作者：徐德厚1, 周學(xué)志1, 徐玉杰2,3, 左志濤1,2,3, 陳海生1,2,3
單位：1.畢節(jié)高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)開(kāi)發(fā)區(qū)國(guó)家能源大規(guī)模物理儲(chǔ)能技術(shù)研發(fā)中心；2.中國(guó)科學(xué)院工程熱物理研究所；3.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)。
引用：徐德厚,周學(xué)志,徐玉杰等.新型地下跨季節(jié)復(fù)合儲(chǔ)熱系統(tǒng)性能規(guī)律[J].儲(chǔ)能科學(xué)與技術(shù),2021,10(05):1768-1776.
Doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2021.0334
摘 要 可再生能源受天氣、地域、季節(jié)限制，具有間歇性和不穩(wěn)定性屬性，從而導(dǎo)致供需不匹配，跨季節(jié)儲(chǔ)熱是解決上述問(wèn)題的有效方法。然而，傳統(tǒng)地下跨季節(jié)儲(chǔ)熱具有儲(chǔ)熱方式單一、熱量損失大等缺點(diǎn)，本文將水箱儲(chǔ)熱和地埋管儲(chǔ)熱相結(jié)合，組成新型跨季節(jié)復(fù)合儲(chǔ)熱系統(tǒng)。建立并通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了復(fù)合儲(chǔ)熱系統(tǒng)模型，在此基礎(chǔ)上，分析了儲(chǔ)/釋熱質(zhì)量流量、儲(chǔ)熱體模匹配、地埋管數(shù)量和層間距以及土壤熱導(dǎo)率等參數(shù)對(duì)儲(chǔ)熱體溫度、儲(chǔ)/釋熱量、儲(chǔ)/釋熱功率和熱量損失等的影響規(guī)律。結(jié)果表明，隨著儲(chǔ)/釋熱質(zhì)量流量的增加，系統(tǒng)效率也逐漸增加；儲(chǔ)熱體規(guī)模匹配α值增加，系統(tǒng)效率隨之上升，但水箱體積占比的提高，會(huì)導(dǎo)致熱量損失增大，故儲(chǔ)熱體規(guī)模匹配需綜合考慮，既要能達(dá)到較高的系統(tǒng)效率，獲得較大的儲(chǔ)/釋熱功率，又需盡量減少投資成本，同時(shí)降低熱量損失；提高地埋管數(shù)量，有利于增加儲(chǔ)/釋熱量，提升系統(tǒng)效率；地埋管層間距的增大，增加了儲(chǔ)熱體土壤體積，從而降低了儲(chǔ)熱溫度，不利于釋熱的進(jìn)行，導(dǎo)致系統(tǒng)效率降低；土壤熱導(dǎo)率的增加，強(qiáng)化了土壤間熱量傳遞，地埋管儲(chǔ)熱功率增加，儲(chǔ)熱峰值溫度也因此提高，然而熱量散失也加快，釋熱功率顯著降低，導(dǎo)致系統(tǒng)效率下降。
關(guān)鍵詞 地下儲(chǔ)熱；跨季節(jié)儲(chǔ)熱；復(fù)合儲(chǔ)熱；地埋管儲(chǔ)熱；水箱儲(chǔ)熱；TRNSYS
日益增長(zhǎng)的傳統(tǒng)能源供暖所帶來(lái)的污染、環(huán)境和生態(tài)問(wèn)題愈發(fā)突出。中國(guó)政府在第75屆聯(lián)合國(guó)大會(huì)做出了“到2030年，中國(guó)單位國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值二氧化碳排放將比2005年下降65%以上，非化石能源占一次能源消費(fèi)比重將達(dá)到25%左右”的莊嚴(yán)承諾。