从表2 2 的分析可以看出，采用地下埋管储热的方式，综合优势比较明显， 而且在储热系统上面可以覆盖草皮用作绿地，也可以直接用作停车场，甚至可以 是建筑物等。，基本上不占用土地；储热系统各个钻孔之间的埋管连接也非常方 便，储热容积可以随着建筑物面积的增大而增大。因此，对于较大规模的新建储 热工程多采用地下埋管的方式，地下埋管蓄热方式也是本文主要研究对象。 第? 章太阳能跨季节储存与一 ：壤蓄热特性 2 4 土壤蓄热特性 2 4 1 土壤热物性参数 土壤的热物性参数包括：土壤比热容、土壤导热系数、土壤密度、土壤热扩 散率和土壤初始温度。土壤的热物性参数是地下土壤u 型埋管换热器设计中的 重要参数，u 型埋管换热器的埋管深度，埋管间距，u 型管的进出口温差，地下 换热量及地下长期储热量等主要由土壤物性参数来决定，因此，对土壤热物性的 研究对u 型埋管的换热和土壤的储热具有重要的意义。 1 、土壤比热容 土壤是一个非均质、多相、颗粒化多孔介质，其中占体积约5 0 的部分为固 相，其余由空气、水等成分组成，土壤的详细成分见表2 3 。 表2 3土壤各组成物质的热物性参数( 标准大气压，2 0 。c ) 密度质量比热容体积比热容导热系数 组成物质 k g m 3驯伙g 。)k j ( m 3 )w ( m 。) 石英 2 6 5 00 7 3 3 1 9 4 28 3 7 粘土矿物 2 6 5 00 7 3 31 9 4 22 9 3 土壤有机质 1 3 0 01 9 2 62 5 0 4 0 2 5 l 水1 0 0 04 1 8 74 1 8 70 5 9 5 空气1 21 0 0 51 20 0 2 6 为了便于分析，将土壤的成分简单地分为矿物质( 固体相) 、有机质( 固体 相) 、水( 液相) 和空气( 气相) 。单位质量的土壤，温度每升高1 所需的热量 称为土壤的比热容，以c 。表示，单位为k j ( k g ) 。土壤的比热容c 。可由各组 成物的比热容计算得出 c 脚= c ，虼+ 咒+ 儿+ 虼 ( 2 1 0 ) 式中，y ，、y 。、儿、y 。分别为单位质量土壤中含有的矿物质、有机质、 水和空气的质量，k g k g ；c ，。、c 。、c ，和分别为矿物质、有机质、水和空 第一：章人阳能跨季书储存与i ：壤蓄热特性 气的比热容，k j ( k g ) ，在2 0 c 茅ni a t m 下，它们分别为0 7 3 3 ( 近似平均数) 、 1 9 2 6 ( 近似平均数) 、4 1 8 6 和1 0 0 5 1 4 6 1 。因此，只要土壤中各组成物的质量比已 知，土壤的比热容便由式( 2 一l o ) 计算出。 2 、土壤导热系数 土壤导热系数是地埋换热器设计中的关键性参数之一，由于土壤内组分复 杂，气、液、固三种状态同时存在于土壤中，导致了其计算复杂，文献【4 7 】给出了 经过实验验证的经验公式，对于不同湿度和密度的土壤，采用以下公式： 如= o 1 4 4 1 6 6 o 9 i o g ( 1 0 0 ) - 0 2 1 0 玑蝴缸g ( 2 1 1 ) 式中，矽为土壤湿度，k g k g ；g 为干土壤密度，k g m 3 。 ：笔黧纂磐( 2 - 1 2 ) 矗，= = 一 7 单位容积土壤质量 土壤导热系数在大于某一特定的湿度临界值时是相对恒定的，称为临界湿度 含量( c m c ) ，见表2 4 。 表2 - 4 临界湿度含量( 单位：k g k g ) 土壤描述近似l 临界湿度含量 颗粒 2 2 当湿度低于c m c 时，导热系数迅速下降。在夏季工况下，当u 型埋管向土 壤排热时，埋管附近土壤里的湿气可以被驱除出去。如果土壤处于或接近c m c ， 这种湿气的减少将使土壤的导热性能剧烈减小，从而使u 型埋管的换热性能大 大降低。表现出这种特性的土壤视为热不稳定，将严重地降低土壤传热性能。 3 、土壤热扩散率 土壤的热扩散率定义为： 第二章太阳能跨季节储存与土壤蓄热特性 口= 五驯, o c 研2 s 】2 一1 3 ) 热扩散率o t 常被误称为导温系数，它表示单位时间单位容积土壤由于流入 ( 或流出) 一定热量，导致土壤温度升高或降低的程度，因此它反映了土壤传导 热量和消除层间温度差异的能力。热扩散率也是随土壤质地、干容重和含水率的 大小而变化的。对于同一土壤，其导热系数和比热容均随土壤含水率的增高而加 大。在含水率较低时