新型地下跨季节复合储热系统性能规律

徐德厚 ，周学志 ，徐玉杰 ，左志涛 ,，陈海生 ,

（1毕节高新技术产业开发区国家能源大规模物理储能技术研发中心，贵州 毕节 551712；2中国科学院工程热物理研究所，北京 100190；3中国科学院大学，北京 100049）

日益增长的传统能源供暖所带来的污染、环境和生态问题愈发突出。中国政府在第75届联合国大会做出了“到2030年，中国单位国内生产总值二氧化碳排放将比2005年下降65%以上，非化石能源占一次能源消费比重将达到25%左右”[1]的庄严承诺。因此，利用可再生能源尤其是太阳能、地热能等清洁供暖势在必行。清洁供暖是指利用太阳能、地热、生物质和工业余热等能源进行供暖。然而，太阳能等可再生能源往往受天气、地域、季节等因素限制，具有极强的间歇性和不稳定性[2]。跨季节储热则可以有效解决可再生能源供热系统在时间上、空间上和强度上的不匹配特性，扩大可再生能源热能利用的深度与广度。地下跨季节储热因其技术成熟度高，应用广泛，成为当前跨季节储热研究与应用的主要方向[3]。按储热方式划分，其分为热水储热(HWES)、砾石-水储热(GWES)、地埋管储热(BTES)和含水层储热(ATES)[4]。HWES和BTES是最具发展潜力的两种地下跨季节储热方式[5]，其中，热水储热(HWES)是将热能以热水形式储存在水箱或水池中，因水的比热容较大，其单位体积水的储热量也较大，另外，HWES储/释热的速率较快，且选址灵活，所以广泛应用于跨季节储热当中。但其单位投资成本高，且热量损失较大[6]；地埋管储热(BTES)是将地埋管放置于地下井中，通过传热介质的流动将热量储存在地下土壤中。埋管的形式有单U形管、双U形管和套管等类型。BTES可以就地取材，储热容量易扩大。但土壤的储热量和热导率较低，因此需要较大的储热体积，且储/释热速度较慢，通常需设置缓冲水箱，以提高其对热负荷变化的响应速度，同样，BTES也存在热量损失大的难题[7]。

降低系统热损失，提高太阳能保证率一直是国内外地下跨季节储热的研究热点之一。有学者从储热体形状着手，如Schmidt等[8]和Dinçer等[9]认为降低储热体面积体积比减少热损失。Zhang等[10]认为对地埋管储热系统，埋管越深、热损失越少；也有学者从保温层或内衬等储热体边界着手，如Ucar等[11]对比了地上水箱无保温、地上水箱加保温、地下水箱无保温三种跨季节储热系统，结果表明，地下水箱无保温比前两种能达到更高的太阳能保证率。Dalenback等[12]的研究表明地面水箱高度需增加到1.9倍，或者保温层厚度至少增加到两倍才能达到地埋水箱相同的性能。Lottner等[13]在储热水箱顶面和侧面利用不锈钢或高密度聚乙烯作为内衬以减少通过混凝土壁的蒸汽扩散所带来的热损失。Givoni等[14]指出，水箱四周的土壤没有作为储热体是地埋水箱储热效率不高的原因之一。

将热水储热和地埋管储热相结合，可组成多种储热方式相耦合的新型跨季节复合储热系统。该复合储热系统扬长避短，有如下主要优点：短期储热和跨季节储热相结合；地埋管吸收和抑制了储热水箱热量扩散；可减少占地面积，并减少保温材料使用(或不使用保温材料)，从而降低成本；储/释热机制灵活多变。

本文建立上述复合储热系统储热体数值模型，分析储/释热质量流量、储热体中水和土壤体积规模匹配、地埋管数量和层间距以及土壤热导率等参数对储热体温度、系统储/释热量、储/释热功率和热量损失的影响规律，为实现跨季节储热系统热量的高效存储与利用提供理论指导依据。

1 模型建立与验证

1.1 工作原理

太阳能跨季节复合储热系统主要包括集热器、复合储热体、热用户、换热器、泵和连接管道等(图1)，其中复合储热体埋于地下，由水箱和地埋管构成，水箱位于储热体中央，地埋管布置于水箱四周。工作原理为：非供暖季，系统将多余的热量收集并存储于复合储热体中；供暖季，热量从复合储热体释放，供给热用户。

