太阳能跨季节蓄热供暖技术的研究与应用李明云1，XXX1，XXX1（1北京四季沐歌太阳能技术集团有限公司，北京，102600）摘要分析了国内现阶段的冬季供暖状况，利用太阳能跨季节蓄热太阳能集中供热系统解决了夏热冬用的技术难题，它能够有效的减少CO2 的排放进而减弱全球的变暖趋势，通过四季沐歌实际工程可以看出，跨季节蓄热太阳能集中供热系统能够提供50%或者更高的太阳能保证率。
文章介绍了季节性蓄热中的水蓄热、砾石-水蓄热、埋管蓄热以及含水层蓄热的四种显热蓄热方式，分析了各个蓄热方式的特点及各自的应用场合。
针对前期对蓄热系统进行的调研，分析并探讨了蓄热系统的保温、密闭性以及系统造价等。
重点对太阳能地下土壤储热的关键技术进行了分析，并初步对地下土壤储热系统的埋管进行了设计计算。
关键词：太阳能辅助加热；季节性蓄热；埋管换热器Research and Application about Central Solar Heating Plants withSeasonal StorageLi Mingyun1,XXX1,XXX1(Beijing sijimicoe solar energy technology co.,ltd,Beijing,102600)Abstract This paper analyzes the status of China at this stage about heating in the winter,The use of CSHPSS can solve the technical problem of the summer heat in winter to be used .CSHPSS can effectively reduce CO2 emissions and global warming.Through the sijimicoe actual engineering can be seen, CSHPSS can provide 50% or more high solar fraction. Four sensible heat storage mode is introduced about hot-water thermal energy store、borehole thermal energy store、aquifer thermal energy and gravel-water thermal energy store. This paper analyzed the characteristics of various regenerative way and their respective applications. According to the research on the heat storage system, This paper analyzes the heat insulation system、leakproofness and the system cost etc. The focus is on the analysis about solar energy storage in underground soil about the Yangtze River Basin, This paper preliminary to design and calculation the underground soil heat storage system about buried pipe.Key words Solar assisted district heating; Seasonal heat storage; Buried pipe heat exchanger0 引言近年来，我国冬季冷空气活动频繁，南方地区出现了连续的低温雨雪天气，南方供暖问题变得越来越迫切。
2001年我国发布了《夏热冬冷地区居住建筑节能设计标准》，该标准对夏热冬冷地区居住建筑的建筑热工采暖空调提出了与没有采取节能措施前相比节能50%的目标。
太阳能作为一种清洁的可再生能源，它在我国夏天资源比较丰富，通过季节蓄热的方式可以有效的解决冬季采暖、工业预热等各个领域。
太阳能的供热分为短期蓄热太阳能供热系统CSHPDS(central solar heating plants with diurnal storage)和跨季节蓄热太阳能供热系统CSHPSS（Central solar heating plants with seasonal storage）。
短期蓄热主要是满足宾馆、学校等的部分用热水和采暖的需求，它所提供的热量占用户全年需用热量的15%～20%。
跨季节蓄热可以满足全年的生活热水和冬季采暖的需求，它所提供的热量可以占用户全年使用热量的50%。
早在1996年，在欧洲的几个跨季节采暖试点工程已经开始研究并实施。
现阶段在我国南方地区在冬天大部分的能源的使用方式电加热、燃气加热和锅炉加热，因此跨季节蓄热太阳能集中供热系统为减少南方冬季能源消耗和CO2的排放提供了有效的解决方法。
1 系统概念太阳能低温地板辐射采暖系统是以太阳能集热器为热源，热水通过地下盘管对房间进行供暖。
