作者：徐德厚1, 周學志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)開發(fā)區(qū)國家能源大規(guī)模物理儲能技術(shù)研發(fā)中心；2.中國科學院工程熱物理研究所；3.中國科學院大學。
引用：徐德厚,周學志,徐玉杰等.新型地下跨季節(jié)復合儲熱系統(tǒng)性能規(guī)律[J].儲能科學與技術(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，從而導致供需不匹配，跨季節(jié)儲熱是解決上述問題的有效方法。然而，傳統(tǒng)地下跨季節(jié)儲熱具有儲熱方式單一、熱量損失大等缺點，本文將水箱儲熱和地埋管儲熱相結(jié)合，組成新型跨季節(jié)復合儲熱系統(tǒng)。建立并通過實驗驗證了復合儲熱系統(tǒng)模型，在此基礎(chǔ)上，分析了儲/釋熱質(zhì)量流量、儲熱體模匹配、地埋管數(shù)量和層間距以及土壤熱導率等參數(shù)對儲熱體溫度、儲/釋熱量、儲/釋熱功率和熱量損失等的影響規(guī)律。結(jié)果表明，隨著儲/釋熱質(zhì)量流量的增加，系統(tǒng)效率也逐漸增加；儲熱體規(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，會導致熱量損失增大，故儲熱體規(guī)模匹配需綜合考慮，既要能達到較高的系統(tǒng)效率，獲得較大的儲/釋熱功率，又需盡量減少投資成本，同時降低熱量損失；提高地埋管數(shù)量，有利于增加儲/釋熱量，提升系統(tǒng)效率；地埋管層間距的增大，增加了儲熱體土壤體積，從而降低了儲熱溫度，不利于釋熱的進行，導致系統(tǒng)效率降低；土壤熱導率的增加，強化了土壤間熱量傳遞，地埋管儲熱功率增加，儲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，導致系統(tǒng)效率下降。
關(guān)鍵詞 地下儲熱；跨季節(jié)儲熱；復合儲熱；地埋管儲熱；水箱儲熱；TRNSYS
日益增長的傳統(tǒng)能源供暖所帶來的污染、環(huán)境和生態(tài)問題愈發(fā)突出。中國政府在第75屆聯(lián)合國大會做出了“到2030年，中國單位國內(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比重將達到25%左右”的莊嚴承諾。因此，利用可再生能源尤其是太陽能、地熱能等清潔供暖勢在必行。清潔供暖是指利用太陽能、地熱、生物質(zhì)和工業(yè)余熱等能源進行供暖。然而，太陽能等可再生能源往往受天氣、地域、季節(jié)等因素限制，具有極強的間歇性和不穩(wěn)定性。跨季節(jié)儲熱則可以有效解決可再生能源供熱系統(tǒng)在時間上、空間上和強度上的不匹配特性，擴大可再生能源熱能利用的深度與廣度。地下跨季節(jié)儲熱因其技術(shù)成熟度高，應用廣泛，成為當前跨季節(jié)儲熱研究與應用的主要方向。按儲熱方式劃分，其分為熱水儲熱(HWES)、礫石-水儲熱(GWES)、地埋管儲熱(BTES)和含水層儲熱(ATES)。HWES和BTES是最具發(fā)展?jié)摿Φ膬煞N地下跨季節(jié)儲熱方式，其中，熱水儲熱(HWES)是將熱能以熱水形式儲存在水箱或水池中，因水的比熱容較大，其單位體積水的儲熱量也較大，另外，HWES儲/釋熱的速率較快，且選址靈活，所以廣泛應用于跨季節(jié)儲熱當中。但其單位投資成本高，且熱量損失較大；地埋管儲熱(BTES)是將地埋管放置于地下井中，通過傳熱介質(zhì)的流動將熱量儲存在地下土壤中。埋管的形式有單U形管、雙U形管和套管等類型。BTES可以就地取材，儲熱容量易擴大。但土壤的儲熱量和熱導率較低，因此需要較大的儲熱體積，且儲/釋熱速度較慢，通常需設(shè)置緩沖水箱，以提高其對熱負荷變化的響應速度，同樣，BTES也存在熱量損失大的難題。
降低系統(tǒng)熱損失，提高太陽能保證率一直是國內(nèi)外地下跨季節(jié)儲熱的研究熱點之一。有學者從儲熱體形狀著手，如Schmidt等和Din?er等認為降低儲熱體面積體積比減少熱損失。Zhang等認為對地埋管儲熱系統(tǒng)，埋管越深、熱損失越少；也有學者從保溫層或內(nèi)襯等儲熱體邊界著手，如Ucar等對比了地上水箱無保溫、地上水箱加保溫、地下水箱無保溫三種跨季節(jié)儲熱系統(tǒng)，結(jié)果表明，地下水箱無保溫比前兩種能達到更高的太陽能保證率。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到地埋水箱相同的性能。Lottner等在儲熱水箱頂面和側(cè)面利用不銹鋼或高密度聚乙烯作為內(nèi)襯以減少通過混凝土壁的蒸汽擴散所帶來的熱損失。Givoni等指出，水箱四周的土壤沒有作為儲熱體是地埋水箱儲熱效率不高的原因之一。
