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摘要：太陽(yang)(yang)能(neng)跨季節儲熱(re)技(ji)術(shu)是實現(xian)建筑(zhu)節能(neng)效益的關鍵手段(duan)，可解決太陽(yang)(yang)能(neng)在時間(jian)和空間(jian)上供(gong)需不平衡的問(wen)題。綜述了(le)太陽(yang)(yang)能(neng)跨季節儲熱(re)技(ji)術(shu)的研究現(xian)狀與(yu)應用進(jin)展(zhan)，重點(dian)探討了(le)太陽(yang)(yang)能(neng)集熱(re)器(qi)及(ji)3種主要儲熱(re)技(ji)術(shu)的優勢、瓶頸與(yu)未來研究方向。

研究結果表明：太(tai)陽能集熱(re)器在降低熱(re)損(sun)失、優(you)化結構和(he)布(bu)置方面仍面臨挑(tiao)戰；儲熱(re)技術(shu)則需解決占地面積、材(cai)料穩定性、可控性、成本和(he)結構復(fu)雜性等(deng)方面的(de)問題。

引言：本文基(ji)于太陽能(neng)跨(kua)季(ji)(ji)節儲熱研究現狀及(ji)(ji)國內外示范性項目(mu)，梳理(li)該技(ji)術(shu)(shu)的研究現狀、進(jin)展及(ji)(ji)瓶(ping)頸，并對該技(ji)術(shu)(shu)的未來發展方向進(jin)行展望(wang)，旨在為太陽能(neng)跨(kua)季(ji)(ji)節儲熱技(ji)術(shu)(shu)的進(jin)一步應用提供(gong)理(li)論支撐。

1.太陽能跨季節儲熱技術

太陽(yang)能跨季節儲(chu)熱(re)系統一般由太陽(yang)能集(ji)熱(re)器、儲(chu)熱(re)設備、控制系統、輔助熱(re)源，以(yi)及用戶端組成，其結構(gou)示(shi)(shi)意(yi)圖(tu)如圖(tu)1所(suo)示(shi)(shi)。

1.1工作原理

太(tai)陽(yang)能跨(kua)季(ji)節(jie)儲熱系統的工作(zuo)原(yuan)理為：太(tai)陽(yang)能集(ji)(ji)熱器在夏季(ji)收集(ji)(ji)太(tai)陽(yang)輻射并(bing)轉(zhuan)化成熱能，然后通過(guo)儲熱介(jie)質將熱能輸送(song)到儲熱設備中，并(bing)實現持續循環，儲熱過(guo)程(cheng)可達3～4個月。冬季(ji)，當儲熱量不足以滿足用戶供暖需求時，控制系統將啟動(dong)輔助熱源進(jin)行熱量補(bu)充。

根(gen)據技(ji)(ji)術(shu)類型不同，太(tai)陽能跨季節儲(chu)熱技(ji)(ji)術(shu)可分為：顯熱儲(chu)熱技(ji)(ji)術(shu)、潛熱儲(chu)熱技(ji)(ji)術(shu)、熱化學儲(chu)熱技(ji)(ji)術(shu)。顯熱儲(chu)熱技(ji)(ji)術(shu)的(de)工作原理簡單，較(jiao)為成熟，是目前應用(yong)最(zui)為廣(guang)泛的(de)太(tai)陽能跨季節儲(chu)熱技(ji)(ji)術(shu)。相比(bi)之下(xia)，潛熱儲(chu)熱技(ji)(ji)術(shu)和熱化學儲(chu)熱技(ji)(ji)術(shu)仍處于發展階(jie)段，尚未成熟。

1.2太陽能集熱器

太(tai)(tai)陽(yang)能集(ji)(ji)(ji)熱(re)器(qi)(qi)(qi)作(zuo)為集(ji)(ji)(ji)熱(re)系統(tong)的核心部件，其集(ji)(ji)(ji)熱(re)效率(lv)直接影(ying)響太(tai)(tai)陽(yang)能跨季節儲熱(re)系統(tong)的儲熱(re)效率(lv)。根據聚(ju)光(guang)形式，可將太(tai)(tai)陽(yang)能集(ji)(ji)(ji)熱(re)器(qi)(qi)(qi)分為非聚(ju)光(guang)型(包(bao)括：平(ping)板(ban)太(tai)(tai)陽(yang)能集(ji)(ji)(ji)熱(re)器(qi)(qi)(qi)和(he)真空管太(tai)(tai)陽(yang)能集(ji)(ji)(ji)熱(re)器(qi)(qi)(qi))和(he)聚(ju)光(guang)型(包(bao)括：塔式太(tai)(tai)陽(yang)能集(ji)(ji)(ji)熱(re)器(qi)(qi)(qi))。

當太(tai)(tai)陽(yang)(yang)(yang)光直射在非聚光型集(ji)熱器上(shang)時(shi)，集(ji)熱器吸(xi)收太(tai)(tai)陽(yang)(yang)(yang)輻射能(neng)(neng)并(bing)轉(zhuan)化為熱能(neng)(neng)，然后利用工(gong)質(zhi)部分存儲熱能(neng)(neng)；聚光型集(ji)熱器通過定日鏡場追(zhui)蹤太(tai)(tai)陽(yang)(yang)(yang)方位并(bing)將太(tai)(tai)陽(yang)(yang)(yang)光反射至(zhi)高(gao)塔集(ji)熱處。3種太(tai)(tai)陽(yang)(yang)(yang)能(neng)(neng)集(ji)熱器的對(dui)比如表(biao)1所示。

