摘 摘 要：
太阳能等可再生能源具有间歇性和不稳定性等特点，导致其在供给侧和需求侧存在时间、空间和强度上的不匹配特性和季节性，跨季节储热技术是解决上述问题的最有效方法之一。然而传统的跨季节储热系统存在热损失大、系统效率低等问题。为了解决上述问题，本文提出了由地埋管储热和水箱储热相耦合的新型复合储热系统，采用实验研究和数值计算的方法对该复合储热系统储释热特性和耦合储热体温度场变化规律开展研究。结果表明，该新型复合储热系统技术上是可行的，两种储热方式互为补充、互为协调，热量损失小，系统能效高，效率达 67.29%，且耦合储热体温度场相互叠加，更有利于热量的高效存储与释放。此外，复合储热系统经过储热、保温、释热和恢复四个阶段后，耦合储热体温位水平升高，更有利于系统多年运行。本研究有助于拓展和完善地下跨季节储热系统能量传输和传热控制理论，为进一步拓展应用提供理论指导依据。
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关键词：
储热技术；跨季节储热；储/释热特性；热量损失 太阳能等可再生能源受到天气、季节等因素的影响，具有间歇性和不稳定性的特点，从而导致其在供给侧和需求侧存在强度、时间和空间上不匹配的特性和显著的季节性特点。夏季温度较高，太阳能资源丰富，但没有供热需求，冬季则相反，太阳能资源较少，难以满足人们对热能的需求。因此，具有长期储能特点的跨季节储热技术具有广阔的应用前景。跨季节储热可以将太阳能、工业余热等热量由夏季或过渡季向冬季转移，克服了短期储热不
稳定和利用率低的缺点，扩大了可再生能源利用的深度与广度。丹麦、德国、美国和加拿大等国家都对这项技术展开了深入的研究。然而，国内外的研究与应用都只是针对单储热源系统(即只采用某一种储热方式)，其中热水储热(热容量较大、受水文地质条件影响小、储/释热功率较大)和地埋管储热(以土壤作储热体，不存在回灌难题，不破坏地下水质)为主要研究方向。随着研究的不断深入，人们发现以热水储热和地埋管储热为主的单储热源系统面临的最大难题是散热损失较大。因此，如何减少热量损失，从而提高系统能效成为该领域的重要课题。在保温层和回填材料研究方面，Dalenback 等研究保温层厚度对水箱散热性能的影响，结果表明未埋地水箱要达到埋地水箱相同的性能，保温层厚度需要增加 2 倍。Lottner 等通过添加高密度的聚乙烯材料作为水箱内衬，有效地减少了通过水箱壁的热量损失。Givoni 等对埋地水箱储热进行研究，分析了水箱周围土壤中热量没有得到有效利用是埋地水箱热损失大的主要问题之一。Pahud 等通过将回填材料由黏土改为石英砂，使孔热阻降低了 30%，提高了系统效率。在水箱和地埋管结构研究方面，Zhang 等对跨季节太阳能储热系统应用于温室供暖进行了研究，结果表明增加地埋管深度可以有效减少热损失。Sherikh 等对地面耦合热泵和真空管太阳能集热器系统的双 U 型管井热能存储进行了研究，发现采用双 U 型管径结构十分适宜寒冷气候地区供暖。Chang 等研究了地下储热水池的瞬态自然对流现象，结果表明，浮力造成的流动逐渐在水池中建立
了热分层，热传递强烈，热能存储效率在前 5 min 内迅速从 100%下降到 83.19%，然后在 40 min 结束时趋于平稳。Bai 等对地下储热水池的储热量进行了研究，第一年水池的总热量损失为 98 MW·h，存储效率为 62%，总热量损失中约有 57%是通过侧壁发生的，有 30%是通过水池的顶部发生的，其余的是通过池的底部发生的，热损失系数在侧壁上最大。王烨等对内置隔板的太阳能储热水箱进行了研究，结果表明，板中心开 1 个圆孔的水箱热分层效果最好，对于多开孔的水箱，开孔位置对水箱内热分层影响不大，但对储热量影响显著。在系统运行方式研究方面，闫俐君等基于热作用半径理论，研究了地埋管换热器储热特性，发现间歇运行能够增强土壤的储热潜力，减少热损失。Ucar 等对地埋水箱保温特性进行研究，结果表明地下不保温系统的太阳能保证率最高。吴晅等基于有限元分析法分析了跨季节储热型地源热泵系统，得出了在满足换热量的情况下，流体质量流量不宜过大，流体入口温度不宜低于 40℃时可获得较高的系统效率。综上可知，国内外通过研究保温层与回填材料、水箱和地埋管结构、系统运行方式等来减小热量损失，提高储/释热效率。而本文提出一种地埋管储热和水箱储热相耦合的新型跨季节地下复合储热系统，通过实验和数值计算，研究地下复合储热系统储/释热特性，分析耦合储热体温度延迟效应、温度场分布及其变化规律，为减小跨季节储热系统热量损失，提高系统能效提供理论支撑。
