工业余热岩土跨季节蓄热分析彭扬东

摘要：我国工业生产中有大量低品位余热未充分利用，造成资源浪费和环境污染。同时，我国北方长期受困于冬季供暖不足、供暖能耗大和污染重的问题。若将工业余热跨季节储存，冬季用于建筑供暖，则能降低我国北方供暖能耗，减少污染。浅层岩土可作为蓄热介质，通过竖直地埋管换热，将工业余热蓄存于岩土中。在供暖季通过热泵传递蓄热，为建筑供暖。基于此，分析工业余热岩土跨季节蓄热的关键问题，设计双U型管蓄热与放热模型，计算蓄热量与放热量，确保蓄热与放热平衡，从而指导后续工程建设，合理布置地埋井，实现集中供暖。

关键词：工业余热；岩土；跨季节蓄热；地埋管；热泵；供暖

中图分类号：TK115 文献标识码：A 文章编号：1008-9500（2024）10-0-03

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Analysis of cross seasonal thermal storage of industrial waste heat in rock and soil

PENG Yangdong1， PENG Jianbin1， GUI Shuqiang1， JIN Feng2

（1. WSGRI Engineering & Surveying Incorporation Limited， Wuhan 430083， China;

2. Anhui Tiankang （Group） Co.， Ltd.， Chuzhou 239300， China）

Abstract： There is a large amount of low-grade waste heat that has not been fully utilized in China’s industrial production， resulting in resource waste and environmental pollution. At the same time， northern China has long been plagued by problems such as insufficient winter heating， high heating energy consumption， and heavy pollution. If industrial waste heat is stored across seasons and used for building heating in winter， it can reduce heating energy consumption and pollution in northern China. Shallow rock and soil can serve as thermal storage media， and industrial waste heat is stored in the rock and soil through vertical buried pipes for heat exchange. During the heating season， heat pumps are used to raise the temperature and provide heating for buildings. The key issues of cross seasonal heat storage of industrial waste heat in rock and soil are analyzed， the dual U-shaped pipe heat storage and release model are designed， and the heat storage and release are calculated to ensure a balance between heat storage and release， thus guiding subsequent engineering construction， arranging underground pipes reasonably， and achieving centralized heating.

Keywords： industrial waste heat; rock and soil; cross seasonal heat storage; underground pipes; heat pump; heating

随着全球能源危机的日益严峻和大众环境保护意识的不断增强，如何高效利用和储存可再生能源及余热成为亟待解决的问题。工业余热是工业生产过程的副产物，其蕴含的巨大热能往往被直接排放到环境中，造成资源极大浪费和环境污染[1-2]。我国工业领域每年产生的余热资源总量巨大，但目前大部分余热仍未得到有效利用。因此，探索工业余热跨季节蓄热技术，将非供暖季节的工业余热进行储存，并在供暖季节释放出来，实现余热资源的高效利用，对于缓解能源供需矛盾、促进节能减排具有重要意义，是实现余热资源高效利用的重要途径。

相对于煤、石油等一次燃料，工业余热能量密度小，能量品位低，能量来源受限于工业生产强度，因此往往利用难度较大。建筑供暖对热量品位的要求不高，利用现有的热泵技术，可从余热中提取热量为建筑供暖。若将全年的工业余热蓄存，在供暖季为建筑供暖，则能大幅减少建筑供暖成本，助力节能减排[3-5]。岩土跨季节蓄热技术主要基于显热储热原理，即利用储热介质在温度变化时吸收或释放热量的特性。在非供暖季节，该技术通过热交换将工业余热传递给岩土体，使其温度升高并储存热量；在供暖季节，利用热交换器将储热介质中的热量释放出来，供给供暖系统使用。这种技术能够有效解决能源供需在时间上的不匹配问题，提高能源利用效率。同时，工业余热岩土跨季节蓄热技术存在一些关键难题，包括如何提高储能效率、如何降低储能及用能成本、如何保障系统的稳定运行等，这些问题的解决还需要科研人员和工程人员不断探索。

1 工业余热岩土跨季节蓄热的关键问题

1.1 岩土蓄热和放热平衡

参照地源热泵的原理，利用浅层岩土作为工业余热的蓄存介质，将全年的余热蓄存于浅层地下。岩土蓄存容量大，蓄存周期长，建设成本较低，具有较强的可实施性。目前，地源热泵研究已十分成熟，可借用地源热泵的研究成果，推进余热岩土蓄热项目的建设。因此，岩土跨季节蓄热为建筑供暖时，首先需要解决岩土热量蓄存和释放的平衡问题。岩土蓄热和放热平衡问题分为两个方面，一是岩土的总蓄热量和总放热量平衡，二是蓄热和放热换热功率与蓄热和放热需求平衡。

1.2 岩土跨季节蓄热温度

相比地源热泵夏季冷凝水出水温度，工业余热温度较高，因此余热储能系统地埋管的延米换热量与传统地源热泵的地埋管出入较大。蓄热和放热的影响边界与传统地源热泵也不相同，对后期投入使用影响较大，因此应重点关注。浅层岩土温度提高空间有限，升温过高将导致土壤内部水分大量蒸发，浪费热量，改变岩土的热物性，影响地下环境。从技术和经济方面考虑，目前浅层岩土蓄热一般采用聚乙烯管，管道的使用温度在60 ℃以下。因此，一般考虑在浅层岩土进行低温蓄热，冬季通过热泵升温后给建筑供暖。对于工业余热，蓄热循环的供水温度一般控制在