2.顯熱儲熱技術

目前(qian)，國內外太(tai)陽能跨季節儲(chu)熱(re)(re)(re)技術的應用形式(shi)(shi)以(yi)顯(xian)熱(re)(re)(re)儲(chu)熱(re)(re)(re)技術為(wei)主，例如(ru)(ru)：作為(wei)全球首個大規模高溫(wen)坑儲(chu)熱(re)(re)(re)項目的瑞士Lyckebo項目、丹(dan)麥Marsta項目涵蓋世界(jie)上最(zui)大的太(tai)陽能供熱(re)(re)(re)廠之(zhi)一、位于中國西藏地區仲(zhong)巴縣的大型太(tai)陽能儲(chu)熱(re)(re)(re)供暖工程等。常見的顯(xian)熱(re)(re)(re)儲(chu)熱(re)(re)(re)方(fang)式(shi)(shi)包括：水(shui)(shui)儲(chu)熱(re)(re)(re)、礫石-水(shui)(shui)儲(chu)熱(re)(re)(re)、地埋管儲(chu)熱(re)(re)(re)和(he)(he)地下含(han)水(shui)(shui)層儲(chu)熱(re)(re)(re)，其(qi)結構示(shi)意(yi)圖如(ru)(ru)圖2所(suo)(suo)示(shi)，優缺(que)點(dian)對(dui)比如(ru)(ru)表(biao)2所(suo)(suo)示(shi)，本文針對(dui)水(shui)(shui)儲(chu)熱(re)(re)(re)和(he)(he)地埋管儲(chu)熱(re)(re)(re)這(zhe)兩(liang)種儲(chu)熱(re)(re)(re)方(fang)式(shi)(shi)進行分析(xi)。

由表(biao)2可知：在選擇顯(xian)熱(re)儲(chu)(chu)熱(re)方式時，除(chu)了(le)要考(kao)慮(lv)造(zao)價外，還要考(kao)慮(lv)當地的(de)地質和(he)水文條(tiao)件。建議(yi)選用合適的(de)儲(chu)(chu)熱(re)方式或多(duo)種儲(chu)(chu)熱(re)方式耦合的(de)儲(chu)(chu)熱(re)系統，以實現最佳的(de)儲(chu)(chu)熱(re)效(xiao)果和(he)經(jing)濟效(xiao)益。

2.1水儲熱

水(shui)儲(chu)熱(re)(re)具(ju)有運(yun)行費用低、安全穩定、熱(re)(re)效率高等優點，但也存在儲(chu)熱(re)(re)體積大、占(zhan)(zhan)地(di)空(kong)間大等缺點。因(yin)此，在減(jian)少占(zhan)(zhan)地(di)面(mian)積的前提(ti)下，提(ti)高儲(chu)熱(re)(re)量、減(jian)少熱(re)(re)損失是(shi)水(shui)儲(chu)熱(re)(re)的主要發展(zhan)方向。

水的儲(chu)(chu)(chu)熱密度高達60～80 kWh/m3，是良好的儲(chu)(chu)(chu)熱介質(zhi)，水儲(chu)(chu)(chu)熱方式下，儲(chu)(chu)(chu)水裝置一般設置在地(di)下，其示意(yi)圖如(ru)圖3所示。

夏季(ji)時(shi)，儲(chu)熱(re)(re)(re)水(shui)箱(xiang)(xiang)底部的低溫(wen)水(shui)經(jing)太陽能集熱(re)(re)(re)器加(jia)熱(re)(re)(re)后存儲(chu)在儲(chu)熱(re)(re)(re)水(shui)箱(xiang)(xiang)中；冬季(ji)時(shi)，若儲(chu)熱(re)(re)(re)水(shui)箱(xiang)(xiang)的熱(re)(re)(re)量不足以滿(man)足需求，控制系(xi)統將(jiang)啟動輔助熱(re)(re)(re)源供熱(re)(re)(re)，一般為電加(jia)熱(re)(re)(re)或燃氣加(jia)熱(re)(re)(re)。

2.1.1儲(chu)熱(re)能力研究

在水(shui)儲(chu)(chu)熱(re)方式下，當(dang)水(shui)受熱(re)密度變(bian)小時(shi)，由于受熱(re)浮力(li)作用，儲(chu)(chu)熱(re)水(shui)箱(xiang)頂部(bu)的水(shui)體(ti)溫度高于底(di)部(bu)，因此會在水(shui)體(ti)中間部(bu)位形成溫躍層。

國(guo)外的(de)(de)研(yan)究(jiu)(jiu)集中(zhong)于(yu)(yu)采用(yong)(yong)大型儲(chu)(chu)熱(re)(re)(re)(re)(re)(re)(re)水(shui)(shui)(shui)(shui)(shui)(shui)箱(xiang)的(de)(de)區域(yu)供(gong)熱(re)(re)(re)(re)(re)(re)(re)系統(tong)，Pilotelli等(deng)(deng)設計了(le)新(xin)型的(de)(de)儲(chu)(chu)熱(re)(re)(re)(re)(re)(re)(re)水(shui)(shui)(shui)(shui)(shui)(shui)箱(xiang)內部(bu)流(liu)(liu)場分(fen)布(bu)結(jie)構，在(zai)這種(zhong)結(jie)構中(zhong)，水(shui)(shui)(shui)(shui)(shui)(shui)通(tong)過外圍的(de)(de)環形(xing)支管小孔向內/外流(liu)(liu)動，減弱了(le)垂直(zhi)流(liu)(liu)動，從(cong)而減少了(le)冷熱(re)(re)(re)(re)(re)(re)(re)水(shui)(shui)(shui)(shui)(shui)(shui)之間(jian)的(de)(de)混(hun)合。經(jing)過實驗和計算流(liu)(liu)體動力學(CFD)模擬分(fen)析發現：儲(chu)(chu)熱(re)(re)(re)(re)(re)(re)(re)水(shui)(shui)(shui)(shui)(shui)(shui)箱(xiang)內形(xing)成的(de)(de)溫躍層(ceng)幾(ji)乎不隨(sui)時間(jian)變化，分(fen)層(ceng)效率顯(xian)著提高(gao)。國(guo)內的(de)(de)研(yan)究(jiu)(jiu)集中(zhong)于(yu)(yu)儲(chu)(chu)熱(re)(re)(re)(re)(re)(re)(re)水(shui)(shui)(shui)(shui)(shui)(shui)箱(xiang)的(de)(de)進口結(jie)構和內部(bu)結(jie)構。黃華杰等(deng)(deng)設計了(le)1種(zhong)新(xin)型均(jun)流(liu)(liu)器，并利用(yong)(yong)ANSYS軟件建立數學模型，研(yan)究(jiu)(jiu)結(jie)果(guo)表(biao)明：該均(jun)流(liu)(liu)器對(dui)儲(chu)(chu)熱(re)(re)(re)(re)(re)(re)(re)水(shui)(shui)(shui)(shui)(shui)(shui)箱(xiang)進水(shui)(shui)(shui)(shui)(shui)(shui)水(shui)(shui)(shui)(shui)(shui)(shui)流(liu)(liu)具有抑流(liu)(liu)作用(yong)(yong)，能夠降低(di)進口流(liu)(liu)速，減弱冷熱(re)(re)(re)(re)(re)(re)(re)水(shui)(shui)(shui)(shui)(shui)(shui)混(hun)合，提高(gao)分(fen)層(ceng)效率。方桂花等(deng)(deng)針對(dui)基于(yu)(yu)蓄(xu)熱(re)(re)(re)(re)(re)(re)(re)球的(de)(de)相(xiang)變儲(chu)(chu)熱(re)(re)(re)(re)(re)(re)(re)水(shui)(shui)(shui)(shui)(shui)(shui)箱(xiang)，設計了(le)均(jun)孔板(ban)和蓄(xu)熱(re)(re)(re)(re)(re)(re)(re)球隔層(ceng)，研(yan)究(jiu)(jiu)結(jie)果(guo)表(biao)明：在(zai)放熱(re)(re)(re)(re)(re)(re)(re)工況下，儲(chu)(chu)熱(re)(re)(re)(re)(re)(re)(re)水(shui)(shui)(shui)(shui)(shui)(shui)箱(xiang)具有良(liang)好的(de)(de)分(fen)層(ceng)效果(guo)，儲(chu)(chu)熱(re)(re)(re)(re)(re)(re)(re)水(shui)(shui)(shui)(shui)(shui)(shui)箱(xiang)的(de)(de)儲(chu)(chu)熱(re)(re)(re)(re)(re)(re)(re)能力得(de)到顯(xian)著提高(gao)。

