太阳能土壤储热材料研究现状分析

王亚刚

（甘肃自然能源研究所，甘肃 兰州 730046）

1 引言

当前环境问题日益突出，引起人们高度关注，节能减排和环境保护得到了世界各国广泛重视，各国都在加大开发和利用可再生能源，太阳能作为可再生能源的重要组成部分，以节约能源、保护环境正在加大推广利用。目前太阳能利用主要有光伏和光热两方面，太阳能光热利用方面主要集中在加热提供热量，由于太阳辐射在地球上能量密度较低且不稳定，昼夜和季节性变化很大，太阳能量很不稳定，使其连续或季节性利用受到限制，无法达到一些具体的供热要求。把太阳能量存储起来按需利用，可以满足供热方面的好多需求，所以研究太阳能储热有很大的现实意义，可以带来很大的经济和社会效益。

2 研究进展

太阳能供热系统根据储存与使用热量的时间跨度可分为短期储热太阳能供热系统CSHPDS（Central Solar Heating Plants with Diurnal Storage）和跨季节储热太阳能供热系统CSHPSS（Central Solar Heating Plants with Seasonal Storage）。户用太阳热水系统就属于CSHPDS，CSHPDS仅能满足一定条件下供热需求，太阳能利用低效。CSHPSS通过一定方式把太阳能量储存起来，使太阳辐射与季节性热量需求相统一，可以更加方便高效地利用太阳能[1]。

太阳能储热系统主要由太阳能集热器、储热装置、辅助热源、热水管网等部分组成。常见的储热方式有5种：热水储热、含水层储热、砾石—水储热[2]、土含水储热[3]以及地埋管储热。热水储热所需的储水设备造价昂贵；地下水稀少且较深地区，没有条件采用含水层储热方式；采用砾石—水储热的方式可能会因为水分渗漏到地层造成垮塌事故；黄土虽在干燥时有较大强度，但黄土对水十分敏感，当含水量增加时，就会使黄土强度降低，发生破坏；地埋管储热在土壤源热泵系统中已经得到了应用，通过研究和改进让其适用太阳能储热。所以，地埋管土壤储热是太阳能储热较为适用的方式。

3 研究现状分析

3.1 太阳能土壤储热系统研究进展

目前有关太阳能土壤储热装置多依赖于研究太阳能—土壤源热泵系统，以此为平台许多学者做了相关研究工作。哈尔滨工业大学吕超等人建立了太阳能跨季储热系统供热供冷示范平台，每年分别测试储热、供热和供冷的不同模式下的数据，经过3年的测试实验，测试结果表明太阳能跨季储热供热的保证率达到了92%，系统全年供热能效比在6以上，严寒地区可以满足需求[4]。也有研究人员从实验和数值计算两方面入手对太阳能跨季节蓄热系统进行了研究。王恩宇等人对住宅建筑建立了太阳能-地源热泵联合供热、地源热泵单独供热系统，7月到11月太阳能集热器加热的热水储存在地下，在供暖季当水温高于313.15K时直接供暖，低于313.15K时联合供暖。研究结果表明，太阳能-地源热泵联合供热系统可以使地源热泵能效比增大，直接利用太阳能供热占总供热量的30%左右，且夏季太阳能的储热有利于平衡冷热负荷，特别适用于高寒地区使用[5]。杨卫波等人建立了垂直U形地埋管建立准三维传热模型，并且通过对该模型的准确性进行了实验验证，从不同的方面得到了很多结论，当蓄热过程中随着土壤温度的逐渐升高，传热速率也逐渐减缓，所以互相热干扰性在换热管布置时要充分考虑；土壤的热扩散系数不一样，储热性能也有差异，比较黏土和砂土，长期蓄热选择黏土较好，全年温度恢复黏土容易实现，单季运行系统选择砂土则更适合，换热速度较快[6]。

分析可以看出，许多学者已经开展了太阳能土壤储热系统研究，大部分在土壤源热泵的基础上进行研究，并以土壤源热泵作为辅助热源，通过对比验证，得出太阳能土壤储热系统可以满足供热需求，单季和全年供热需求不同时，太阳能土壤储热材料的选择也不同。