图1 地下复合储热系统Fig.1 Schematic diagram of underground composite thermal storage system

1.2 模型建立

跨季节储热的模拟研究工具通常分为两类：一类是系统层面的如TRNSYS[15]和ENERGY Plus[16]等，主要模拟整个建筑物能耗方面；另一类是模块层面的，如Duct Storage Model等，能更加详细地模拟储热体内部的传热。但将两个层面的模拟耦合起来的文献很少[17]。本文将地埋水箱和地埋管储热结合起来，作为一个新的模块嵌入TRNSYS里，既能进行系统层面的优化计算，同时可得到储热体内部详实的传热分析[18]。

所建复合储热模型如图2所示，呈圆柱形，水箱埋在正中间，U形地埋管围绕水箱布置，每一层地埋管均匀地分布在距离水箱相同间隔的圆周上，设地埋管区域内的土壤为均质体。模型在二维柱坐标系上离散，不考虑周向传热。

图2 复合储热体水箱/地埋管布置Fig.2 Layout diagram of tank/borehole in composite thermal storage unit

水箱部分，采用温度分层模型[19]，该模型可以简单且有效地模拟储热水箱温度分布，该模型将水箱划分为N层，每一层称为1个节点，层内完全混合，温度均匀分布；土壤部分，不含内热源(地埋管)的网格土壤温度按纯导热计算；含内热源(地埋管)的网格土壤温度，将U形管看做无体积的水箱，和前述温度分层模型一样将管内液体温度分层，考虑管内流动，但不考虑管内水层之间的导热。地埋管和土壤之间的换热按一个与管土温差相关的折算线热源系数计算。复合储热体中心对称，因此中心边界为绝热边界，底部边界和侧面边界为定温边界，顶部边界与空气接触，为平面自然对流边界[18]。

参考我国某地供暖时间，采用储热3个月，保温3个月，释热3个月，恢复3个月的运行方式。土壤和水箱初始温度均为15℃，储热入口温度为80℃，释热入口温度为15℃，模拟计算时间步长为0.5 h。储热体基准热物性参数设置见表1。

表1 热物性参数Table 1 Thermo-physical properties parameters

1.3 模型验证

为深入研究复合储热系统储/释热特性、热量损失机理和温度分布及变化情况，搭建复合储热系统实验台，开展相应的实验研究，并验证上述数值模型的准确性和精度。复合储热实验系统(图3)主要由地面冷水箱、水泵、电加热器、地下储热水箱、地埋管、阀门及测控系统组成，占地面积为70 m2，储热总体积27 m3，地埋水箱半径0.5 m，高1.5 m，埋深0.5 m，容积1.2 m3，地埋管设4层，层间距0.25 m，埋管深度2 m。设置48个土壤温度传感器(PHWS)和8个水温传感器(PHSW-12VW2)分别测量土壤温度分布及变化，以及水箱内和储热体进出口水温，利用浮子和电磁流量计测量储热体进出口流量，并通过测控系统进行数据采集，数据采集最小时间间隔为1 min。

图3 复合储热实验台Fig.3 Composite thermal storage experimental platform

模型验证包括储热阶段和释热阶段地埋管出水温度验证，模型各参数按上述实验台设置，实验和模拟计算均采用储热18 h、保温30 h、释热18 h和恢复30 h的运行方式，储热入口温度设为80℃，释热入口温度设为17℃，地埋管流量均为0.6 m3/h。分别开展实验和数值模拟研究，所得到实验和模拟数据曲线如图4所示。

图4 复合储热系统地埋管出口温度变化Fig.4 Outlet temperature of buried pipe in composite thermal storage system

图4(a)、(b)分别为储热过程和释热过程地埋管出口水温变化曲线，模拟数据与实验数据变化趋势基本一致。储热阶段最大误差为1.7 K，释热阶段最大误差为2.5 K。模拟结果与实验结果吻合较好，误差在可接受范围内。该模型可以用于分析和预测实际地下跨季节复合储热系统储/释热量和温度变化规律。

2 复合储热系统特性

热量存取效率(从储热体取出的热量与存入储热体的热量之比)为系统重要的性能指标，因此，开展储/释热质量流量、储热体中水箱和土壤规模匹配、地埋管数量、地埋管层间距和土壤热导率等参数对系统效率的影响规律研究。