由此可(ke)見，從提(ti)高分層效率的角度出發，改變(bian)水儲(chu)(chu)熱(re)(re)方(fang)式下儲(chu)(chu)熱(re)(re)裝置中的流(liu)場分布、改用新型均(jun)流(liu)器(qi)和增加儲(chu)(chu)熱(re)(re)隔層均(jun)能提(ti)升儲(chu)(chu)熱(re)(re)能力(li)。

2.1.2熱損(sun)失研究(jiu)

針對水(shui)儲熱(re)方式下的熱(re)損(sun)失(shi)研究主要(yao)集中在儲熱(re)水(shui)箱中溫(wen)躍層(ceng)(ceng)分層(ceng)(ceng)結構和保(bao)溫(wen)材料。溫(wen)躍層(ceng)(ceng)能防止冷(leng)熱(re)水(shui)混(hun)合(he)，因(yin)此，保(bao)持溫(wen)躍層(ceng)(ceng)分層(ceng)(ceng)域溫(wen)度梯(ti)度上下分層(ceng)(ceng)間的距(ju)離較小，可(ke)減(jian)少(shao)冷(leng)熱(re)水(shui)混(hun)合(he)，從而減(jian)少(shao)水(shui)體的熱(re)損(sun)失(shi)。

Li等(deng)(deng)通過實驗和(he)仿(fang)真兩種方(fang)法，分(fen)(fen)(fen)析了(le)不同控制策略對(dui)非(fei)供暖季(ji)(ji)水(shui)(shui)儲(chu)(chu)熱(re)(re)(re)(re)(re)(re)系統性能(neng)(neng)的(de)(de)(de)(de)影(ying)(ying)響(xiang)(xiang)，研究(jiu)結果表(biao)明：在儲(chu)(chu)熱(re)(re)(re)(re)(re)(re)季(ji)(ji)末尾，儲(chu)(chu)熱(re)(re)(re)(re)(re)(re)水(shui)(shui)池進出(chu)水(shui)(shui)口位(wei)置(zhi)和(he)形狀等(deng)(deng)因(yin)素(su)會影(ying)(ying)響(xiang)(xiang)溫(wen)度分(fen)(fen)(fen)層，進而降低(di)儲(chu)(chu)熱(re)(re)(re)(re)(re)(re)效率。Kur?un研究(jiu)了(le)圓柱形和(he)矩形儲(chu)(chu)熱(re)(re)(re)(re)(re)(re)水(shui)(shui)箱(xiang)的(de)(de)(de)(de)溫(wen)度梯度分(fen)(fen)(fen)層情況，發(fa)現儲(chu)(chu)熱(re)(re)(re)(re)(re)(re)水(shui)(shui)箱(xiang)內(nei)部(bu)(bu)(bu)幾何(he)結構為(wei)(wei)倒置(zhi)圓臺和(he)倒置(zhi)金字(zi)塔形會增加水(shui)(shui)箱(xiang)內(nei)的(de)(de)(de)(de)溫(wen)度梯度分(fen)(fen)(fen)層。王燁等(deng)(deng)對(dui)有隔板(ban)的(de)(de)(de)(de)儲(chu)(chu)熱(re)(re)(re)(re)(re)(re)水(shui)(shui)箱(xiang)中隔板(ban)開孔大(da)(da)小和(he)位(wei)置(zhi)進行了(le)對(dui)比(bi)分(fen)(fen)(fen)析，分(fen)(fen)(fen)析結果表(biao)明：相同工況下(xia)，當僅(jin)在隔板(ban)上開1個孔時(shi)，位(wei)于隔板(ban)中心的(de)(de)(de)(de)分(fen)(fen)(fen)層效果最佳；而當開多個孔時(shi)，開孔位(wei)置(zhi)不再是(shi)影(ying)(ying)響(xiang)(xiang)分(fen)(fen)(fen)層的(de)(de)(de)(de)主(zhu)要因(yin)素(su)，但對(dui)儲(chu)(chu)熱(re)(re)(re)(re)(re)(re)量(liang)仍有較大(da)(da)影(ying)(ying)響(xiang)(xiang)。為(wei)(wei)進一步(bu)探究(jiu)影(ying)(ying)響(xiang)(xiang)熱(re)(re)(re)(re)(re)(re)損(sun)(sun)失的(de)(de)(de)(de)因(yin)素(su)，Bai等(deng)(deng)以(yi)中國(guo)某容積為(wei)(wei)3000m3的(de)(de)(de)(de)地下(xia)儲(chu)(chu)水(shui)(shui)池為(wei)(wei)研究(jiu)對(dui)象，研究(jiu)結果表(biao)明：儲(chu)(chu)水(shui)(shui)池的(de)(de)(de)(de)側壁、頂部(bu)(bu)(bu)、底部(bu)(bu)(bu)損(sun)(sun)失熱(re)(re)(re)(re)(re)(re)量(liang)占比(bi)分(fen)(fen)(fen)別(bie)為(wei)(wei)57%、30%、13%。儲(chu)(chu)熱(re)(re)(re)(re)(re)(re)水(shui)(shui)體溫(wen)度分(fen)(fen)(fen)層是(shi)影(ying)(ying)響(xiang)(xiang)熱(re)(re)(re)(re)(re)(re)損(sun)(sun)失的(de)(de)(de)(de)內(nei)部(bu)(bu)(bu)因(yin)素(su)，而水(shui)(shui)體保溫(wen)材料則是(shi)影(ying)(ying)響(xiang)(xiang)熱(re)(re)(re)(re)(re)(re)損(sun)(sun)失的(de)(de)(de)(de)外(wai)部(bu)(bu)(bu)因(yin)素(su)。因(yin)此，使用新型保溫(wen)材料和(he)施工方(fang)案來減少熱(re)(re)(re)(re)(re)(re)損(sun)(sun)失，對(dui)推動水(shui)(shui)儲(chu)(chu)熱(re)(re)(re)(re)(re)(re)技術(shu)和(he)太陽能(neng)(neng)跨季(ji)(ji)節儲(chu)(chu)熱(re)(re)(re)(re)(re)(re)技術(shu)的(de)(de)(de)(de)市場化具有重要作用。國(guo)內(nei)外(wai)的(de)(de)(de)(de)水(shui)(shui)儲(chu)(chu)熱(re)(re)(re)(re)(re)(re)工程(cheng)案例如表(biao)3所示。

