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目前，人類面臨能源短缺和環(huán)境惡化兩大問題，開發(fā)利用可再生能源，是人類必須尋求的一條能源與環(huán)境可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略道路。太陽能作為一種取之不盡、用之不竭的清潔能源,在國內(nèi)外倍受關(guān)注。在北方采暖地區(qū)，將非采暖季節(jié)的太陽能收集并存儲(chǔ)于土壤中，冬季再被取出供熱，這種充分利用太陽能來節(jié)約一次能源的技術(shù)被稱為太陽能季節(jié)性土壤蓄熱技術(shù)。
1 太陽能季節(jié)性土壤蓄熱技術(shù)概述
　　1.1太陽能季節(jié)性蓄熱的分類
太陽能季節(jié)性蓄熱是指將非采暖季豐富的太陽能轉(zhuǎn)移至采暖季太陽輻射較弱時(shí)加以利用，以補(bǔ)償太陽輻射與熱量需求之間的季節(jié)性差異，從而達(dá)到更高效利用太陽能的目的。
太陽能季節(jié)性蓄熱主要包括4種形式：熱水蓄熱、礫石-水蓄熱、土壤蓄熱和含水層蓄熱[1]。其中，含水層蓄熱被認(rèn)為是成本最低的，其次是土壤蓄熱，而帶有地下蓄熱罐的熱水型和礫石-水蓄熱成本較高，在沒有合適的含水層土壤資源時(shí)，一般考慮使用土壤蓄熱。季節(jié)性蓄熱是一種長期蓄熱形式，是與短期蓄熱或晝夜型蓄熱相對而言。
太陽能季節(jié)性土壤蓄熱具有蓄熱能力大、熱損失較小的優(yōu)點(diǎn)。從長遠(yuǎn)的觀點(diǎn)來看，該蓄熱方式被認(rèn)為是跨季節(jié)儲(chǔ)熱的最有前途的方式之一[2]。
1.2太陽能季節(jié)性土壤蓄熱的應(yīng)用
土壤耦合熱泵技術(shù)因其可利用淺層地?zé)幔覍Νh(huán)境無污染，在國內(nèi)外被迅速推廣應(yīng)用。但是，在嚴(yán)寒地區(qū)，冬季熱負(fù)荷遠(yuǎn)大于夏季冷負(fù)荷，即冬季系統(tǒng)從土壤的取熱量遠(yuǎn)大于夏季的排熱量，常年運(yùn)行下去，土壤溫度將逐年降低，熱泵運(yùn)行效率也將逐年下降。將太陽能季節(jié)性土壤蓄熱技術(shù)與土壤耦合熱泵技術(shù)相結(jié)合，通過太陽能的移季利用，使取熱量等于排熱量，可以從根本上解決土壤熱量不平衡問題。該系統(tǒng)被稱為季節(jié)性蓄熱太陽能-土壤源熱泵耦合系統(tǒng)。現(xiàn)已建立了示范工程，實(shí)踐表明該系統(tǒng)比土壤源熱泵供暖系統(tǒng)更加節(jié)能、熱泵性能明顯提高 [3]。
2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀
2.1國外研究現(xiàn)狀
季節(jié)性蓄熱的思想是20世紀(jì)60年代美國首次提出的，70年代進(jìn)行了大量的理論和實(shí)驗(yàn)研究，80年代北歐各國也相繼開展了太陽能季節(jié)性蓄熱的研究。1985年，芬蘭的Lund和Östman提出了一個(gè)三維數(shù)值模型，用來模擬垂直埋管季節(jié)性土壤蓄熱，通過各種模擬分析和優(yōu)化，得出對于一個(gè)有500棟房屋的社區(qū)，太陽能保證率可以達(dá)到70%[4]。D. Pahud對一個(gè)太陽能蓄熱式集中供熱系統(tǒng)進(jìn)行了動(dòng)態(tài)模擬。該系統(tǒng)由太陽能集熱器、緩沖蓄熱水箱、埋管土壤蓄熱裝置組成，短期的熱需求由緩沖水箱承擔(dān)，季節(jié)性的熱需求由埋管土壤蓄熱裝置承擔(dān)。作者對主要的系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，得出每年太陽能提供熱量的比率為70%，每m2太陽能集熱器對應(yīng)的緩沖水箱體積為110～130m3，埋管體積為4～13m3，對于導(dǎo)熱系數(shù)為2.5W/m?K的土壤來說，土壤埋管的最佳間距為2.5m[5]。Olszewski分析了在高緯度國家利用土壤作為季節(jié)性蓄熱介質(zhì)的可能性，建立了隨時(shí)間變化的三維蓄熱仿真程序，計(jì)算了蓄熱過程中的太陽能集熱器出口水溫和土壤溫度場[6]。
