地热能太阳能、浅层地热能、储热体联合供暖科技

摘要：由于太阳能与浅层地热能联合供暖系统具有良好的互补性，应用越来越广泛。但由于太阳能的不稳定性和间歇性，会影响夜间联合供暖系统的效率以及地下温度场的回复。本文提出用储热体在夜间替代太阳能系统，与浅层地热能联合运行，提高联合供暖系统效率和降低对地下温度场的破坏。
关键词：太阳能浅层地热能储热体联合供暖
1、前言
随着常规能源的短缺和飞涨，以及节能减排和低碳的呼声越来越高，国家对太阳能和地热能等新能源的利用越来越重视，太阳能和地热能被广泛应用于供暖和发电。全国太阳能辐射量约为50×1018kJ，在现有技术经济条件下，全国287个地级以上城市能够利用的浅层地热能资源量相当于3.5亿吨标准煤，应用潜力巨大。但由于太阳能与地热能的特殊性，其应用受到一定的限制。

2、太阳能与浅层地热能联合供暖存在的问题

浅层地热能的利用形式以地源热泵为主，普遍存在热能抽取速度大于热能补充速度的问题。这是由于浅层地热能是一种恒温带所能够提供的温度小于25℃的低品位热能，是大地热流在通过热阻非常大的岩土层过程中，耗散在岩土层里并蓄存下来的热能。大地热能补充非常缓慢。如果单靠大地热流补热，而没有外界补热措施，将对地下温度场造成上百年也难以自然恢复的破坏[3]，甚至会破坏浅层内部结构与各物质的平衡状态[4]，产生一系列问题。因此，很多学者考虑太阳能和浅层地热能联合使用，利用太阳能对地下热能进行补充。
太阳能虽然热量巨大，但其容易受到地理、昼夜和季节等规律性变化的影响及天气状况的随机因素的影响，存在能流密度低，不连续性和间断性的问题。如果单靠太阳能进行热量补充会存在热量不连续和很快流失的问题，尤其是夜间供暖热负荷大的时间内无太阳能的补充，无法有效减轻供热负荷。
由于太阳能与浅层地热能联合供暖系统存在上述问题，需研究一种新的供暖系统。

3、储热方法与储热体

随着储热材料和储热技术的发展，利用储热体储存太阳热量的技术也日趋成熟。目前储热的方式主要有三种。潜热储热、化学反应储热和显热储热[5][6]。
潜热储热：利用物质发生相变时需要吸入和放出大量热量的性质进行蓄热的方法。潜热储热密度较高，而且储、放热过程近似恒温，特别是固、液相变储热，储热系统效率较高，体积较小。但潜热蓄热也存在缺点：需要两个独立的液体循环回路；需要同时具有较大的热扩散率和热容量的相变材料；为保证相变材料的凝固速度与取热速度协调一致，热交换器需进行特殊设计；相变材料易发生过冷和晶液分离现象等。
化学反应储热：利用可逆的吸热化学反应储热和放热。这种方法的储热密度高，在环境温度下储热，可长期储热。但其循环效率低，运行和维修要求高，费用大，难以形成大规模的储热系统。
显热储热：利用物质的温度变化吸收或放出热量实现储热。
通过比较，显热储热较适合于太阳能、浅层地热能、储热体联合供暖系统。其储热体材料广泛，成本低廉，制作方便。目前常用的显热储热材料有水、岩石、沸石、耐火泥、砂石、混凝土等。在低温储热材料中，液体储热材料以水为最佳，固体储热材料以砂石等最为适宜；在高温储热材料中，以高温储热混凝土为最佳。
为了防止地下水将热量带走以及热量散失过快，通常在储热材料的四周布置防水保温层，与储热材料共同形成储热体。