2.2地埋管儲熱

地埋管(guan)(guan)儲熱(re)(re)方式是將(jiang)換(huan)熱(re)(re)管(guan)(guan)水(shui)平或垂直埋于土(tu)壤中進行(xing)儲熱(re)(re)，垂直換(huan)熱(re)(re)管(guan)(guan)一般采用(yong)單U型或雙(shuang)U型換(huan)熱(re)(re)器，換(huan)熱(re)(re)管(guan)(guan)間(jian)距在2.5～5.0m之間(jian)，如圖(tu)4所(suo)示。在夏(xia)季(ji)時，利用(yong)水(shui)、石墨烯(xi)、石蠟、納(na)米顆粒等介(jie)質將(jiang)太陽能(neng)集熱(re)(re)器收集的熱(re)(re)量(liang)輸(shu)送至地下，進行(xing)存儲；在冬季(ji)時，從地下取(qu)出熱(re)(re)量(liang)，以地熱(re)(re)方式供暖。

2.2.1儲熱性(xing)能(neng)研究

目前，地(di)(di)埋(mai)管儲(chu)(chu)熱方式(shi)的(de)重要研究課題是減少占地(di)(di)面積(ji)的(de)同時提高儲(chu)(chu)熱能力，而國內(nei)外學者(zhe)通常是以數(shu)值模擬的(de)方法來進行分(fen)析，研究方向集中(zhong)于單位面積(ji)內(nei)地(di)(di)埋(mai)管的(de)儲(chu)(chu)熱性能。

Rad等(deng)基(ji)于已有工程，運用TRNSYS軟件設計了1種(zhong)與直(zhi)接激光太陽能充(chong)電(dian)技(ji)術(DLSC)類似(si)地埋管的(de)(de)供(gong)熱(re)系(xi)統(tong)，并(bing)與DLSC進行比(bi)(bi)較(jiao)發現(xian)：該供(gong)熱(re)系(xi)統(tong)的(de)(de)鉆孔面積(ji)比(bi)(bi)DLSC系(xi)統(tong)的(de)(de)減(jian)少了38%，太陽能集熱(re)器的(de)(de)集熱(re)面積(ji)減(jian)少了25%，初投資(zi)降低了19%。

國(guo)內對于地(di)埋管(guan)儲熱(re)(re)(re)方式下的(de)供熱(re)(re)(re)研(yan)究多與(yu)熱(re)(re)(re)泵相結(jie)(jie)合。鄒行等利用數值模擬(ni)，分析了(le)(le)地(di)埋管(guan)、土壤熱(re)(re)(re)平衡和(he)熱(re)(re)(re)泵機組之間的(de)影(ying)響(xiang)規(gui)律，研(yan)究結(jie)(jie)果表(biao)明：制熱(re)(re)(re)工況(kuang)下，當(dang)土壤水飽(bao)和(he)度從12%提(ti)升至100%時，地(di)埋管(guan)換(huan)熱(re)(re)(re)量增加了(le)(le)24%，單位面積換(huan)熱(re)(re)(re)量提(ti)高(gao)了(le)(le)39%。劉艷(yan)峰(feng)等利用TRNSYS仿真程序建立子分區(qu)串并(bing)聯(lian)式太(tai)陽能(neng)(neng)輔助地(di)源(yuan)熱(re)(re)(re)泵系統(SAGSHP)的(de)物理模型，并(bing)對其進(jin)行了(le)(le)性能(neng)(neng)分析，研(yan)究結(jie)(jie)果表(biao)明：當(dang)串聯(lian)區(qu)與(yu)并(bing)聯(lian)區(qu)面積比(bi)為1:4、儲熱(re)(re)(re)量為3:2時，SAGSHP達到(dao)最佳供熱(re)(re)(re)性能(neng)(neng)，與(yu)傳(chuan)統串聯(lian)系統相比(bi)，性能(neng)(neng)提(ti)高(gao)了(le)(le)18.1%。