地板辐射采暖的温度可以利用不高于60℃的热水传热介质，在达到同样效果采暖的情况下，地板辐射采暖比其他采暖形式的室内设计温度低2～3℃，季节性蓄热的蓄热温度为0～40℃，经过适当的提升温度，就可以满足低温地板辐射采暖的要求。
图（1）太阳能低温地板辐射采暖系统示意图根据上海、武汉、北京、大连四个城市采暖季模拟分析别墅采暖面积为180㎡，室内设计温度为16℃,其他参数按照冬冷夏热地区居住建筑节能设计标准和工程的实际选取。
模拟结果如下表1。
表（1）室内设计温度16℃时建筑热负荷模拟结果城市上海武汉北京大连全年热负荷/KWh 5549.02 7074.05 14688 15782采暖季热负荷指标/W·m-211.98 14.91 28.37 30.48 由于地球表面上太阳能量密度较低，且存在季节和昼夜交替变化的特点，这使得短期蓄热太阳能供热系统（CSHPDS）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。
采用季节性蓄热技术将夏季的热量蓄积到冬季用来供暖，提高太阳能系统的设计保证率，实现太阳能全年综合利用。
这就很大程度克服了CSHPDS的缺点，从而能更高效的利用太阳能资源。
CSHPSS系统主要由太阳能集热系统、蓄热系统、末端供暖系统、供热中心和热力交换站等组成。
夏季，太阳能集热器加热的热水首先进入地下蓄热水池，蓄热水池中的热水经过板式换热器把热量传递给自来水，通过生活热水管道到达各用户用水点，各用户自备辅助加热器，当由太阳能加热的生活热水达不到设定温度时，则启动辅助加热器加热生活热水。
冬季，被太阳能集热器加热的热水首先进入地下蓄热水池中，蓄热水池中的热水经过板式换热器换热给锅炉房内的采暖回水管道，若经换热后的采暖回水达到50℃，则不经过锅炉房换热器，直接回到锅炉房内的分水器经输配系统输送到采暖末端，若温度不够，则需要经过锅炉换热。
2 太阳能蓄热系统的设计根据蓄热温度的差异，CSHPSS系统可分为低温蓄热和高温蓄热两种形式。
低温蓄热的温度范围通常为0～40℃，而高温蓄热则为40～90℃。
国内外应用较多的普遍为低温蓄热，因为对于高温蓄热如何降低热损失是需要考虑很多问题，比如对于一个圆柱蓄热装置热损失主要有底面、侧面和顶面三部分组成，其中顶面热损失最大，占热损失的35%～40%(无隔热材料)或15%～20%（有隔热材料）。
一般而言，高温CSHPSS系统最小的储存容量应在10000m2以上。
CSHPSS中蓄热装置的蓄热性能是评价系统好坏的一个重要指标。
根据蓄热介质的不同蓄热装置可以分为四类，热水蓄热（Hot-water Thermal Energy Store 简称HTES）；地埋管蓄热（Borehole Thermal Energy Store简称BTES）；含水层蓄热（Aquifer Thermal Energy Store 简称ATES）；砾石-水蓄热（Gravel-water Thermal Energy Store简称GWTES）等四种方式。
不同的蓄热方式根据建设地点的土壤、岩石、地下水情况及投资规模确定。
热水蓄热地埋管蓄热含水层蓄热砾石-水蓄热图（2）四种蓄热方式的类型表（2）四种蓄热方式比较蓄热类型热水蓄热地埋管蓄热含水层蓄热砾石-水蓄热蓄热介质水土壤/岩石砾石-水沙石/水热容量kWh/m360～80 15～30 30～50 30～40与1m3水热容量相同的体积1m33～5 m3 1.3～2 m32～3 m3地质要求结构稳定无地下水深5-15m钻井方便导热性好热容量大深度30～100m结构稳定无地下水深度5～15m含水层水的流动性较好地下水位低或无地下水砾石厚度为20～50m2.1热水蓄热在这四种蓄热方式中热水蓄热具有单位体积热容量、流动性好，存取较为便捷。
热水蓄热装置一般为圆柱形，这种结构有利于减小形体系数，以减少热损失。
热水蓄热的一个关键技术在于水箱围护结构的设计和隔热，例如玻璃纤维增强塑料组成的新型复合壁面材料或膨胀性聚苯乙烯（EPS）传统的水蓄热系统中的水箱均由钢筋混凝土浇筑而成，水箱一般完全或部分埋入地下，而且至少需要在其顶部和四周进行保温。
另外由于保温材料受潮其保温效果会下降，因此还需要注意保温材料的防潮。
为了减少水蒸气通过周围的混凝土墙体扩散所造成的热损失，也就是所说的蓄热体的水密性问题，解决这种水蒸气扩散的常规做法是在蓄热体内部加装不锈钢或聚氨酯材料内衬，但是这种方法造价太高，经济上不可行，随着低蒸汽渗透率的高密度混凝土（HDC）的出现，可以不用不锈钢内衬直接进行蓄热，经济上比较合理。
图（3）CHSPSS 中热水蓄热设计方案保证较大的蓄热容积（10000m 3以上）以减少热损失，蓄热设备四周均保温，通过过程措施避免冷桥。
选取吸水率防水性好，导热系数小，保温性能小的材料，例如聚氨酯发泡材料，玻璃棉等。
当水箱容积大于10000m 3时蓄热体热损失小于10%，当水箱容积小于2500 m 3时，蓄热体热损失随体积缩小而损失量变大。
在聚氨酯保温厚度达到0.6米时，蓄热介质热损失率为10%。
厚度到1.2米以上时热损失率无明显变化。
若池底不设保温，25天以后损失率达100%。
太阳能采暖系统所需热量随太阳集热器的集热量与建筑热负荷之间差值增大而增加；蓄热水箱容积随蓄热温差增大而减少，当蓄热水温达到80℃时，在各种地面采暖系统取水温度下，单位集热器面积所需的蓄热水箱容积趋于相等。