因此，利用可再生能源尤其是太陽(yáng)能、地?zé)崮艿惹鍧嵐┡瘎?shì)在必行。清潔供暖是指利用太陽(yáng)能、地?zé)?、生物質(zhì)和工業(yè)余熱等能源進(jìn)行供暖。然而，太陽(yáng)能等可再生能源往往受天氣、地域、季節(jié)等因素限制，具有極強(qiáng)的間歇性和不穩(wěn)定性。跨季節(jié)儲(chǔ)熱則可以有效解決可再生能源供熱系統(tǒng)在時(shí)間上、空間上和強(qiáng)度上的不匹配特性，擴(kuò)大可再生能源熱能利用的深度與廣度。地下跨季節(jié)儲(chǔ)熱因其技術(shù)成熟度高，應(yīng)用廣泛，成為當(dāng)前跨季節(jié)儲(chǔ)熱研究與應(yīng)用的主要方向。按儲(chǔ)熱方式劃分，其分為熱水儲(chǔ)熱(HWES)、礫石-水儲(chǔ)熱(GWES)、地埋管儲(chǔ)熱(BTES)和含水層儲(chǔ)熱(ATES)。HWES和BTES是最具發(fā)展?jié)摿Φ膬煞N地下跨季節(jié)儲(chǔ)熱方式，其中，熱水儲(chǔ)熱(HWES)是將熱能以熱水形式儲(chǔ)存在水箱或水池中，因水的比熱容較大，其單位體積水的儲(chǔ)熱量也較大，另外，HWES儲(chǔ)/釋熱的速率較快，且選址靈活，所以廣泛應(yīng)用于跨季節(jié)儲(chǔ)熱當(dāng)中。但其單位投資成本高，且熱量損失較大；地埋管儲(chǔ)熱(BTES)是將地埋管放置于地下井中，通過(guò)傳熱介質(zhì)的流動(dòng)將熱量?jī)?chǔ)存在地下土壤中。埋管的形式有單U形管、雙U形管和套管等類(lèi)型。BTES可以就地取材，儲(chǔ)熱容量易擴(kuò)大。但土壤的儲(chǔ)熱量和熱導(dǎo)率較低，因此需要較大的儲(chǔ)熱體積，且儲(chǔ)/釋熱速度較慢，通常需設(shè)置緩沖水箱，以提高其對(duì)熱負(fù)荷變化的響應(yīng)速度，同樣，BTES也存在熱量損失大的難題。
降低系統(tǒng)熱損失，提高太陽(yáng)能保證率一直是國(guó)內(nèi)外地下跨季節(jié)儲(chǔ)熱的研究熱點(diǎn)之一。有學(xué)者從儲(chǔ)熱體形狀著手，如Schmidt等和Din?er等認(rèn)為降低儲(chǔ)熱體面積體積比減少熱損失。Zhang等認(rèn)為對(duì)地埋管儲(chǔ)熱系統(tǒng)，埋管越深、熱損失越少；也有學(xué)者從保溫層或內(nèi)襯等儲(chǔ)熱體邊界著手，如Ucar等對(duì)比了地上水箱無(wú)保溫、地上水箱加保溫、地下水箱無(wú)保溫三種跨季節(jié)儲(chǔ)熱系統(tǒng)，結(jié)果表明，地下水箱無(wú)保溫比前兩種能達(dá)到更高的太陽(yáng)能保證率。Dalenback等的研究表明地面水箱高度需增加到1.9倍，或者保溫層厚度至少增加到兩倍才能達(dá)到地埋水箱相同的性能。Lottner等在儲(chǔ)熱水箱頂面和側(cè)面利用不銹鋼或高密度聚乙烯作為內(nèi)襯以減少通過(guò)混凝土壁的蒸汽擴(kuò)散所帶來(lái)的熱損失。Givoni等指出，水箱四周的土壤沒(méi)有作為儲(chǔ)熱體是地埋水箱儲(chǔ)熱效率不高的原因之一。
將熱水儲(chǔ)熱和地埋管儲(chǔ)熱相結(jié)合，可組成多種儲(chǔ)熱方式相耦合的新型跨季節(jié)復(fù)合儲(chǔ)熱系統(tǒng)。該復(fù)合儲(chǔ)熱系統(tǒng)揚(yáng)長(zhǎng)避短，有如下主要優(yōu)點(diǎn)：短期儲(chǔ)熱和跨季節(jié)儲(chǔ)熱相結(jié)合；地埋管吸收和抑制了儲(chǔ)熱水箱熱量擴(kuò)散；可減少占地面積，并減少保溫材料使用(或不使用保溫材料)，從而降低成本；儲(chǔ)/釋熱機(jī)制靈活多變。