1 系统模型与实验验证
1.1
复合储热系统 地下复合储热系统示意图如图 1 所示，该系统由 4 组半径为0.02 m 的埋地 U 型管和一个半径 2 m、高 8 m 的圆柱形埋地水箱组成。水箱埋深 10 m，位于耦合储热体中心，无保温层；U 型管埋深 40 m，管间距 6 m，分布在水箱四周。土壤中共设置 9 个温度测点，其中，a1、a2、a3 分别位于水箱上端 1 m、2 m 和 3 m 处，用来测量垂直方向水箱上部土壤的温度变化，c1、c2、c3分别位于水箱下端 1 m、2 m 和 3 m 处，用来测量垂直方向水箱下部土壤的温度变化，d1、d2、d3 位于水箱侧面，埋深 15 m，距离水箱中心 4 m、6 m 和 8 m 处，用来测量水平方向水箱侧面土壤的温度变化。
图 图 1
复合储热系统模型示意图 1.2
模型建立
根据上述复合储热系统的物理模型，建立了地下复合储热系统的三维非稳态模拟模型。（1）
假设条件由于地下复合储热系
统地表有较厚的隔热层，阻止热量从地表扩散，因此其储/释热特性主要受地下传热过程的影响，为了便于求解计算，忽略影响较小的影响因素，在保证所得结果准确性和精度的前提下作出以下假设：①地下土壤不受地面大气温度变化的影响，且土壤温度均匀一致；②忽略土壤的热湿迁移耦合作用；③U 型管、土壤和水箱均为各向同性的材料，传热过程中热物性均保持不变；④U 型管、水箱与周围土壤接触紧密，不考虑其间的接触热阻。（2）
网格划分采用 ICEM 软件生成几何模型和计算网格，由于模型计算域较大，为减少计算时间，加速迭代过程，在保证计算精度的前提下，对温度变化较剧烈区域(如地埋管壁、水箱壁、水箱内盘管)的网格进行加密处理，如图 2 所示。
图 图 2
埋深 15m 界面网格分布参照实验系统建立了地下复合储热系统的验证模型，采用与实际模型完全相同的参数设置，在与实验相同的工况下，对验证模型进行了网格无关性检验，检验结果如表 1 所示。其中，网格 1 与网格 2 相比，相差 2.32%；网格 2
与网格 3 相比，相差 0.86%。考虑计算精度和计算时长等因素，选用网格 2 的划分方式对复合储热系统进行网格划分。
表 表 1
网格无关性验证结果 （3）
参数设置根据假设条件，设置地下土壤初始温度为 283K，管内流体处于湍流状态，因此选择 Realizable k-ε 模型进行模拟计算。埋地 U 型管和埋地水箱入口都定义为速度入口(veliocityinlet)，即给定进口流体的速度和温度；所有流体出口都为充分发展流动，所以都定义为自由出流(outflow)；模型中壁面的热交换都是由导热和对流共同作用完成的，所以存在热交换的壁面都定义为复合作用的壁面(wall)；模型的边界(土壤的上下面和侧面)都定义为绝热壁面(wall)。复合储热系统中的水箱由低碳钢板组成，埋地 U 型管选用应用较广的 PE 管，储热体土壤为砂土，主要物性参数如表 2 所示。
表 表 2
热物性参数表 1.3
模型验证
为深入研究复合储热热扩散机理，搭建了复合储热系统实验台，开展相应的模拟及实验研究，并验证上述模型的准确性与计算精度。1.3.1 实验系统搭建了新型跨季节复合储热实验台，该实验台结合了热水储热和地埋管储热两种储热模式，主要设备包括冷水箱、水泵、电加热器、热水箱、地埋管、阀门及测控系统，总占地面积为 70 m 2 ，储热体占地面积 9 m 2 ，埋深 3 m，储热土壤体积 27 m 3 ，埋地水箱半径 0.5 m，高 1.5 m，容积 1.2 m 3 ，如图 3 所示。设置 48 个土壤温度传感器(PHWS)，全面测量土壤温度分布，设置 8 个水温传感器(PHSW-12V-W2)，用于水箱和系
统进出口水温测量，利用浮子流量计(DN25)测量系统进出口流量，并通过 Labview 进行数据采集，数据采集间隔时间为 1 min。
图 图 3