2.2.2儲熱效率研(yan)究

在技術方面，現階段的(de)研究集中在采用新(xin)型的(de)組合形式來提(ti)高地(di)埋管的(de)儲熱效率(lv)。

Catolico等(deng)基(ji)于DLSC地埋(mai)管群建立(li)了(le)3D數值(zhi)模型，并(bing)與根據DLSC實驗數據建立(li)的(de)模型進行比(bi)較，結(jie)果表明：地埋(mai)管儲(chu)(chu)(chu)熱(re)(re)系統熱(re)(re)提(ti)取率隨(sui)著(zhu)土(tu)壤(rang)導熱(re)(re)系數的(de)降低而增大。郭占(zhan)全等(deng)對(dui)粘土(tu)、沙土(tu)、褐土(tu)和花崗巖4種土(tu)壤(rang)的(de)儲(chu)(chu)(chu)熱(re)(re)效果進行了(le)對(dui)比(bi)(如圖(tu)5所示)，發(fa)現褐土(tu)的(de)儲(chu)(chu)(chu)熱(re)(re)能(neng)力最強。李偉等(deng)對(dui)粘土(tu)、沙土(tu)、砂巖的(de)儲(chu)(chu)(chu)熱(re)(re)能(neng)力進行對(dui)比(bi)，發(fa)現粘土(tu)的(de)比(bi)熱(re)(re)容(rong)最高，是長期(qi)儲(chu)(chu)(chu)熱(re)(re)的(de)最佳介質。

為(wei)了(le)進(jin)(jin)一步研究(jiu)影響地(di)(di)埋(mai)管(guan)(guan)儲熱效率(lv)(lv)的(de)因(yin)素，Zhang等(deng)對用于溫室(shi)供暖的(de)地(di)(di)埋(mai)管(guan)(guan)儲熱系統進(jin)(jin)行了(le)研究(jiu)，研究(jiu)結果(guo)表(biao)明：在(zai)(zai)合理的(de)地(di)(di)質條件范圍(wei)內，拋開經濟因(yin)素，地(di)(di)埋(mai)管(guan)(guan)埋(mai)藏深度(du)越(yue)深，儲熱效率(lv)(lv)越(yue)高。胡嬋月對垂直地(di)(di)埋(mai)管(guan)(guan)間距(ju)為(wei)3、4、5、6 m情況下(xia)的(de)土(tu)壤(rang)儲熱量(liang)進(jin)(jin)行了(le)對比，結果(guo)表(biao)明：隨著地(di)(di)埋(mai)管(guan)(guan)間距(ju)的(de)增加(jia)，土(tu)壤(rang)儲熱量(liang)逐漸增加(jia)，但儲熱量(liang)增長率(lv)(lv)逐漸降(jiang)低，同時也(ye)導致占地(di)(di)面積增加(jia)。因(yin)此，為(wei)提高儲熱效率(lv)(lv)，在(zai)(zai)選(xuan)擇埋(mai)管(guan)(guan)深度(du)與間距(ju)時，應(ying)考(kao)慮經濟性、占地(di)(di)面積等(deng)因(yin)素。

國內外通過(guo)對土壤物性參數、埋管深度與間距等(deng)方(fang)(fang)面的研究，證明影(ying)響儲(chu)(chu)熱(re)系(xi)統(tong)儲(chu)(chu)熱(re)效率的因素是多方(fang)(fang)面的，僅通過(guo)改(gai)變單一因素來降低(di)(di)熱(re)損失的做法性價比過(guo)低(di)(di)。市(shi)場化背(bei)景下，應在考慮經(jing)濟性前提下，綜(zong)合改(gai)變以上影(ying)響因素來降低(di)(di)熱(re)損失，從而(er)提高(gao)儲(chu)(chu)熱(re)效率。

國(guo)內外(wai)地埋(mai)管儲熱工程案例(li)如表4所示。

3.潛熱儲熱技術

潛熱(re)(re)(re)儲熱(re)(re)(re)技術是利用相(xiang)變(bian)材(cai)料發生相(xiang)變(bian)時吸(xi)收或釋放熱(re)(re)(re)量來實現(xian)儲熱(re)(re)(re)。在(zai)夏(xia)季，儲熱(re)(re)(re)系統吸(xi)收太陽能并轉化為熱(re)(re)(re)能，輸送到儲熱(re)(re)(re)設備(bei)中，由相(xiang)變(bian)材(cai)料發生相(xiang)變(bian)進行熱(re)(re)(re)能儲存(cun)；當需(xu)要供熱(re)(re)(re)時，釋放存(cun)儲的熱(re)(re)(re)量提供熱(re)(re)(re)能，如圖(tu)6所示。

潛熱(re)(re)儲(chu)熱(re)(re)技術具有(you)熱(re)(re)密度大、溫度波(bo)動(dong)小、穩定(ding)性好等優(you)點，其(qi)儲(chu)熱(re)(re)設(she)備(bei)體積(ji)小、結(jie)構(gou)緊(jin)湊(cou)，其(qi)系(xi)統設(she)計(ji)可分為主(zhu)動(dong)式(shi)和被(bei)動(dong)式(shi)兩類，主(zhu)動(dong)式(shi)潛熱(re)(re)儲(chu)熱(re)(re)系(xi)統依賴外部動(dong)力驅動(dong)傳(chuan)熱(re)(re)流體與多種相變材料(liao)(PCM)交換熱(re)(re)量(liang)，被(bei)動(dong)式(shi)潛熱(re)(re)儲(chu)熱(re)(re)系(xi)統依賴導(dao)熱(re)(re)、自然對流或輻射交換熱(re)(re)量(liang)。相變材料(liao)常見的相態主(zhu)要有(you)固(gu)-液(ye)(ye)、固(gu)-固(gu)和液(ye)(ye)-氣(qi)。固(gu)-液(ye)(ye)通過(guo)熔化(hua)、凝固(gu)進(jin)行(xing)儲(chu)、放(fang)熱(re)(re)；固(gu)-固(gu)通過(guo)晶體結(jie)構(gou)轉變(有(you)序(xu)-無序(xu))進(jin)行(xing)儲(chu)、放(fang)熱(re)(re)；液(ye)(ye)-氣(qi)通過(guo)氣(qi)液(ye)(ye)轉換時吸收、釋放(fang)熱(re)(re)量(liang)進(jin)行(xing)儲(chu)、放(fang)熱(re)(re)。潛熱(re)(re)儲(chu)熱(re)(re)技術被(bei)廣(guang)泛運(yun)用于建(jian)筑節能(neng)中，常與建(jian)筑材料(liao)混合或獨立使用。