本文建立上述復(fù)合儲(chǔ)熱系統(tǒng)儲(chǔ)熱體數(shù)值模型，分析儲(chǔ)/釋熱質(zhì)量流量、儲(chǔ)熱體中水和土壤體積規(guī)模匹配、地埋管數(shù)量和層間距以及土壤熱導(dǎo)率等參數(shù)對(duì)儲(chǔ)熱體溫度、系統(tǒng)儲(chǔ)/釋熱量、儲(chǔ)/釋熱功率和熱量損失的影響規(guī)律，為實(shí)現(xiàn)跨季節(jié)儲(chǔ)熱系統(tǒng)熱量的高效存儲(chǔ)與利用提供理論指導(dǎo)依據(jù)。
1 模型建立與驗(yàn)證
1.1 工作原理
太陽(yáng)能跨季節(jié)復(fù)合儲(chǔ)熱系統(tǒng)主要包括集熱器、復(fù)合儲(chǔ)熱體、熱用戶(hù)、換熱器、泵和連接管道等(圖1)，其中復(fù)合儲(chǔ)熱體埋于地下，由水箱和地埋管構(gòu)成，水箱位于儲(chǔ)熱體中央，地埋管布置于水箱四周。工作原理為：非供暖季，系統(tǒng)將多余的熱量收集并存儲(chǔ)于復(fù)合儲(chǔ)熱體中；供暖季，熱量從復(fù)合儲(chǔ)熱體釋放，供給熱用戶(hù)。
圖1 地下復(fù)合儲(chǔ)熱系統(tǒng)
1.2 模型建立
跨季節(jié)儲(chǔ)熱的模擬研究工具通常分為兩類(lèi)：一類(lèi)是系統(tǒng)層面的如TRNSYS和ENERGY Plus等，主要模擬整個(gè)建筑物能耗方面；另一類(lèi)是模塊層面的，如Duct Storage Model等，能更加詳細(xì)地模擬儲(chǔ)熱體內(nèi)部的傳熱。但將兩個(gè)層面的模擬耦合起來(lái)的文獻(xiàn)很少。本文將地埋水箱和地埋管儲(chǔ)熱結(jié)合起來(lái)，作為一個(gè)新的模塊嵌入TRNSYS里，既能進(jìn)行系統(tǒng)層面的優(yōu)化計(jì)算，同時(shí)可得到儲(chǔ)熱體內(nèi)部詳實(shí)的傳熱分析。
所建復(fù)合儲(chǔ)熱模型如圖2所示，呈圓柱形，水箱埋在正中間，U形地埋管?chē)@水箱布置，每一層地埋管均勻地分布在距離水箱相同間隔的圓周上，設(shè)地埋管區(qū)域內(nèi)的土壤為均質(zhì)體。模型在二維柱坐標(biāo)系上離散，不考慮周向傳熱。
圖2 復(fù)合儲(chǔ)熱體水箱/地埋管布置
水箱部分，采用溫度分層模型，該模型可以簡(jiǎn)單且有效地模擬儲(chǔ)熱水箱溫度分布，該模型將水箱劃分為N層，每一層稱(chēng)為1個(gè)節(jié)點(diǎn)，層內(nèi)完全混合，溫度均勻分布；土壤部分，不含內(nèi)熱源(地埋管)的網(wǎng)格土壤溫度按純導(dǎo)熱計(jì)算；含內(nèi)熱源(地埋管)的網(wǎng)格土壤溫度，將U形管看做無(wú)體積的水箱，和前述溫度分層模型一樣將管內(nèi)液體溫度分層，考慮管內(nèi)流動(dòng)，但不考慮管內(nèi)水層之間的導(dǎo)熱。地埋管和土壤之間的換熱按一個(gè)與管土溫差相關(guān)的折算線熱源系數(shù)計(jì)算。復(fù)合儲(chǔ)熱體中心對(duì)稱(chēng)，因此中心邊界為絕熱邊界，底部邊界和側(cè)面邊界為定溫邊界，頂部邊界與空氣接觸，為平面自然對(duì)流邊界。
參考我國(guó)某地供暖時(shí)間，采用儲(chǔ)熱3個(gè)月，保溫3個(gè)月，釋熱3個(gè)月，恢復(fù)3個(gè)月的運(yùn)行方式。土壤和水箱初始溫度均為15 ℃，儲(chǔ)熱入口溫度為80 ℃，釋熱入口溫度為15 ℃，模擬計(jì)算時(shí)間步長(zhǎng)為0.5 h。儲(chǔ)熱體基準(zhǔn)熱物性參數(shù)設(shè)置見(jiàn)表1。