將熱水儲熱和地埋管儲熱相結(jié)合，可組成多種儲熱方式相耦合的新型跨季節(jié)復合儲熱系統(tǒng)。該復合儲熱系統(tǒng)揚長避短，有如下主要優(yōu)點：短期儲熱和跨季節(jié)儲熱相結(jié)合；地埋管吸收和抑制了儲熱水箱熱量擴散；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/釋熱機制靈活多變。
本文建立上述復合儲熱系統(tǒng)儲熱體數(shù)值模型，分析儲/釋熱質(zhì)量流量、儲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率等參數(shù)對儲熱體溫度、系統(tǒng)儲/釋熱量、儲/釋熱功率和熱量損失的影響規(guī)律，為實現(xiàn)跨季節(jié)儲熱系統(tǒng)熱量的高效存儲與利用提供理論指導依據(jù)。
1 模型建立與驗證
1.1 工作原理
太陽能跨季節(jié)復合儲熱系統(tǒng)主要包括集熱器、復合儲熱體、熱用戶、換熱器、泵和連接管道等(圖1)，其中復合儲熱體埋于地下，由水箱和地埋管構(gòu)成，水箱位于儲熱體中央，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于復合儲熱體中；供暖季，熱量從復合儲熱體釋放，供給熱用戶。
圖1 地下復合儲熱系統(tǒng)
1.2 模型建立
跨季節(jié)儲熱的模擬研究工具通常分為兩類：一類是系統(tǒng)層面的如TRNSYS和ENERGY Plus等，主要模擬整個建筑物能耗方面；另一類是模塊層面的，如Duct Storage Model等，能更加詳細地模擬儲熱體內(nèi)部的傳熱。但將兩個層面的模擬耦合起來的文獻很少。本文將地埋水箱和地埋管儲熱結(jié)合起來，作為一個新的模塊嵌入TRNSYS里，既能進行系統(tǒng)層面的優(yōu)化計算，同時可得到儲熱體內(nèi)部詳實的傳熱分析。
所建復合儲熱模型如圖2所示，呈圓柱形，水箱埋在正中間，U形地埋管圍繞水箱布置，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。模型在二維柱坐標系上離散，不考慮周向傳熱。
圖2 復合儲熱體水箱/地埋管布置
水箱部分，采用溫度分層模型，該模型可以簡單且有效地模擬儲熱水箱溫度分布，該模型將水箱劃分為N層，每一層稱為1個節(jié)點，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)格土壤溫度按純導熱計算；含內(nèi)熱源(地埋管)的網(wǎng)格土壤溫度，將U形管看做無體積的水箱，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，但不考慮管內(nèi)水層之間的導熱。地埋管和土壤之間的換熱按一個與管土溫差相關(guān)的折算線熱源系數(shù)計算。復合儲熱體中心對稱，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，為平面自然對流邊界。
參考我國某地供暖時間，采用儲熱3個月，保溫3個月，釋熱3個月，恢復3個月的運行方式。土壤和水箱初始溫度均為15 ℃，儲熱入口溫度為80 ℃，釋熱入口溫度為15 ℃，模擬計算時間步長為0.5 h。儲熱體基準熱物性參數(shù)設(shè)置見表1。
表1 熱物性參數(shù)
1.3 模型驗證
為深入研究復合儲熱系統(tǒng)儲/釋熱特性、熱量損失機理和溫度分布及變化情況，搭建復合儲熱系統(tǒng)實驗臺，開展相應的實驗研究，并驗證上述數(shù)值模型的準確性和精度。復合儲熱實驗系統(tǒng)(圖3)主要由地面冷水箱、水泵、電加熱器、地下儲熱水箱、地埋管、閥門及測控系統(tǒng)組成，占地面積為70 m2，儲熱總體積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個土壤溫度傳感器(PHWS)和8個水溫傳感器(PHSW-12V-W2)分別測量土壤溫度分布及變化，以及水箱內(nèi)和儲熱體進出口水溫，利用浮子和電磁流量計測量儲熱體進出口流量，并通過測控系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)采集最小時間間隔為1 min。
圖3 復合儲熱實驗臺