新型跨季节复合储热实验台 1.3.2 实验验证模型实验验证包括地埋管和水箱储热阶段出水温度的验证和释热阶段出水温度验证两部分，模型所有参数的设置与上述实验台各项参数和初始条件保持一致，均采用储热 18 h、保温 30 h、释热 18 h、恢复30 h 运行方式，储热阶段入口温度为 353 K，流量为 0.6 m 3 /h，释热阶段入口温度为 293 K，流量与储热阶段保持相同。储热过程/释热过程水箱和地埋管的出水温度变化曲线如图 4 和图 5 所示。由于电加热器温控系统对于入口温度的控制范围在 2～3℃，因此原始实验数据出现一定波动，本文采用取相近时间温度平均值的方法，得到实验数据曲线。
图 图 4
储热过程出口温度变化曲线
图 图 5
释热过程出口温度变化曲线（1）
储热阶段图 4(a)为地埋管出口温度变化曲线，其实验数据与模拟数据变化趋势基本一致，最大误差为 1.7 K。图 4(b)为水箱出口温度变化曲线，其实验数据与模拟数据变化趋势相似，储热初始阶段误差较大，最大误差为 6.5 K，随着时间的推移，误差越来越小。（2）
释热阶段图5(a)为地埋管出口温度变化曲线，其实验数据与模拟数据变化趋势基本一致，最大误差为 0.8 K。图 5(b)为水箱出口温度变化曲线，其实验数据与模拟数据变化趋势相似，与储热过程的变化趋
势一样，释热过程初始阶段误差较大，随着时间的推移，误差越来越小，最后减小到 1.3 K。综合分析表明，无论是地埋管出口温度变化，还是水箱出口温度变化，模拟结果与实验结果较吻合，考虑到现有资料的精度、观测数据的准确度、人为误差等因素的影响，可认为拟合效果较为理想，相对误差均在可接受范围内。因此，该复合储热模型可以用于分析和预测实际地下跨季节复合储热系统温度变化和演变规律，能够提供较为准确的数值模拟数据，从而为地下跨季节复合储热系统的设计提供理论依据。
2 模拟结果分析
复合储热模型采用储热 3 个月，保温 1 个月，释热 5 个月，恢复 3 个月的运行工况。土壤初始温度 283 K，储热阶段，水箱和四组 U 型管的入口流量均为 0.12 m/s，入口温度 353 K；释热阶段，入口流量与储热阶段相同，入口温度 283 K。
2.1
储热量与释热量
复合储热系统与外界绝热，且储热阶段和释热阶段入口温度和流量均保持不变，因此储热量和释热量只与出口温度有关。储热阶段地埋管和水箱的出口温度变化曲线如图 6 所示。可以看出，初始阶段，地埋管和水箱的出口温度逐渐上升，其中，地埋管出口温度迅速上升到较高温位水平，水箱出口温度上升的相对较缓慢，说明水箱的储热量较大。结束阶段，地埋管和水箱的出口温度均稳定在 344 K 左右。
图 图 6
储热阶段地埋管和水箱出口温度变化释热阶段地埋管和水箱出口温度变化如图 7 所示，可以看出，水箱储热的出口温度温位水平较高，后逐渐缓慢下降，释热结束时温度稳定在 287K 左右；地埋管储热的出口温度温位水平较低，然后在很长的一段时间内缓慢释放热量，释热结束时温度稳定在 285K 左右，与水箱储热结束时的温度基本一致。
图 图 7
释热阶段地埋管和水箱出口温度变化复合储热系统储热量和释热量占比如图 8 所示。图中显示，储热阶段，地埋管的储热
量高于水箱储热量，然而释热阶段，地埋管的释热量却低于水箱释热量，说明地埋管储热模式热量扩散较多，热量损失较大。更重要的是，图中显示水箱储热模式的释热量大于储热量，说明释热阶段水箱模式有效地回收了地埋管模式扩散到土壤中的热量，较好地实现了热量的回收与再利用，达到了提高系统效率的目的。在本文的具体计算条件下，得出该复合储热系统全年储热量为282.4 GJ，释热量为 190.0 GJ，系统效率为 67.29%，效果显著。
图 图 8
复合储热系统储热量和释热量占比 2.2
特征点温度变化 2.2.1 垂直方向选择距水箱上端面 1m、2m、3m 的 a1、a2、a3作为特征点(如图 1 所示)，其温度变化曲线如图 9 所示。
图 图 9
水箱上方特征点温度变化曲线结果表明，储热结束时，各特征点温度峰值均出现在保温阶段，热量传递出现一定的延迟效应，a1、a2、a3 最高温度分别为 333.09 K、326.15 K、322.01 K，越靠近水箱上端面温度变化速率越快，温度幅值越高。热储存率(土壤可达到的最大温差与系统中最大换热温差的比值)分别是0.72、0.62、0.56，其中，a1 分别是 a2、a3 的 1.16 倍和 1.29倍，靠近水箱上端土壤的储热量较大。释热结束时，a1、a2、a3分别下降至 288.49 K、289.56 K、290.13 K，各点温度趋于一致，热利用率(土壤在释热结束时可达的最大温降与系统最大换热温差之比)分别为 0.64、0.52、0.46，其中，a1 分别是 a2、a3 的