表1 熱物性參數(shù)
1.3 模型驗(yàn)證
為深入研究復(fù)合儲(chǔ)熱系統(tǒng)儲(chǔ)/釋熱特性、熱量損失機(jī)理和溫度分布及變化情況，搭建復(fù)合儲(chǔ)熱系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)，開(kāi)展相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)研究，并驗(yàn)證上述數(shù)值模型的準(zhǔn)確性和精度。復(fù)合儲(chǔ)熱實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)(圖3)主要由地面冷水箱、水泵、電加熱器、地下儲(chǔ)熱水箱、地埋管、閥門(mén)及測(cè)控系統(tǒng)組成，占地面積為70 m2，儲(chǔ)熱總體積27 m3，地埋水箱半徑0.5 m，高1.5 m，埋深0.5 m，容積1.2 m3，地埋管設(shè)4層，層間距0.25 m，埋管深度2 m。設(shè)置48個(gè)土壤溫度傳感器(PHWS)和8個(gè)水溫傳感器(PHSW-12V-W2)分別測(cè)量土壤溫度分布及變化，以及水箱內(nèi)和儲(chǔ)熱體進(jìn)出口水溫，利用浮子和電磁流量計(jì)測(cè)量?jī)?chǔ)熱體進(jìn)出口流量，并通過(guò)測(cè)控系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)采集最小時(shí)間間隔為1 min。
圖3 復(fù)合儲(chǔ)熱實(shí)驗(yàn)臺(tái)
模型驗(yàn)證包括儲(chǔ)熱階段和釋熱階段地埋管出水溫度驗(yàn)證，模型各參數(shù)按上述實(shí)驗(yàn)臺(tái)設(shè)置，實(shí)驗(yàn)和模擬計(jì)算均采用儲(chǔ)熱18 h、保溫30 h、釋熱18 h和恢復(fù)30 h的運(yùn)行方式，儲(chǔ)熱入口溫度設(shè)為80 ℃，釋熱入口溫度設(shè)為17 ℃，地埋管流量均為0.6 m3/h。分別開(kāi)展實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬研究，所得到實(shí)驗(yàn)和模擬數(shù)據(jù)曲線如圖4所示。
圖4 復(fù)合儲(chǔ)熱系統(tǒng)地埋管出口溫度變化
圖4(a)、(b)分別為儲(chǔ)熱過(guò)程和釋熱過(guò)程地埋管出口水溫變化曲線，模擬數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)變化趨勢(shì)基本一致。儲(chǔ)熱階段最大誤差為1.7 K，釋熱階段最大誤差為2.5 K。模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合較好，誤差在可接受范圍內(nèi)。該模型可以用于分析和預(yù)測(cè)實(shí)際地下跨季節(jié)復(fù)合儲(chǔ)熱系統(tǒng)儲(chǔ)/釋熱量和溫度變化規(guī)律。
2 復(fù)合儲(chǔ)熱系統(tǒng)特性
熱量存取效率(從儲(chǔ)熱體取出的熱量與存入儲(chǔ)熱體的熱量之比)為系統(tǒng)重要的性能指標(biāo)，因此，開(kāi)展儲(chǔ)/釋熱質(zhì)量流量、儲(chǔ)熱體中水箱和土壤規(guī)模匹配、地埋管數(shù)量、地埋管層間距和土壤熱導(dǎo)率等參數(shù)對(duì)系統(tǒng)效率的影響規(guī)律研究。
