跨季节蓄热太阳能集中供热技术

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1、1跨季节蓄热太阳能集中供热技术新闻来源：天津大学机械学院热能工程系作者：宋德坤王华军赵军李丽梅　　日期：2005-11-29全球范围内能源危机与环境的日益恶化，以化石燃料为主的城市集中供热系统带来的建筑能耗和环境污染等问题，已经备受人们关注。目前，建筑用能约消耗全球1/3的能源。在建筑用能的同时，还向大气排放大量的污染物，如TSP，SO2，NOx等。据有关部门测算，建筑用能排放的CO2几乎占全球总排放量的1/3，数量十分惊人。为此，许多国家都在积极地发展一系列的多元化的绿色建筑节能技术。跨季节蓄热太阳能集中供热系统（以下简称CSHPSS），就是在此背景之下产生的一种新型住宅

2、供热方式与理念。   1、系统原理   所谓跨季节蓄热太阳能集中供热系统，是与短期蓄热或昼夜型太阳能集中供热系统(以下简称CSHPDS)相对而言的。从某种意义上讲，现在普遍流行的小型家用太阳热水器系统(DSHS)以及其它类似装置就属于短期蓄热太阳能供热系统的范畴。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等特点。这就使得短期蓄热太阳能供热系统不可避免地存在很大的不稳定性，从而使太阳能利用效率也变得很低。   CSHPSS系统可以在很大程度上克服上述缺点。它具有很强的灵活性，主要通过一定的方式进行太阳能量存储(蓄热)，以补偿太阳辐射与热量需求的季节性变化，从而达

3、到更高效利用太阳能的目的。在欧洲，CSHPSS系统中太阳能占总热需求量的比例已经达到40%~60%(表１)，远远超出了CSHPSS系统和家用太阳热水系统。因此，目前CSHPSS系统已经成为国际上比较流行的极具发展潜力的大规模利用太阳能的首选系统之一。   常见的CSHPSS系统主要由太阳集热器、蓄热装置、供热中心、供热水网以及热力交换站等组成，如图1所示。系统基本工作原理如下：在夏季，冷水与太阳集热器采集的太阳能量换热后，一方面可以直接供用户使用；另一方面，有相当一部分太阳能被直接送入蓄热装置中储存起来。冬季使用时，储存的热水经供热管网送至供热中心，然后由各个热力交换站按热

4、量需求进行分配，并负责送至各热用户。如果储存的热量不足以达到供热温度，可以由供热中心通过控制其它辅助热源进行热量补充。这样一来，CSH-PSS系统就实现了太阳能的跨季节储存和使用，在很大程度上提高了太阳能利用率。-42-2、系统分类   根据蓄热温度的差异，CSHPSS系统可以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℃。目前，国内外应用较多的是低温蓄热方式，技术上也相对比较成熟。对于高温蓄热，如何降低热损失是必须考虑的问题。譬如，对于一个圆柱形高温蓄热装置，热损失主要由底面、侧面和顶面三部分组成。其中顶面对装置的影响较大，

5、占总热损失的35%~40%(无隔热材料)或15%~20%(有隔热材料)。因此，通常对高温蓄热系统的蓄热规模有一定的限制和要求。一般而言，高温CSHPDS系统的最小储热容积应在10000m3以上。   根据蓄热介质的类型差异，CSHPSS系统又大致可分为下述几种方式即热水蓄热、砾石－水蓄热、埋管蓄热和蓄水层蓄热等。   (1)热水蓄热   热水蓄热装置的结构如图2所示。水箱壁面由混凝土浇注而成，内侧通常还要敷设一层较厚不锈钢板?穴大于1.0mm?雪，以增强系统的坚固性、抗腐蚀性，同时还可以增大导热热阻，减小热损失。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

6、性能，所以是上述４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围护结构的设计和隔热。德国Ilmenau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能测试。   (2)砾石－水蓄热-42-   砾石－水蓄热装置的结构如图3所示。在内壁敷设有不透水塑料材料的蓄热槽中，填充了一定密度的砾石－水混合物，作为主要蓄热材料。太阳能可以通过埋设在各层的换热管群，进行储存和释放。这种方式的特点是不需要特别的承重框架，因为作用力可以被砾石分解至蓄热槽的四周及底部区域。但是，由于砾石－水混合物的比热较小

7、，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高出50%左右。(3)埋管蓄热   埋管蓄热装置的结构如图4所示。通过地下埋管，热量直接被存储或释放至埋管周围的土壤中。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，技术成熟度也较高。   埋管蓄热方式的最大优点在于可以实现模块化设计，根据负荷的