3.2 土壤热物性研究分析

好多学者对土壤的热物性进行了大量研究，大都集中在土壤导热系数的研究上。针对土壤导热系数，L.A.Salomone等使用热探针法对土样进行了测量，绘出了砂土和黏土热阻率（导热系数的倒数）随含水量在不同干密度范围内变化的曲线，得出随含水量的增大热阻率减小，且含水量较小范围变化较大，含水量较大范围变化趋缓[7]。H. Abu-Hamdeh通过实验分析，定性给出土壤的密度和含水量增加时热导率也增加，并用实验测试值与砂土和黏土的比热容理论预期值进行了对比，以经验公式给出了土壤比热容、热导率与孔隙率、干密度和含水量之间的关系，由于数据量偏少，不具有说服力[8]。也有学者通过研究多种饱和粘性土含水量、热导率和孔隙比之间的关系给出经验公式，并指出随含水量增加，饱和土体的热导率降低，呈现出非线性关系，可以用对数拟合其关系，但关系式只是在土体饱和状态下给出，没有普遍性[9]。张旭等通过探针法测量，实验研究了土壤和不同比例的土沙混合物的导热系数，结果发现，土沙比越小，导热系数越高，还通过拟合方法，得到土壤和不同比例的土沙混合物导热系数经验公式[10]。肖琳等通过研究分析了含水率和孔隙率对土壤热物性中土体导热系数的影响，细粉粘土导热系数与含水率呈现指数关系变化。导热系数在先前随含水率的增加增加较快。这是因为水分子会在细土粒的表面形成水化膜，使原来松散开的土粒点接触，从而使土体导热系数增大，随着含水量的增加，土粒之间形成面接触，土体导热系数持续增加，但与含水量少时相比，土体导热系数增长率降低，土粒水化膜接触充分后，随含水量的增加但土粒间接触面的增加趋缓，反映到导热系数增加趋缓，导热系数可分为快速增加和趋缓两部分。对于细粉粘土导热系数与孔隙率呈现对数关系变化，导热系数先随孔隙率的增大平缓减小，随着继续增大后急剧减小。这是由于细粉性粘土中颗粒粒径小，比表面能较大，颗粒晶体表面与颗粒边缘形成很大的静电引力，使其间形成水化膜较厚，这样导热系数在孔隙率小时变化不明显，孔隙率增大到一定值后，土粒中间会产生空气间隔，致使导热系数下降急剧[11]。栾英波等人对北京地区细粉质粘土的含水率、密度、孔隙率进行了测定，分析了各因素对导热系数的影响，认为用乘幂关系可以描述导热系数与密度的大体关系，经验计算公式λ=0.0422ρ5.8479，相关系数R=0.845，从中可以看出从自然状态下随着密度的增大，导热系数也增大，呈现出非线性规律。与应用含水率使用对数关系和乘幂关系与导热系数拟合，拟合结果较好。含水率对导热系数的影响可分为3个阶段，导热系数在含水率为0%～5%内增加较快，因为干燥自然状态下无水化膜产生，土粒间相互接触热传递，加入少量水后产出部分水化膜，增大了颗粒之间的有效接触面积，导热系数增大迅速。含水率在5%～20%之间时，有效接触面积也逐渐增加，导热系数增加也较快，随着含水率的持续增加，粒间有效接触面积增加缓慢，导热系数的增加也减缓。当含水率大于20%时，导热系数趋于稳定，这是由于孔隙水的不断增加使其中水化膜完全接触，所以粉质粘土导热系数会继续增大并趋于稳定[12]。

针对不同地区土壤热物理性质，南京林业大学学者以土壤比热容变化为研究目标，先后测试了苏州、郑州地区土壤的热物理性质，分析了土体单位体积比热容导热系数和与孔隙率和饱和度的三相构成关系。发现土壤的体积比热容在孔隙率一定时随着土壤饱和度增大而增大。土壤饱和度具有一个临界值，在该临界值体积比热容出现拐点，当饱和度小于该临界值范围，孔隙率增大时体积比热容减少；当饱和度大于该临界值范围，孔隙率增大时体积比热容增大。分析得出体积比热容、饱和度和孔隙率在临界范围区间成线性关系，测量和计算得到苏州和郑州地区土壤的比热容计算公式。