2.1 儲(chǔ)/釋熱質(zhì)量流量
取水箱體積和土壤體積比為1∶3.3，儲(chǔ)熱體規(guī)模匹配如圖5所示，總儲(chǔ)熱體積為6.8×103 m3。土壤和水箱初始溫度均為15 ℃，儲(chǔ)熱入口溫度為80 ℃，釋熱入口溫度為15 ℃，儲(chǔ)熱和釋熱質(zhì)量流量相同，水箱和地埋管質(zhì)量流量均占總質(zhì)量流量的一半。其他參數(shù)設(shè)置見(jiàn)表1。
圖5 儲(chǔ)熱體水和土壤規(guī)模匹配
顯然，儲(chǔ)/釋熱質(zhì)量流量越大，儲(chǔ)熱體溫度、儲(chǔ)熱量、釋熱量和熱量損失也會(huì)增加。在不同儲(chǔ)/釋熱質(zhì)量流量下，連續(xù)運(yùn)行5年，復(fù)合儲(chǔ)熱系統(tǒng)效率變化如圖6所示。
圖6 質(zhì)量流量對(duì)系統(tǒng)效率的影響
由圖6可知，不同質(zhì)量流量下的系統(tǒng)效率均隨著運(yùn)行年限的增長(zhǎng)而逐漸增加，并呈現(xiàn)趨于平緩的變化趨勢(shì)。其中，質(zhì)量流量2000 kg/h條件下第1年的系統(tǒng)效率僅為43.6%，到第3年上升到59.0%，隨后兩年緩慢上升到60.8%；質(zhì)量流量6000 kg/h條件下第1年的系統(tǒng)效率為56.9%，到第3年上升到68.8%，隨后兩年緩慢上升到70.0%?？梢钥闯觯S著質(zhì)量流量的增加，系統(tǒng)效率也逐漸增加，但增加的幅度越來(lái)越小。
2.2 儲(chǔ)熱體規(guī)模匹配
假設(shè)儲(chǔ)熱體中水箱和土壤體積比為α，保持總儲(chǔ)熱體積為6.8×103 m3，調(diào)整水箱半徑和地埋管層間距。分析儲(chǔ)熱體不同規(guī)模匹配下，系統(tǒng)效率變化情況。儲(chǔ)/釋熱質(zhì)量流量取6000 kg/h，其他參數(shù)設(shè)置與2.1節(jié)相同。
復(fù)合儲(chǔ)熱體不同規(guī)模匹配下系統(tǒng)效率變化情況如圖7所示?？梢钥闯?，系統(tǒng)效率均隨著運(yùn)行年限的增長(zhǎng)而逐漸增加，并呈現(xiàn)趨于平緩的變化趨勢(shì)。α=1∶5.9時(shí)，系統(tǒng)效率最低，隨著α的增加，系統(tǒng)效率逐漸上升，α上升到1∶0.7時(shí)，系統(tǒng)運(yùn)行至第5年的效率可達(dá)72.9%，但水箱體積占比增加，會(huì)大幅增加投資成本，α=1∶2時(shí)，運(yùn)行至第5年系統(tǒng)效率達(dá)72.4%，接近α=1∶0.7時(shí)的效率值。
圖7 不同規(guī)模匹配下的系統(tǒng)效率
不同規(guī)模匹配下復(fù)合儲(chǔ)熱體的熱量損失如圖8所示，由圖可知，隨著α的增加，復(fù)合儲(chǔ)熱體熱量損失也增加，α從1∶2增加到1∶0.7時(shí)，熱損增幅最大，這是因?yàn)棣恋脑黾?，?dǎo)致水箱體積增大，土壤有效容積被壓縮，地埋管層間距變小，地埋管更靠近水箱，使儲(chǔ)熱體溫度增加明顯，熱損隨之增加。
圖8 不同規(guī)模匹配下的熱損