4、太阳能、浅层地热能、储热体联合供暖

太阳能、浅层地热能、储热体联合供暖是将太阳能存储在储热体中，在阴天或夜间用储热体替代太阳能与浅层地热能联合使用，提高联合供暖系统运行效果。联合供暖系统总共包括三部分，一是太阳能与储热体组成的循环系统，主要用于收集太阳能热量并储存在夜间使用；二是太阳能（储热体）、埋管换热器与热泵组成的循环系统，用于提取地下和太阳热量；三是热泵与室内供暖组成的循环系统，将提取的地下和太阳热量用于室内供暖。
系统主要运行系统是太阳能（储热体）、埋管换热器与热泵组成的循环系统，通过循环水的流动，实现提取太阳热能，地下热能交换和热泵系统热能转换。由于循环水流经系统各组件顺序的不同会产生不同的作用，同时也会造成系统各组件进出水温度的变化，进而影响系统整体的运行效率，所以根据循环水流经系统各组件的顺序，可以将联合供暖方式分为串联运行模式和并联运行模式[7]。

4.1 串联运行模式

第一种串联模式是循环水先流经埋管换热器，进入太阳能系统（储热体）后进入热泵系统。如图1所示。
该模式是以浅层地热能供热为主，太阳能系统（储热体）为辅。循环水经过埋管换热器进行热交换后，进入太阳能系统（储热体），二次提取热量后，将高温水输送到热泵系统进行室内供暖。这种运行模式可以提高热泵系统的进水温度，进而提高热泵机组的效率。如果太阳能系统（储热体）热量足够多，从热泵系统返回的循环水温度会高于地下温度，会对地下温度场进行一定的热补充。
第二种串联模式是循环水先流经太阳能系统（储热体），再进入埋管换热器，然后进入热泵系统。如图2所示。
该模式以太阳能系统（储热体）为主，浅层地热能为辅，需要太阳能功率较大，同时需要储热体储热效果好。在日照充足、太阳能供热能力（储热体存储的热量）大于建筑热负荷时，可以将较多富余的热能回注到地热井中，提高地下温度场的恢复速度，延长地源热泵系统使用寿命。但这种模式进入热泵系统的温度较低，相对来说会降低热泵系统效率。
图1 第一种串联模式 图2 第二种串联模式

4.2 并联模式

热泵系统循环水通过三通分流阀分流后，同时进入埋管换热器、太阳能系统和储热体，然后再汇合在一起进入热泵系统。如图3所示。
该模式在总流量恒定的情况下，可以通过三通分流阀调整进入太阳能系统、储热体和埋管换热器

源于：论文标准格式www.udooo.com

的流量，从而改变进出水温度，调节系统整体的运行效率。通过控制进入埋管换热器的流量，降低换热器进出口温差，减小换热器热短路带来的影响。可以根据光照条件，适当调整进入太阳能系统中流量，提高太阳能集热器运行效率，减轻储热体和埋管换热系统的供热负担。
在实际应用中，储热体可以是建筑物的桩基，也可以是绝热混凝土和土、石组成的大直径、大体积混合储热体[8]。联合供暖系统中也可增加相关控制模块，对全过程实现自动控制。
5、结语
太阳能、浅层地热能、储热体联合供暖系统可以最大程度的利用太阳能，减轻地下换热井的热负荷，有效降低抽取地下热能对地层的破坏。联合供暖系统的应用将会有效减轻常规能源的损耗和燃烧常规能源产生的污染。
参考文献
吴治坚.新能源和可再生能源的利用[M].机械工业出版社，2006（02）.
国土资源行业标准，浅层地热能勘察评价技术规范[S].中国地质调查局水环部.（征求意见第二稿），2006（08）.
[3] 曹琦.太阳没有给我们提供“浅层地热能”[J].制冷空调与电力机械，2008（06）：1-5.
[4] 卢予北.可再生能源的新成员——浅层地温能[J].探矿工程（岩土钻凿工程），2008（04）：1-4.
[5] Choi J. C， Kim S.D， Han G Y. Heat tranect characteristics in low-temperature latent heat storage systems using salt-hydrates at heat recovery stage[J]. In J Solar Energy Mater Solar Cells. 1996，40（1）：71-87.
[6]肖敏，龚克成.良导热、形状保持相变蓄热材料的制备及性能[J].太阳能学报，2001，22（4）：427-430.
[7] 吴晓寒.地源热泵与太阳能集热器联合供暖系统研究及仿真分析[C].2008（06）.
[8] 赵研，赵大军，孙友宏等.太阳能地下跨季节储热方法.ZL.CN101539335.2009—09.