2.1 储/释热质量流量

取水箱体积和土壤体积比为1∶3.3，储热体规模匹配如图5所示，总储热体积为6.8×103m3。土壤和水箱初始温度均为15℃，储热入口温度为80℃，释热入口温度为15℃，储热和释热质量流量相同，水箱和地埋管质量流量均占总质量流量的一半。其他参数设置见表1。

图5 储热体水和土壤规模匹配Fig.5 Scale match between water tank and soil

显然，储/释热质量流量越大，储热体温度、储热量、释热量和热量损失也会增加。在不同储/释热质量流量下，连续运行5年，复合储热系统效率变化如图6所示。

图6 质量流量对系统效率的影响Fig.6 Effect of mass flow rate on system efficiency

由图6可知，不同质量流量下的系统效率均随着运行年限的增长而逐渐增加，并呈现趋于平缓的变化趋势。其中，质量流量2000 kg/h条件下第1年的系统效率仅为43.6%，到第3年上升到59.0%，随后两年缓慢上升到60.8%；质量流量6000 kg/h条件下第1年的系统效率为56.9%，到第3年上升到68.8%，随后两年缓慢上升到70.0%。可以看出，随着质量流量的增加，系统效率也逐渐增加，但增加的幅度越来越小。

2.2 储热体规模匹配

假设储热体中水箱和土壤体积比为α，保持总储热体积为6.8×103m3，调整水箱半径和地埋管层间距。分析储热体不同规模匹配下，系统效率变化情况。储/释热质量流量取6000 kg/h，其他参数设置与2.1节相同。

复合储热体不同规模匹配下系统效率变化情况如图7所示。可以看出，系统效率均随着运行年限的增长而逐渐增加，并呈现趋于平缓的变化趋势。α=1∶5.9时，系统效率最低，随着α的增加，系统效率逐渐上升，α上升到1∶0.7时，系统运行至第5年的效率可达72.9%，但水箱体积占比增加，会大幅增加投资成本，α=1∶2时，运行至第5年系统效率达72.4%，接近α=1∶0.7时的效率值。

图7 不同规模匹配下的系统效率Fig.7 System efficiency under different scale matching

不同规模匹配下复合储热体的热量损失如图8所示，由图可知，随着α的增加，复合储热体热量损失也增加，α从1∶2增加到1∶0.7时，热损增幅最大，这是因为α的增加，导致水箱体积增大，土壤有效容积被压缩，地埋管层间距变小，地埋管更靠近水箱，使储热体温度增加明显，热损随之增加。

图8 不同规模匹配下的热损Fig.8 Heat loss under different scale matching

图9为不同规模匹配下地埋管单位埋深的换热功率。其中，按运行年限来看，地埋管单位埋深储热功率均随着运行年限的增长而逐渐降低，但降低幅度越来越小，表明随着运行年限的增长，储热体温度逐渐增加，储热越来越困难；释热功率均随着运行年限的增长而逐渐增加，表明储热体温度的逐年上升，有利于释热的进行。按储热体规模匹配来看，随着α的增加，地埋管离水箱越来越近，地埋管储热功率逐渐降低，α从1∶2增加到1∶0.7时，地埋管储热功率降低明显；释热功率随着α的增加而增加，表明地埋管离水箱越近，水箱散失热量的回收效果越好。

图9 不同规模匹配下地埋管单位埋深换热功率Fig.9 Borehole heat exchange power under different scale matching

因此，储热体规模匹配需综合考虑，既要能达到较高的系统效率，获得较大的储/释热功率，又需尽量减少投资成本，同时降低热量损失。

2.3 地埋管数量

保持总储热体积均为6.8×103m3，储热体规模匹配取α=1∶3.3，调整地埋管数量，分析不同地埋管数量条件下，系统效率的变化情况。储/释热质量流量取6000 kg/h，其他参数设置与2.1节相同。复合储热体不同地埋管数量下系统效率变化趋势如图10所示。

图10显示，随着运行年限的增加，不同地埋管数量下的系统效率变化趋势相一致，地埋管数量的增加可提升系统效率，但提升幅度有限。图11为地埋管数量对复合储热体土壤平均温度的影响，其中，不同地埋管数量下的土壤平均温度变化趋势相一致；随着地埋管数量的增加，系统储热量增加，土壤平均温度上升，有利于释热的进行。因此，提高地埋管数量，有利于增加储/释热量，提升系统效率。