對于大規模(mo)潛熱儲(chu)(chu)(chu)熱，采用(yong)主動(dong)式潛熱儲(chu)(chu)(chu)熱系(xi)統(tong)更為合適(shi)(shi)，被動(dong)式儲(chu)(chu)(chu)熱系(xi)統(tong)不適(shi)(shi)用(yong)，因此(ci)，在太陽能跨季節(jie)儲(chu)(chu)(chu)熱項目中應用(yong)并不常(chang)見。國(guo)內外(wai)潛熱儲(chu)(chu)(chu)熱工程案例如(ru)表(biao)5所示。

在國外研究(jiu)中，文(wen)獻采(cai)用(yong)石(shi)蠟為(wei)(wei)相變(bian)材(cai)料，潛熱儲(chu)熱系(xi)統總(zong)儲(chu)熱效率可(ke)(ke)(ke)達(da)40.4%；文(wen)獻在土耳其的(de)Trabzon地(di)區建立(li)了以(yi)材(cai)料重(zhong)量為(wei)(wei)1090 kg的(de)CaCl??6H?O作為(wei)(wei)相變(bian)材(cai)料的(de)太(tai)陽能熱泵系(xi)統，該(gai)系(xi)統可(ke)(ke)(ke)為(wei)(wei)占(zhan)地(di)面積75m2的(de)實驗(yan)室(shi)供(gong)暖；法國PEGASE研究(jiu)計(ji)劃(hua)采(cai)用(yong)CaCl??6H?O為(wei)(wei)相變(bian)材(cai)料，可(ke)(ke)(ke)提供(gong)冬(dong)季所需熱量的(de)75%。

國內也(ye)有相(xiang)(xiang)(xiang)關研究(jiu)，文獻采用(yong)(yong)低溫(wen)Na?S2O??5H?O和高(gao)溫(wen)NaCH?COO?3H?O作(zuo)為(wei)(wei)相(xiang)(xiang)(xiang)變(bian)材(cai)料(liao)，研究(jiu)結果(guo)表(biao)明：5個(ge)相(xiang)(xiang)(xiang)變(bian)材(cai)料(liao)為(wei)(wei)1個(ge)模塊時，房間溫(wen)度波動相(xiang)(xiang)(xiang)對較(jiao)小。在供暖(nuan)階(jie)段相(xiang)(xiang)(xiang)同工況下高(gao)溫(wen)、高(gao)低溫(wen)、低溫(wen)模塊所需模塊數分別為(wei)(wei)87、35(低溫(wen))+50(高(gao)溫(wen))、82塊。文獻[40]采用(yong)(yong)材(cai)料(liao)容(rong)積(ji)為(wei)(wei)63.3m3的(de)(de)Na?SO??10H?O作(zuo)為(wei)(wei)儲(chu)(chu)(chu)熱(re)(re)材(cai)料(liao)，并與土(tu)(tu)壤儲(chu)(chu)(chu)熱(re)(re)和水儲(chu)(chu)(chu)熱(re)(re)進行對比，結果(guo)表(biao)明：相(xiang)(xiang)(xiang)同工況下，相(xiang)(xiang)(xiang)變(bian)儲(chu)(chu)(chu)熱(re)(re)技(ji)(ji)術(shu)(shu)(shu)的(de)(de)費用(yong)(yong)為(wei)(wei)土(tu)(tu)壤儲(chu)(chu)(chu)熱(re)(re)技(ji)(ji)術(shu)(shu)(shu)的(de)(de)4.2倍，水儲(chu)(chu)(chu)熱(re)(re)為(wei)(wei)土(tu)(tu)壤儲(chu)(chu)(chu)熱(re)(re)技(ji)(ji)術(shu)(shu)(shu)的(de)(de)7.2倍，雖然土(tu)(tu)壤儲(chu)(chu)(chu)熱(re)(re)經濟性強，但綜合考慮下，相(xiang)(xiang)(xiang)變(bian)材(cai)料(liao)儲(chu)(chu)(chu)熱(re)(re)技(ji)(ji)術(shu)(shu)(shu)是最(zui)具潛力的(de)(de)儲(chu)(chu)(chu)熱(re)(re)方(fang)式。然而，相(xiang)(xiang)(xiang)變(bian)儲(chu)(chu)(chu)熱(re)(re)技(ji)(ji)術(shu)(shu)(shu)也(ye)存在可控性低、能源應用(yong)(yong)率(lv)低、系統控制(zhi)復雜、材(cai)料(liao)不穩定等缺點，這使(shi)其只(zhi)適(shi)用(yong)(yong)于短期儲(chu)(chu)(chu)熱(re)(re)。

4.熱化學儲熱技術

熱(re)(re)(re)化(hua)學(xue)(xue)(xue)儲(chu)熱(re)(re)(re)技(ji)術是利用化(hua)學(xue)(xue)(xue)材料(liao)的(de)熱(re)(re)(re)效應進行熱(re)(re)(re)量(liang)存儲(chu)，吸熱(re)(re)(re)反應器從太(tai)陽(yang)光(guang)中吸收熱(re)(re)(re)量(liang)，經(jing)熱(re)(re)(re)交(jiao)換(huan)器輸送到熱(re)(re)(re)化(hua)學(xue)(xue)(xue)反應床，存儲(chu)熱(re)(re)(re)能(neng)；當(dang)需要熱(re)(re)(re)量(liang)時，通過(guo)觸(chu)發化(hua)學(xue)(xue)(xue)反應釋能(neng)，由放熱(re)(re)(re)反應器提供給蒸汽循環(huan)系統，實現熱(re)(re)(re)能(neng)利用，其(qi)工作(zuo)原理示(shi)意圖(tu)如圖(tu)7所示(shi)。