圖9為不同規(guī)模匹配下地埋管單位埋深的換熱功率。其中，按運(yùn)行年限來(lái)看，地埋管單位埋深儲(chǔ)熱功率均隨著運(yùn)行年限的增長(zhǎng)而逐漸降低，但降低幅度越來(lái)越小，表明隨著運(yùn)行年限的增長(zhǎng)，儲(chǔ)熱體溫度逐漸增加，儲(chǔ)熱越來(lái)越困難；釋熱功率均隨著運(yùn)行年限的增長(zhǎng)而逐漸增加，表明儲(chǔ)熱體溫度的逐年上升，有利于釋熱的進(jìn)行。按儲(chǔ)熱體規(guī)模匹配來(lái)看，隨著α的增加，地埋管離水箱越來(lái)越近，地埋管儲(chǔ)熱功率逐漸降低，α從1∶2增加到1∶0.7時(shí)，地埋管儲(chǔ)熱功率降低明顯；釋熱功率隨著α的增加而增加，表明地埋管離水箱越近，水箱散失熱量的回收效果越好。
圖9 不同規(guī)模匹配下地埋管單位埋深換熱功率
因此，儲(chǔ)熱體規(guī)模匹配需綜合考慮，既要能達(dá)到較高的系統(tǒng)效率，獲得較大的儲(chǔ)/釋熱功率，又需盡量減少投資成本，同時(shí)降低熱量損失。
2.3 地埋管數(shù)量
保持總儲(chǔ)熱體積均為6.8×103 m3，儲(chǔ)熱體規(guī)模匹配取α=1∶3.3，調(diào)整地埋管數(shù)量，分析不同地埋管數(shù)量條件下，系統(tǒng)效率的變化情況。儲(chǔ)/釋熱質(zhì)量流量取6000 kg/h，其他參數(shù)設(shè)置與2.1節(jié)相同。復(fù)合儲(chǔ)熱體不同地埋管數(shù)量下系統(tǒng)效率變化趨勢(shì)如圖10所示。
圖10 地埋管數(shù)量對(duì)系統(tǒng)效率的影響
圖10顯示，隨著運(yùn)行年限的增加，不同地埋管數(shù)量下的系統(tǒng)效率變化趨勢(shì)相一致，地埋管數(shù)量的增加可提升系統(tǒng)效率，但提升幅度有限。圖11為地埋管數(shù)量對(duì)復(fù)合儲(chǔ)熱體土壤平均溫度的影響，其中，不同地埋管數(shù)量下的土壤平均溫度變化趨勢(shì)相一致；隨著地埋管數(shù)量的增加，系統(tǒng)儲(chǔ)熱量增加，土壤平均溫度上升，有利于釋熱的進(jìn)行。因此，提高地埋管數(shù)量，有利于增加儲(chǔ)/釋熱量，提升系統(tǒng)效率。
圖11 地埋管數(shù)量對(duì)土壤平均溫度的影響
2.4 地埋管層間距
改變地埋管層間距，分析不同地埋管層間距條件下系統(tǒng)效率的變化情況。地埋管設(shè)置2層，每層埋管數(shù)為20，儲(chǔ)/釋熱質(zhì)量流量取6000 kg/h，其他參數(shù)設(shè)置與2.1節(jié)相同。復(fù)合儲(chǔ)熱體不同地埋管層間距下系統(tǒng)效率變化趨勢(shì)如圖12所示。
圖12 地埋管層間距對(duì)系統(tǒng)效率的影響
由圖可知，隨著運(yùn)行年限的增加，不同層間距的系統(tǒng)效率變化趨勢(shì)相一致，表明儲(chǔ)熱體逐漸飽和。隨著層間距的增加，系統(tǒng)效率逐漸降低。因?yàn)閷娱g距增加，加大了儲(chǔ)熱體土壤體積，從而降低了儲(chǔ)熱溫度，不利于釋熱的進(jìn)行。
進(jìn)一步地，圖13為不同層間距下系統(tǒng)儲(chǔ)/釋熱量的變化情況。其中，儲(chǔ)熱量隨著層間距的增加而增加，從1.5 m增加到2 m時(shí)儲(chǔ)熱量增加最大；層間距從1.5 m增加到2 m時(shí)，釋熱量增加，層間距從2 m增加到3.5 m時(shí)，釋熱量逐漸降低。
圖13 不同層間距下的儲(chǔ)/釋熱量變化
2.5 土壤熱導(dǎo)率
改變土壤熱導(dǎo)率，分析不同土壤熱物性參數(shù)條件下系統(tǒng)效率變化情況。儲(chǔ)/釋熱質(zhì)量流量取6000 kg/h，其他參數(shù)設(shè)置與2.1節(jié)相同。不同土壤熱導(dǎo)率對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)效率變化情況如圖14所示。