2.2國內(nèi)研究現(xiàn)狀
國內(nèi)關(guān)于利用土壤進(jìn)行太陽能季節(jié)性蓄熱的報(bào)導(dǎo)最早出現(xiàn)在1984年，馬文麒對太陽池的跨季度蓄熱問題進(jìn)行了理論分析和數(shù)值計(jì)算 [7]。從二十一世紀(jì)初，隨著土壤源熱泵技術(shù)發(fā)展，土壤熱平衡問題日益受到高度關(guān)注，太陽能季節(jié)性土壤蓄熱作為當(dāng)前最佳解決方案，成為研究的焦點(diǎn)。哈爾濱工業(yè)大學(xué)的智艷生和吳冬梅等對嚴(yán)寒地區(qū)帶太陽能季節(jié)性蓄熱的土壤源熱泵系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，收到了良好的效果[8]。近幾年，天津大學(xué)對太陽能跨季節(jié)蓄熱進(jìn)行了一系列研究，模擬并分析了供暖系統(tǒng)的長期運(yùn)行特性和土壤的蓄熱特性，并針對示范工程開展相應(yīng)的應(yīng)用研究[9-10]。中南大學(xué)的羅蘇瑜通過數(shù)值模擬，分析了埋管間距對蓄熱與釋熱的運(yùn)行特性的影響，但是未結(jié)合蓄熱源進(jìn)行整體分析[11]。楊衛(wèi)波等建立了考慮地下水滲流與熱濕遷移影響的準(zhǔn)三維U形埋管土壤蓄熱的數(shù)學(xué)模型，探討了利用太陽能-地源熱泵系統(tǒng)中原有鉆孔U形埋管進(jìn)行太陽能跨季節(jié)性土壤蓄熱的可行性及其特性，得出地下水滲流的存在可以強(qiáng)化地下埋管的換熱效果，但不利于用埋管作為蓄熱裝置[12-13]。
3 現(xiàn)狀分析及展望
歐洲多年的研究和實(shí)踐表明，季節(jié)性蓄熱技術(shù)具有很大的潛能，是目前極具發(fā)展?jié)摿Φ拇笠?guī)模利用太陽能的一種有效方式。國內(nèi)對太陽能季節(jié)性土壤蓄熱的研究和應(yīng)用起步較晚，近幾年才開始建立示范項(xiàng)目，但由于數(shù)量少，運(yùn)行時(shí)間短，所獲得的實(shí)際數(shù)據(jù)不充足；且該項(xiàng)技術(shù)受地域影響大，個(gè)別地區(qū)的研究及實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)不具通用性。因此，各地區(qū)政府大力宣傳并鼓勵(lì)建立更多的示范工程，是推動(dòng)該項(xiàng)技術(shù)快速發(fā)展的重要因素之一。
國內(nèi)外對太陽能季節(jié)性土壤蓄熱技術(shù)的研究，主要集中在地下?lián)Q熱器的形式，地下?lián)Q熱器傳熱模型，埋管布置方式，土壤特性對傳熱的影響及運(yùn)行模式等幾個(gè)方面，以往的研究多數(shù)只研究地下埋管傳熱，而缺乏對跨季節(jié)蓄熱式供熱系統(tǒng)的整體研究及長期研究，整體研究包括運(yùn)行模式的選擇及控制研究，關(guān)鍵設(shè)備（如太陽能集熱器、埋管換熱器、熱泵及末端裝置）的匹配研究和工作條件對系統(tǒng)運(yùn)行特性的影響研究等。系統(tǒng)的整體運(yùn)行優(yōu)化是提高系統(tǒng)運(yùn)行性能的關(guān)鍵。長期研究是指在系統(tǒng)壽命年限內(nèi)，對其進(jìn)行的連續(xù)動(dòng)態(tài)模擬研究，如系統(tǒng)連續(xù)運(yùn)行10年、20年、30年后的運(yùn)行狀況，依據(jù)模擬結(jié)果，為系統(tǒng)的可持續(xù)性應(yīng)用提供理論依據(jù)。
　　4 結(jié)語
太陽能季節(jié)性土壤蓄熱技術(shù)，突破了太陽能利用的不穩(wěn)定性及季節(jié)相反性的局限，擴(kuò)大了太陽能的利用范圍。該項(xiàng)技術(shù)在我國的快速發(fā)展不僅需要研究者的積極努力，還需要政府的大力支持。
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