通常，熱(re)(re)(re)(re)化(hua)(hua)學(xue)(xue)儲(chu)(chu)熱(re)(re)(re)(re)技(ji)術(shu)的(de)儲(chu)(chu)熱(re)(re)(re)(re)形式主要有化(hua)(hua)學(xue)(xue)鍵、化(hua)(hua)學(xue)(xue)吸附、氧化(hua)(hua)還原(yuan)反(fan)應(ying)、可逆化(hua)(hua)學(xue)(xue)反(fan)應(ying)等(deng)。熱(re)(re)(re)(re)化(hua)(hua)學(xue)(xue)儲(chu)(chu)熱(re)(re)(re)(re)技(ji)術(shu)的(de)儲(chu)(chu)能密(mi)度是顯(xian)熱(re)(re)(re)(re)儲(chu)(chu)熱(re)(re)(re)(re)技(ji)術(shu)的(de)8～10倍，且與顯(xian)熱(re)(re)(re)(re)儲(chu)(chu)熱(re)(re)(re)(re)技(ji)術(shu)相比，還具有儲(chu)(chu)熱(re)(re)(re)(re)、釋熱(re)(re)(re)(re)速度快、溫(wen)度波動小(xiao)、設備(bei)壽命長等(deng)特點。由于熱(re)(re)(re)(re)化(hua)(hua)學(xue)(xue)儲(chu)(chu)熱(re)(re)(re)(re)技(ji)術(shu)在接近環境溫(wen)度時可實現(xian)無熱(re)(re)(re)(re)損，且化(hua)(hua)學(xue)(xue)吸附和反(fan)應(ying)溫(wen)區與太陽能熱(re)(re)(re)(re)利用溫(wen)區相吻合，使其具有很大(da)的(de)跨季(ji)節儲(chu)(chu)熱(re)(re)(re)(re)潛能。國內(nei)外熱(re)(re)(re)(re)化(hua)(hua)學(xue)(xue)儲(chu)(chu)熱(re)(re)(re)(re)工(gong)程案例如(ru)表6所示。Weber等(deng)在瑞士建立了以NaOH/H?O為儲(chu)(chu)熱(re)(re)(re)(re)材料(liao)的(de)熱(re)(re)(re)(re)化(hua)(hua)學(xue)(xue)儲(chu)(chu)熱(re)(re)(re)(re)系統研究(jiu)實驗，結果表

通常，熱(re)(re)(re)(re)化(hua)(hua)(hua)(hua)學(xue)(xue)(xue)儲(chu)熱(re)(re)(re)(re)技(ji)術(shu)的(de)儲(chu)熱(re)(re)(re)(re)形式(shi)主要有化(hua)(hua)(hua)(hua)學(xue)(xue)(xue)鍵、化(hua)(hua)(hua)(hua)學(xue)(xue)(xue)吸附、氧(yang)化(hua)(hua)(hua)(hua)還(huan)原反應、可逆化(hua)(hua)(hua)(hua)學(xue)(xue)(xue)反應等。熱(re)(re)(re)(re)化(hua)(hua)(hua)(hua)學(xue)(xue)(xue)儲(chu)熱(re)(re)(re)(re)技(ji)術(shu)的(de)儲(chu)能(neng)密度(du)是顯熱(re)(re)(re)(re)儲(chu)熱(re)(re)(re)(re)技(ji)術(shu)的(de)8～10倍，且與顯熱(re)(re)(re)(re)儲(chu)熱(re)(re)(re)(re)技(ji)術(shu)相(xiang)(xiang)比，還(huan)具(ju)有儲(chu)熱(re)(re)(re)(re)、釋熱(re)(re)(re)(re)速(su)度(du)快、溫(wen)度(du)波(bo)動小、設備壽命(ming)長(chang)等特(te)點。由于熱(re)(re)(re)(re)化(hua)(hua)(hua)(hua)學(xue)(xue)(xue)儲(chu)熱(re)(re)(re)(re)技(ji)術(shu)在(zai)接近(jin)環境溫(wen)度(du)時可實現(xian)無熱(re)(re)(re)(re)損，且化(hua)(hua)(hua)(hua)學(xue)(xue)(xue)吸附和反應溫(wen)區與太陽(yang)能(neng)熱(re)(re)(re)(re)利用溫(wen)區相(xiang)(xiang)吻(wen)合，使其具(ju)有很(hen)大的(de)跨(kua)季節儲(chu)熱(re)(re)(re)(re)潛能(neng)。