模型驗證包括儲熱階段和釋熱階段地埋管出水溫度驗證，模型各參數(shù)按上述實驗臺設(shè)置，實驗和模擬計算均采用儲熱18 h、保溫30 h、釋熱18 h和恢復30 h的運行方式，儲熱入口溫度設(shè)為80 ℃，釋熱入口溫度設(shè)為17 ℃，地埋管流量均為0.6 m3/h。分別開展實驗和數(shù)值模擬研究，所得到實驗和模擬數(shù)據(jù)曲線如圖4所示。
圖4 復合儲熱系統(tǒng)地埋管出口溫度變化
圖4(a)、(b)分別為儲熱過程和釋熱過程地埋管出口水溫變化曲線，模擬數(shù)據(jù)與實驗數(shù)據(jù)變化趨勢基本一致。儲熱階段最大誤差為1.7 K，釋熱階段最大誤差為2.5 K。模擬結(jié)果與實驗結(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測實際地下跨季節(jié)復合儲熱系統(tǒng)儲/釋熱量和溫度變化規(guī)律。
2 復合儲熱系統(tǒng)特性
熱量存取效率(從儲熱體取出的熱量與存入儲熱體的熱量之比)為系統(tǒng)重要的性能指標，因此，開展儲/釋熱質(zhì)量流量、儲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率等參數(shù)對系統(tǒng)效率的影響規(guī)律研究。
2.1 儲/釋熱質(zhì)量流量
取水箱體積和土壤體積比為1∶3.3，儲熱體規(guī)模匹配如圖5所示，總儲熱體積為6.8×103 m3。土壤和水箱初始溫度均為15 ℃，儲熱入口溫度為80 ℃，釋熱入口溫度為15 ℃，儲熱和釋熱質(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)置見表1。
圖5 儲熱體水和土壤規(guī)模匹配
顯然，儲/釋熱質(zhì)量流量越大，儲熱體溫度、儲熱量、釋熱量和熱量損失也會增加。在不同儲/釋熱質(zhì)量流量下，連續(xù)運行5年，復合儲熱系統(tǒng)效率變化如圖6所示。
圖6 質(zhì)量流量對系統(tǒng)效率的影響
由圖6可知，不同質(zhì)量流量下的系統(tǒng)效率均隨著運行年限的增長而逐漸增加，并呈現(xiàn)趨于平緩的變化趨勢。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%。可以看出，隨著質(zhì)量流量的增加，系統(tǒng)效率也逐漸增加，但增加的幅度越來越小。
2.2 儲熱體規(guī)模匹配
假設(shè)儲熱體中水箱和土壤體積比為α，保持總儲熱體積為6.8×103 m3，調(diào)整水箱半徑和地埋管層間距。分析儲熱體不同規(guī)模匹配下，系統(tǒng)效率變化情況。儲/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。
復合儲熱體不同規(guī)模匹配下系統(tǒng)效率變化情況如圖7所示?？梢钥闯觯到y(tǒng)效率均隨著運行年限的增長而逐漸增加，并呈現(xiàn)趨于平緩的變化趨勢。α=1∶5.9時，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，系統(tǒng)運行至第5年的效率可達72.9%，但水箱體積占比增加，會大幅增加投資成本，α=1∶2時，運行至第5年系統(tǒng)效率達72.4%，接近α=1∶0.7時的效率值。
圖7 不同規(guī)模匹配下的系統(tǒng)效率
不同規(guī)模匹配下復合儲熱體的熱量損失如圖8所示，由圖可知，隨著α的增加，復合儲熱體熱量損失也增加，α從1∶2增加到1∶0.7時，熱損增幅最大，這是因為α的增加，導致水箱體積增大，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，按運行年限來看，地埋管單位埋深儲熱功率均隨著運行年限的增長而逐漸降低，但降低幅度越來越小，表明隨著運行年限的增長，儲熱體溫度逐漸增加，儲熱越來越困難；釋熱功率均隨著運行年限的增長而逐漸增加，表明儲熱體溫度的逐年上升，有利于釋熱的進行。按儲熱體規(guī)模匹配來看，隨著α的增加，地埋管離水箱越來越近，地埋管儲熱功率逐漸降低，α從1∶2增加到1∶0.7時，地埋管儲熱功率降低明顯；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，儲熱體規(guī)模匹配需綜合考慮，既要能達到較高的系統(tǒng)效率，獲得較大的儲/釋熱功率，又需盡量減少投資成本，同時降低熱量損失。
2.3 地埋管數(shù)量
保持總儲熱體積均為6.8×103 m3，儲熱體規(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/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。復合儲熱體不同地埋管數(shù)量下系統(tǒng)效率變化趨勢如圖10所示。