60 ℃以下。由于建设成本和运行成本过高，深层岩土储热没有技术优势和经济优势。

2 双U型管蓄热与放热模型设计

岩土蓄热型地埋管与普通地源热泵系统的不同之处在于全年都有蓄热需求，放热时其蓄热过程不能受到影响，其中地埋管蓄热延米换热量一般大于放热延米换热量。因此，设计需要考虑蓄热井与取热井的配比关系。针对地埋管系统，设计双U型管蓄热与放热模型，如图1所示。根据实际工程需要，U型头采用两种形式，即连通式和隔离式。当后期工程蓄热循环和取热循环均采用封闭式系统且压力相差不大时，两组U型

管可以连通，以加强两组循环的换热。其余情况下，两组U型管应隔离运行，保持两路管道水压稳定。

（a）非采暖季蓄热

（b）采暖季蓄热系统和余热系统联合供热

1.U型地埋管；2.U型头；3.岩土蓄热体；4.分集水器；5.分集水器；6.热泵机组；7.余热生产模块；8.用户侧水泵；9.余热侧水泵；10.保护装置e7e3599c7131651bbdecc06afed82b7ddaed3ab7f5a4d46232355185b88cf133；11.用户侧切换阀；12.用户侧切换阀；13.余热侧切换阀；14.余热侧切换阀；15.旁通调节阀。

2.1 蓄热与放热计算

地埋管蓄热时间长，可全年进行储热，而放热过程只发生在供暖季，因此蓄热的热影响边界明显比放热影响边界大，将存在一定比例的热逃逸。根据稳定传热理论，地埋管稳定传热蓄热量可按照式（1）计算。在工程建设中，利用积分方法计算蓄热量显然非常不方便。可利用线性回归法，先对竖向的偏微分z分量进行近似，再对水平方向的r分量进行积分，如式（2）所示。岩土的实际储热能力应大于工程设计的储热量和用热量，否则热量难以存入岩土热库，或者出现热库温度超过设计温度的问题。

（1）

（2）

式中：Q为蓄热量；q为蓄热延米功率；k为岩土导热系数；c为岩土平均比热容；ρ为岩土密度；r0为单孔的热边界半径；H为地埋管孔深；r为积分点至地埋井的水平距离；z为积分点至地面的垂直距离。

2.2 蓄热与放热平衡

传统的地源热泵系统需要做热物性测试，确定土壤源蓄热和放热功率，从而设计合理的地埋管系统。同理，工业余热岩土跨季节蓄热系统也存在地埋管冬夏平衡的问题，蓄热量和取热量应满足式（3）的要求。若长期蓄热量大于放热量，则将导致岩土温度升高，蓄热难以继续。反之，岩土温度持续降低，岩土供热不足。因此，设计合理的蓄热放热功率和蓄热放热时间，对工业余热系统长期稳定运行至关重要。在余热蓄热系统的设计中，要根据蓄热量和放热量计算岩土的蓄热面积，并根据蓄热和取热功率计算地埋井数量。

∑W1t1=∑W2t2≤Q（3）

式中：W1为蓄热平均功率；t1为蓄热时间；W2为取热平均功率；t2为取热时间。

3 地埋井的布置

一般来说，工业余热岩土跨季节蓄热周期长，延米蓄热功率高。为了确保地埋管取热和蓄热平衡，提高储热效率和放热效率，降低建设成本，应根据热物性试验所测的延米换热量，分别计算蓄热所需地埋井数量和放热所需地埋管数量，取大值作为总的地埋管数量，取小值作为蓄放一体的地埋管数量，并将地埋管均匀布置在场地内。

地埋井间距应按照年总蓄热量和蓄热边界计算确定，根据工业余热的可蓄存量或者建筑供暖需热量，计算地埋管系统的蓄热量，根据式（2）计算蓄热地埋管的蓄热边界。根据建筑供暖的取热量，计算取热地埋管的取热边界，取大值确定地埋管的建设布局。

4 结论

目前，工业余热岩土跨季节蓄热依然存在部分关键问题。设计双U型管蓄热与放热模型，计算蓄热量与放热量，可以确保蓄热与放热平衡，指导后续工程建设，合理布置地埋井，最终实现集中供暖。工业余热的岩土跨季节储能技术是一项新兴的储能技术，目前工程应用案例不多。随着我国碳达峰碳中和任务的逐步压实与新能源产业的蓬勃发展，该技术的推广力度势必越来越大，应用前景广阔。

参考文献

1 Zeng Y H，Diao R N，Fang H Z.A finite line-source model for boreholes in geothermal heat exchangers[J].Heat Transfer（Asian Research），2002（7）：558-567.

2 徐德厚，周学志，徐玉杰，等.新型地下跨季节复合储热系统性能规律[J].储能科学与技术，2021（5）：1768-1776.

3 吴 晅，侯正芳，温建军，等.竖直地埋管蓄取热特性试验与模拟[J].流体机械，2020（3）：58-67.

4 王子逸，徐玉杰，周学志，等.跨季节复合储热系统储/释热特性[J].储能科学与技术，2020（6）：1837-1846.

5 陆耀庆.实用供热空调设计手册[M].北京：中国建筑工业出版社，2008.