國內外熱(re)化(hua)學儲(chu)熱(re)工程案(an)例如表6所(suo)示(shi)。

Weber等(deng)在(zai)瑞士(shi)建立了(le)以NaOH/H?O為儲(chu)(chu)熱(re)(re)(re)(re)(re)材(cai)料(liao)的(de)(de)(de)熱(re)(re)(re)(re)(re)化(hua)(hua)學儲(chu)(chu)熱(re)(re)(re)(re)(re)系(xi)統(tong)(tong)(tong)研(yan)(yan)(yan)究實驗，結(jie)果(guo)表(biao)明：與水(shui)儲(chu)(chu)熱(re)(re)(re)(re)(re)系(xi)統(tong)(tong)(tong)相(xiang)比(bi)，該系(xi)統(tong)(tong)(tong)的(de)(de)(de)熱(re)(re)(re)(re)(re)容積比(bi)等(deng)容積水(shui)低溫(wen)加(jia)(jia)熱(re)(re)(re)(re)(re)時(shi)(shi)增(zeng)加(jia)(jia)6倍，生活熱(re)(re)(re)(re)(re)水(shui)供應量增(zeng)加(jia)(jia)了(le)3倍。Stitou等(deng)以BaCl?/NH?為儲(chu)(chu)熱(re)(re)(re)(re)(re)材(cai)料(liao)，采(cai)用(yong)20m2的(de)(de)(de)平板太(tai)(tai)陽(yang)能集熱(re)(re)(re)(re)(re)器為熱(re)(re)(re)(re)(re)化(hua)(hua)學儲(chu)(chu)熱(re)(re)(re)(re)(re)系(xi)統(tong)(tong)(tong)供能，結(jie)果(guo)表(biao)明：該系(xi)統(tong)(tong)(tong)可(ke)使(shi)太(tai)(tai)陽(yang)能的(de)(de)(de)能效比(bi)(COP)提升15%～23%。Kerskes等(deng)[43]以沸石4A/H?O為實驗材(cai)料(liao)，結(jie)果(guo)表(biao)明：在(zai)組合式儲(chu)(chu)熱(re)(re)(re)(re)(re)系(xi)統(tong)(tong)(tong)中，采(cai)用(yong)吸附式熱(re)(re)(re)(re)(re)化(hua)(hua)學儲(chu)(chu)熱(re)(re)(re)(re)(re)系(xi)統(tong)(tong)(tong)可(ke)使(shi)儲(chu)(chu)熱(re)(re)(re)(re)(re)體積或(huo)太(tai)(tai)陽(yang)能集熱(re)(re)(re)(re)(re)器面積顯著(zhu)減少(shao)。與國外相(xiang)比(bi)，中國熱(re)(re)(re)(re)(re)化(hua)(hua)學儲(chu)(chu)熱(re)(re)(re)(re)(re)的(de)(de)(de)研(yan)(yan)(yan)究起步較晚(wan)。尋(xun)祎夢基于太(tai)(tai)陽(yang)能驅動熱(re)(re)(re)(re)(re)化(hua)(hua)學反應原理，以CaCO?/CaO為相(xiang)變材(cai)料(liao)進(jin)(jin)行仿真模擬，結(jie)果(guo)表(biao)明：溫(wen)度(du)在(zai)1200～1600 K時(shi)(shi)，溫(wen)度(du)越高相(xiang)變材(cai)料(liao)的(de)(de)(de)反應速率越快，最(zui)高可(ke)達30%。靳菲等(deng)對(dui)Zr摻(chan)CaMnO?鈣鈦(tai)礦固溶(rong)液的(de)(de)(de)比(bi)例進(jin)(jin)行研(yan)(yan)(yan)究，結(jie)果(guo)表(biao)明：有效的(de)(de)(de)摻(chan)雜Zr可(ke)提高熱(re)(re)(re)(re)(re)化(hua)(hua)學材(cai)料(liao)ABO?中B-O化(hua)(hua)學鍵的(de)(de)(de)穩(wen)定性(xing)，有效提升化(hua)(hua)學穩(wen)定性(xing)和(he)儲(chu)(chu)熱(re)(re)(re)(re)(re)密(mi)度(du)。

雖(sui)然，國內外專家學(xue)者已(yi)在研(yan)究(jiu)中驗證了(le)熱化(hua)學(xue)儲(chu)(chu)熱技術在跨季節儲(chu)(chu)熱的可行性，但由于(yu)其存在成(cheng)本高、結構復雜和(he)材(cai)料(liao)不穩(wen)定(ding)等(deng)因(yin)素，目前鮮有項目使用。因(yin)此，未來研(yan)究(jiu)重點方向包括：降低成(cheng)本、簡(jian)化(hua)結構、篩選穩(wen)定(ding)材(cai)料(liao)等(deng)。

5.展望

未來太陽能跨(kua)季(ji)節儲熱技術(shu)的(de)研(yan)究(jiu)應集中于降低熱損(sun)、優化系(xi)統(tong)結構、提高(gao)儲熱性能和降低成(cheng)本方(fang)面(mian)。

在(zai)儲熱(re)商業(ye)化方面，借助成(cheng)(cheng)(cheng)熟的(de)施工技術和(he)材料降(jiang)低(di)成(cheng)(cheng)(cheng)本(ben)是推(tui)動(dong)太陽能跨季節儲熱(re)技術向(xiang)商業(ye)規模化發展(zhan)的(de)關(guan)鍵。校、企、科研院(yuan)所的(de)合(he)作對于技術和(he)產業(ye)鏈的(de)發展(zhan)至(zhi)關(guan)重要，應以末端應用為(wei)主促(cu)進(jin)產、學、科研長足發展(zhan)。政(zheng)(zheng)府應主動(dong)推(tui)動(dong)示(shi)范(fan)性項目建設(she)，對示(shi)范(fan)項目給予一定優惠政(zheng)(zheng)策，鼓勵配(pei)套產業(ye)鏈，促(cu)進(jin)成(cheng)(cheng)(cheng)本(ben)降(jiang)低(di)，鼓勵關(guan)鍵設(she)備研發。

6.結論

本文綜述了太陽(yang)(yang)能跨季節儲熱(re)技術(shu)的(de)研究(jiu)現狀與(yu)應用進展，重(zhong)點分析了太陽(yang)(yang)能集熱(re)器和(he)3種儲熱(re)技術(shu)的(de)現狀、優(you)勢、瓶頸及(ji)未(wei)來研究(jiu)方向。研究(jiu)結(jie)果(guo)表(biao)明：太陽(yang)(yang)能集熱(re)器的(de)瓶頸在于降低熱(re)損失、優(you)化組合結(jie)構和(he)定日鏡(jing)場(chang)布置。儲熱(re)技術(shu)則(ze)面(mian)臨(lin)占地(di)面(mian)積大、材料穩定性(xing)、可控性(xing)、成(cheng)本和(he)結(jie)構復(fu)雜性(xing)等方面(mian)的(de)問題。

作者：張超1*、王明明1、王龍(long)基1、劉寅1、周東東1、董歲(sui)具2

(1.中原工學院能源與(yu)環境學院，鄭州(zhou)450007；2.鄭州(zhou)熱力(li)集團有限公司，鄭州(zhou)450052)