圖14 不同土壤熱導(dǎo)率對(duì)系統(tǒng)效率的影響
由圖可知，不同土壤熱導(dǎo)率下系統(tǒng)效率變化趨勢(shì)相一致，均隨著運(yùn)行年限的增加而增加，并呈現(xiàn)趨于平緩的變化趨勢(shì)。隨著土壤熱導(dǎo)率的增加，系統(tǒng)效率逐漸降低，這是因?yàn)檩^高的土壤熱導(dǎo)率，加強(qiáng)了土壤間熱量傳遞，導(dǎo)致熱量損失增加，從而降低了系統(tǒng)效率。圖15為不同土壤熱導(dǎo)率下系統(tǒng)的熱量損失情況，可以看出，隨著土壤熱導(dǎo)率的增加，系統(tǒng)熱量損失逐漸增加。
圖15 不同土壤熱導(dǎo)率下系統(tǒng)熱損變化
圖16為不同土壤熱導(dǎo)率下地埋管單位埋深儲(chǔ)/釋熱換熱功率變化曲線。其中，隨著運(yùn)行年限的增加，不同土壤熱導(dǎo)率下的儲(chǔ)熱功率或釋熱功率變化趨勢(shì)相一致，儲(chǔ)熱功率越來(lái)越低，表明系統(tǒng)逐漸飽和，溫度逐年升高；釋熱功率越來(lái)越高，這是儲(chǔ)熱溫度越來(lái)越高導(dǎo)致的有益結(jié)果。隨著土壤熱導(dǎo)率的增加，地埋管儲(chǔ)熱功率相應(yīng)增加，但釋熱功率反而降低了，表明存入的熱量很快通過(guò)邊界散失了，這降低了系統(tǒng)效率，和前述結(jié)論一致。
圖16 不同土壤熱導(dǎo)率下地埋管單位埋深換熱功率
圖17為不同土壤熱導(dǎo)率下土壤平均溫度變化情況，由圖可知，土壤熱導(dǎo)率越高，越有利于熱量傳遞，儲(chǔ)熱峰值溫度越高；但在非儲(chǔ)熱階段，土壤熱導(dǎo)率越高，熱量散失也越快，土壤平均溫度下降得也越快，釋熱結(jié)束后，土壤平均溫度也越低，不利于下一循環(huán)周期。
圖17 不同土壤熱導(dǎo)率下土壤平均溫度
3 結(jié)論
本文提出將熱水儲(chǔ)熱和地埋管儲(chǔ)熱相結(jié)合，組成兩種儲(chǔ)熱方式相耦合的新型跨季節(jié)復(fù)合儲(chǔ)熱系統(tǒng)。該復(fù)合儲(chǔ)熱系統(tǒng)揚(yáng)長(zhǎng)避短，可有效降低占地面積，減少保溫材料使用，儲(chǔ)/釋熱機(jī)制靈活多變。建立并通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了復(fù)合儲(chǔ)熱系統(tǒng)模型，在此基礎(chǔ)上，開(kāi)展了復(fù)合儲(chǔ)熱系統(tǒng)性能規(guī)律研究，得到如下結(jié)論。
（1）儲(chǔ)/釋熱質(zhì)量流量增加，系統(tǒng)效率隨之增加。此外，隨著儲(chǔ)熱體規(guī)模匹配α值增加，系統(tǒng)效率逐漸上升，然而當(dāng)水箱體積占比較大時(shí)，會(huì)導(dǎo)致更多的熱量損失。因此，儲(chǔ)熱體規(guī)模匹配需綜合考慮，既要能達(dá)到較高的系統(tǒng)效率，獲得較大的儲(chǔ)/釋熱功率，又需盡量減少投資成本，同時(shí)降低熱量損失。
（2）提高地埋管數(shù)量，有利于增加儲(chǔ)/釋熱量，提升系統(tǒng)效率。地埋管層間距的增大，增加了儲(chǔ)熱體土壤體積，從而降低了儲(chǔ)熱溫度，不利于釋熱的進(jìn)行，導(dǎo)致系統(tǒng)效率降低。
（3）土壤熱導(dǎo)率增加，強(qiáng)化了土壤間熱量傳遞，地埋管儲(chǔ)熱功率增加，儲(chǔ)熱峰值溫度也因此提高，然而熱量散失也加快，釋熱功率顯著降低，導(dǎo)致系統(tǒng)效率下降。