针对沙土的热物理性质，对比含湿量、孔隙率对沙土导热系数和质量比热容的影响，北京交通大学研究人员研究发现，在含湿量一定下，沙土的孔隙率提高，质量比热容Cm和导热系数减小；在孔隙率一定下，沙土含湿量增大，质量比热容和导热系数增大，并且都呈线性关系。但孔隙率相对含湿量对沙土质量比热容的影响比小的多，质量比热容在同一含水率下基本恒定[14]，还分别给出了含湿量和孔隙率固定时的比热容计算公式。

针对黄土的热物理性质，西安建筑科技大学王铁行等人测试了不同含水率、不同密度、扰动黄土试样，得到黄土单位体积比热容和黄土导热系数。发现体积比热容在含水量一定时随密度增大而增大；体积比热容在密度相同的情况下也随含水量的增大而增大。其中，相对于密度，含水量对比热容的影响更明显[15]。还得到了比热容随密度、含水量的关系式C=ρd（1.27+0.021ω）103。

根据以上可以看出，大量研究对土壤导热系数变化基本规律有类似相近的结论，提高土壤导热系数的方法可以通过增大土壤密度、减小孔隙率和提高含水率的方法实现。但不同地区和不同成分的土壤拟合其导热系数曲线不一样，而当地土壤导热系数的确定必须通过实验测量验证并修正经验公式才能得到。

3.3 地埋管换热系统的研究分析

针对水平埋管、竖直埋管和螺旋埋管的换热性能的比较，有学者通过给定热负荷和入口水温，对三种埋管方式应用流体力学软件进行模拟计算，三种埋管长度一致，水平埋管深度为1m，比较三种方式的换热特性，模拟结果表明换热效果不如竖直埋管[16]。原因是水平埋管由于埋深较浅，易受环境温度影响，蓄热体初始温度较高所致。也有学者通过建立二维数学模型，求解在制冷和制热条件下水平埋管土壤温度场和热流分布，对模拟结果利用他人文献中的数据进行对比，表明水平埋管埋深越浅，环境温度的影响越大，水平埋管的热流密度在不同方向受气温影响，土壤埋管上部的热流密度影响最大[17]。

为了减少大气温度对水平埋管换热性能的影响，有方法是在水平埋管上部铺设保温层，可以减少土壤蓄热体散失的热量。李晓燕等人在水平埋管上部铺设了一层保温层，模拟和实验研究水平埋管换热性能，发现模拟和实验比较接近[18]，证实此方法可有效解决气温对土壤埋管上部的热流密度影响。

学者们对水平埋管群也有研究，管间距、管径、埋深对水平管散热量有一定影响，刘晓娟等人通过计算得出影响最显著的因素是管间距，在工程应用中管间距要着重考虑[19]。谭祈燕等经过一年时间使用有限元法模拟水平埋管蓄热体，得出换热管的热扰动半径，从而得到埋管间距，使布置埋管有了方法和依据[20]。

由于竖直埋管的造价高，水平埋管占地面积大，结合两者的优缺点，郑宗和等人设计了一种带不锈钢热管的水平埋管换热装置并实验，水平埋管换热性能得到了提高。既降低了造价，占地面积又节省了47%的[21]。

上面分析可以看出，国内外现阶段对埋管换热系统的研究大部分结合地源热泵集中在竖直埋管方式上，特别是井式U形管换热器的研究。虽然气温对水平埋管影响较大，埋管的占地面积也较大，但水平埋管也有优势，比如成本相比竖直埋管的打井更低，出现故障时维修相对方便，这些优势使得它在较大供热场所非常适用，但水平埋管的研究相对较少，今后需要更多的研究。

4 结语

综上所述研究表明，太阳能土壤蓄热可以更高效地利用太阳能，实际应用价值巨大，前景广阔；在研究该系统时，较为经济的土壤蓄热方法是地埋管蓄热方式；通过增大密度、减小孔隙率和提高含水率来提高土壤导热系数，以提高土壤储热材料的储热和换热性能；不同地区和不同成分的土壤的热物性不同，应用时要通过实验测量验证并修正经验公式才能确定；水平埋管有着成本优势，但水平埋管形式的研究不足，特别在水平埋管群上研究相对较少，今后需要投入更多的研究。