1.23 倍和 1.39 倍，靠近水箱上端土壤中的热量被利用得较充分。分别选择距水箱下端面 1 m、2 m、3 m 的 c1、c2、c3 作为特征点(如图 1 所示)，其温度变化曲线如图 10 所示。
图 图 10
水箱下方特征点温度变化曲线结果表明，储热结束时，温度峰值同样均出现在保温阶段，热量传递延迟效应显著，c1、c2、c3 的最高温度分别为 329.82 K、321.03 K、314.50 K，越靠近水箱下端面温度变化速率越快，温度幅值越高。c1、c2、c3 的热储存率分别是 0.67、0.54、0.45，其中，c1 分别是 c2、c3 的 1.24倍和 1.49 倍，靠近水箱下端土壤的储热量较大。释热结束时，c1、c2、c3 温度分别下降至 289.12K、290.52K、291.35K，各点温度趋于一致，热利用率分别为 0.58、0.44、0.33，其中，c1 分别
是 c2、c3 的 1.32 倍和 1.76 倍，靠近水箱下端土壤中的热量被利用得较充分。2.2.2 水平方向水平方向，选取埋深 15m，距中心距离分别为 4 m、6 m、8 m 处的 d1、d2、d3 作为特征点(如图 1所示)，其温度变化曲线如图 11 所示。
图 图 11
水平方向特征点温度变化曲线结果表明，d1、d2、d3 分别在储热结束后第 8.3 天、40.3 天和 87.5 天达到最高温度 319.41 K、304.00 K 和 298.92 K。其中，d1 温度峰值出现在保温阶段，d2、d3 温度峰值出现在释热阶段，热量传递的延迟效应十分显著。此外，d1、d2、d3 的热储存率分别为 0.52、0.30、0.23，其中，d1 分别是 d2 和 d3 的 1.73 倍和 2.26 倍。释热结束时，d1、d2、d3 温度分别降至 291.43 K、294.74 K、296.43 K，热利用率分
别为 0.40、0.13、0.04，其中，d1 分别是 d2、d3 的 3 倍和 10倍，说明土壤中热量的利用程度随着距中心距离的减少而显著增加。
2.3
温度场分布 复合储热系统储热、保温、释热、恢复四个阶段结束时刻的温度场等值线图(埋深 15 m 处)如图 12 所示。
图 图 12
各阶段结束时刻温度场分布图图中显示，储热阶段，温度分层界面清晰可见，中间热源处温度高，温度达 340 K 左右，热量集中，四周温度较低，温度为 292 K 左右，热扩散程度较小，整体温位水平较高。保温阶段，中间热源处温度开始下降，温度为 336 K 左右，热量开始加速向四周进行扩散，边界温度上升至296 K 左右，比储热阶段边界温度上升了 4 K，且整个复合储热体温度场分布更加均匀。释热阶段，与保温阶段结束时刻的温度分布相比，热量得到了较充分的释放，且温度分布分层明显，即中间冷源处温度较低，为 288 K 左右，四周温度稍高，为 296 K左右。恢复阶段，储热体整体温度分布较释热结束时刻更加均匀，且中心温度为 289 K，比释热结束时刻上升了 1 K，边界温度为294 K，比释热结束时刻温度下降了 2 K，说明热量仍在从储热体边界向中心扩散。经过储热、保温、释热、恢复四个运行阶段后，发现恢复结束时刻的土壤温度高于初始温度 283 K，储热体整体温位水平较高，表明一部分热量储存在土壤中未被完全释放利用，这将更加有利于系统第二年或者多年的运行工况。
3 结 论 （1）通过实验和数值计算对由地埋管储热和水箱储热相耦合的新型跨季节复合储热系统开展研究，分析了复合系统储热、保温、释热、恢复四个阶段的储释热特性，得出该复合储热系统性能良好，系统效率可达 67.29%。（2）对耦合储热体温度变化规律进
行了分析，发现复合储热体温度场相互叠加，热量传递显现出明显的延迟特性，且两种储热方式互为补充，互为协调，使得该叠加效应更有利于热量的储存与释放。（3）水箱模式有效的回收了地埋管模式扩散到土壤中的热量，充分实现了热量的回收与再利用，达到了提高系统效率的目的。（4）经过储热、保温、释热、恢复四个运行阶段后，复合储热体整体温位水平升高，这将更有利于系统第 2 年运行，以及后续多年运行工况。