图10 地埋管数量对系统效率的影响Fig.10 Effect of number of boreholes on system efficiency

图11 地埋管数量对土壤平均温度的影响Fig.11 Effect of number of boreholes on soil average temperature

2.4 地埋管层间距

改变地埋管层间距，分析不同地埋管层间距条件下系统效率的变化情况。地埋管设置2层，每层埋管数为20，储/释热质量流量取6000 kg/h，其他参数设置与2.1节相同。复合储热体不同地埋管层间距下系统效率变化趋势如图12所示。

图12 地埋管层间距对系统效率的影响Fig.12 Effect of space between borehole rings on system efficiency

由图可知，随着运行年限的增加，不同层间距的系统效率变化趋势相一致，表明储热体逐渐饱和。随着层间距的增加，系统效率逐渐降低。因为层间距增加，加大了储热体土壤体积，从而降低了储热温度，不利于释热的进行。

进一步地，图13为不同层间距下系统储/释热量的变化情况。其中，储热量随着层间距的增加而增加，从1.5 m增加到2 m时储热量增加最大；层间距从1.5 m增加到2 m时，释热量增加，层间距从2 m增加到3.5 m时，释热量逐渐降低。

图13 不同层间距下的储/释热量变化Fig.13 Thermal energy store/release capacity at different space between borehole rings

2.5 土壤热导率

改变土壤热导率，分析不同土壤热物性参数条件下系统效率变化情况。储/释热质量流量取6000 kg/h，其他参数设置与2.1节相同。不同土壤热导率对应的系统效率变化情况如图14所示。

图14 不同土壤热导率对系统效率的影响Fig.14 Effect of different soil thermal conductivity on system efficiency

由图可知，不同土壤热导率下系统效率变化趋势相一致，均随着运行年限的增加而增加，并呈现趋于平缓的变化趋势。随着土壤热导率的增加，系统效率逐渐降低，这是因为较高的土壤热导率，加强了土壤间热量传递，导致热量损失增加，从而降低了系统效率。图15为不同土壤热导率下系统的热量损失情况，可以看出，随着土壤热导率的增加，系统热量损失逐渐增加。加，不同土壤热导率下的储热功率或释热功率变化趋势相一致，储热功率越来越低，表明系统逐渐饱和，温度逐年升高；释热功率越来越高，这是储热温度越来越高导致的有益结果。随着土壤热导率的增加，地埋管储热功率相应增加，但释热功率反而降低了，表明存入的热量很快通过边界散失了，这降低了系统效率，和前述结论一致。

图15 不同土壤热导率下系统热损变化Fig.15 Heat loss under different soil thermal conductivity

图16 不同土壤热导率下地埋管单位埋深换热功率Fig.16 Borehole heat exchange power under different soil thermal conductivity

图17为不同土壤热导率下土壤平均温度变化情况，由图可知，土壤热导率越高，越有利于热量传递，储热峰值温度越高；但在非储热阶段，土壤热导率越高，热量散失也越快，土壤平均温度下降得也越快，释热结束后，土壤平均温度也越低，不利于下一循环周期。

图17 不同土壤热导率下土壤平均温度Fig.17 Soil average temperature under different soil thermal conductivity

3 结 论

本文提出将热水储热和地埋管储热相结合，组成两种储热方式相耦合的新型跨季节复合储热系统。该复合储热系统扬长避短，可有效降低占地面积，减少保温材料使用，储/释热机制灵活多变。建立并通过实验验证了复合储热系统模型，在此基础上，开展了复合储热系统性能规律研究，得到如下结论。

（1）储/释热质量流量增加，系统效率随之增加。此外，随着储热体规模匹配α值增加，系统效率逐渐上升，然而当水箱体积占比较大时，会导致更多的热量损失。因此，储热体规模匹配需综合考虑，既要能达到较高的系统效率，获得较大的储/释热功率，又需尽量减少投资成本，同时降低热量损失。

（2）提高地埋管数量，有利于增加储/释热量，提升系统效率。地埋管层间距的增大，增加了储热体土壤体积，从而降低了储热温度，不利于释热的进行，导致系统效率降低。

（3）土壤热导率增加，强化了土壤间热量传递，地埋管储热功率增加，储热峰值温度也因此提高，然而热量散失也加快，释热功率显著降低，导致系统效率下降。