圖10 地埋管數(shù)量對系統(tǒng)效率的影響
圖10顯示，隨著運行年限的增加，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)量對復合儲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相一致；隨著地埋管數(shù)量的增加，系統(tǒng)儲熱量增加，土壤平均溫度上升，有利于釋熱的進行。因此，提高地埋管數(shù)量，有利于增加儲/釋熱量，提升系統(tǒng)效率。
圖11 地埋管數(shù)量對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/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。復合儲熱體不同地埋管層間距下系統(tǒng)效率變化趨勢如圖12所示。
圖12 地埋管層間距對系統(tǒng)效率的影響
由圖可知，隨著運行年限的增加，不同層間距的系統(tǒng)效率變化趨勢相一致，表明儲熱體逐漸飽和。隨著層間距的增加，系統(tǒng)效率逐漸降低。因為層間距增加，加大了儲熱體土壤體積，從而降低了儲熱溫度，不利于釋熱的進行。
進一步地，圖13為不同層間距下系統(tǒng)儲/釋熱量的變化情況。其中，儲熱量隨著層間距的增加而增加，從1.5 m增加到2 m時儲熱量增加最大；層間距從1.5 m增加到2 m時，釋熱量增加，層間距從2 m增加到3.5 m時，釋熱量逐漸降低。
圖13 不同層間距下的儲/釋熱量變化
2.5 土壤熱導率
改變土壤熱導率，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/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。不同土壤熱導率對應的系統(tǒng)效率變化情況如圖14所示。
圖14 不同土壤熱導率對系統(tǒng)效率的影響
由圖可知，不同土壤熱導率下系統(tǒng)效率變化趨勢相一致，均隨著運行年限的增加而增加，并呈現(xiàn)趨于平緩的變化趨勢。隨著土壤熱導率的增加，系統(tǒng)效率逐漸降低，這是因為較高的土壤熱導率，加強了土壤間熱量傳遞，導致熱量損失增加，從而降低了系統(tǒng)效率。圖15為不同土壤熱導率下系統(tǒng)的熱量損失情況，可以看出，隨著土壤熱導率的增加，系統(tǒng)熱量損失逐漸增加。
圖15 不同土壤熱導率下系統(tǒng)熱損變化
圖16為不同土壤熱導率下地埋管單位埋深儲/釋熱換熱功率變化曲線。其中，隨著運行年限的增加，不同土壤熱導率下的儲熱功率或釋熱功率變化趨勢相一致，儲熱功率越來越低，表明系統(tǒng)逐漸飽和，溫度逐年升高；釋熱功率越來越高，這是儲熱溫度越來越高導致的有益結(jié)果。隨著土壤熱導率的增加，地埋管儲熱功率相應增加，但釋熱功率反而降低了，表明存入的熱量很快通過邊界散失了，這降低了系統(tǒng)效率，和前述結(jié)論一致。
圖16 不同土壤熱導率下地埋管單位埋深換熱功率
圖17為不同土壤熱導率下土壤平均溫度變化情況，由圖可知，土壤熱導率越高，越有利于熱量傳遞，儲熱峰值溫度越高；但在非儲熱階段，土壤熱導率越高，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 不同土壤熱導率下土壤平均溫度
3 結(jié)論
本文提出將熱水儲熱和地埋管儲熱相結(jié)合，組成兩種儲熱方式相耦合的新型跨季節(jié)復合儲熱系統(tǒng)。該復合儲熱系統(tǒng)揚長避短，可有效降低占地面積，減少保溫材料使用，儲/釋熱機制靈活多變。建立并通過實驗驗證了復合儲熱系統(tǒng)模型，在此基礎(chǔ)上，開展了復合儲熱系統(tǒng)性能規(guī)律研究，得到如下結(jié)論。
（1）儲/釋熱質(zhì)量流量增加，系統(tǒng)效率隨之增加。此外，隨著儲熱體規(guī)模匹配α值增加，系統(tǒng)效率逐漸上升，然而當水箱體積占比較大時，會導致更多的熱量損失。因此，儲熱體規(guī)模匹配需綜合考慮，既要能達到較高的系統(tǒng)效率，獲得較大的儲/釋熱功率，又需盡量減少投資成本，同時降低熱量損失。
（2）提高地埋管數(shù)量，有利于增加儲/釋熱量，提升系統(tǒng)效率。地埋管層間距的增大，增加了儲熱體土壤體積，從而降低了儲熱溫度，不利于釋熱的進行，導致系統(tǒng)效率降低。
（3）土壤熱導率增加，強化了土壤間熱量傳遞，地埋管儲熱功率增加，儲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，導致系統(tǒng)效率下降。
