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摘要：介绍了太阳能季节性土壤蓄热技术的原理、应用及国内外研究现状，在总结实践及理论经验的同时，提出了几点建议。
引文
目前，人类面临能源短缺和环境恶化两大问题，开发利用可再生能源，是人类必须寻求的一条能源与环境可持续发展的战略道路。太阳能作为一种取之不尽、用之不竭的清洁能源,在国内外倍受关注。在北方采暖地区，将非采暖季节的太阳能收集并存储于土壤中，冬季再被取出供热，这种充分利用太阳能来节约一次能源的技术被称为太阳能季节性土壤蓄热技术。
1 太阳能季节性土壤蓄热技术概述
1.1太阳能季节性蓄热的分类
太阳能季节性蓄热是指将非采暖季丰富的太阳能转移至采暖季太阳辐射较弱时加以利用，以补偿太阳辐射与热量需求之间的季节性差异，从而达到更高效利用太阳能的目的。
太阳能季节性蓄热主要包括4种形式：热水蓄热、砾石-水蓄热、土壤蓄热和含水层蓄热[1]。其中，含水层蓄热被认为是成本最低的，其次是土壤蓄热，而带有地下蓄热罐的热水型和砾石-水蓄热成本较高，在没有合适的含水层土壤资源时，一般考虑使用土壤蓄热。季节性蓄热是一种长期蓄热形式，是与短期蓄热或昼夜型蓄热相对而言。
太阳能季节性土壤蓄热具有蓄热能力大、热损失较小的优点。从长远的观点来看，该蓄热方式被认为是跨季节储热的最有前途的方式之一[2]。
1.2太阳能季节性土壤蓄热的应用
土壤耦合热泵技术因其可利用浅层地热，且对环境无污染，在国内外被迅速推广应用。但是，在严寒地区，冬季热负荷远大于夏季冷负荷，即冬季系统从土壤的取热量远大于夏季的排热量，常年运行下去，土壤温度将逐年降低，热泵运行效率也将逐年下降。将太阳能季节性土壤蓄热技术与土壤耦合热泵技术相结合，通过太阳能的移季利用，使取热量等于排热量，可以从根本上解决土壤热量不平衡问题。该系统被称为季节性蓄热太阳能-土壤源热泵耦合系统。现已建立了示范工程，实践表明该系统比土壤源热泵供暖系统更加节能、热泵性能明显提高 [3]。
2 国内外研究现状
2.1国外研究现状
季节性蓄热的思想是20世纪60年代美国首次提出的，70年代进行了大量的理论和实验研究，80年代北欧各国也相继开展了太阳能季节性蓄热的研究。1985年，芬兰的Lund和Östman提出了一个三维数值模型，用来模拟垂直埋管季节性土壤蓄热，通过各种模拟分析和优化，得出对于一个有500栋房屋的社区，太阳能保证率可以达到70%[4]。D. Pahud对一个太阳能蓄热式集中供热系统进行了动态模拟。该系统由太阳能集热器、缓冲蓄热水箱、埋管土壤蓄热装置组成，短期的热需求由缓冲水箱承担，季节性的热需求由埋管土壤蓄热装置承担。作者对主要的系统参数进行了优化，得出每年太阳能提供热量的比率为70%，每m2太阳能集热器对应的缓冲水箱体积为110～130m3，埋管体积为4～13m3，对于导热系数为2.5W/m∙K的土壤来说，土壤埋管的最佳间距为2.5m[5]。Olszewski分析了在高纬度国家利用土壤作为季节性蓄热介质的可能性，建立了随时间变化的三维蓄热仿真程序，计算了蓄热过程中的太阳能集热器出口水温和土壤温度场[6]。
2.2国内研究现状
国内关于利用土壤进行太阳能季节性蓄热的报导最早出现在1984年，马文麒对太阳池的跨季度蓄热问题进行了理论分析和数值计算 [7]。从二十一世纪初，随着土壤源热泵技术发展，土壤热平衡问题日益受到高度关注，太阳能季节性土壤蓄热作为当前最佳解决方案，成为研究的焦点。哈尔滨工业大学的智艳生和吴冬梅等对严寒地区带太阳能季节性蓄热的土壤源热泵系统进行了实验研究，收到了良好的效果[8]。近几年，天津大学对太阳能跨季节蓄热进行了一系列研究，模拟并分析了供暖系统的长期运行特性和土壤的蓄热特性，并针对示范工程开展相应的应用研究[9-10]。中南大学的罗苏瑜通过数值模拟，分析了埋管间距对蓄热与释热的运行特性的影响，但是未结合蓄热源进行整体分析[11]。杨卫波等建立了考虑地下水渗流与热湿迁移影响的准三维U形埋管土壤蓄热的数学模型，探讨了利用太阳能-地源热泵系统中原有钻孔U形埋管进行太阳能跨季节性土壤蓄热的可行性及其特性，得出地下水渗流的存在可以强化地下埋管的换热效果，但不利于用埋管作为蓄热装置[12-13]。
3 现状分析及展望
欧洲多年的研究和实践表明，季节性蓄热技术具有很大的潜能，是目前极具发展潜力的大规模利用太阳能的一种有效方式。国内对太阳能季节性土壤蓄热的研究和应用起步较晚，近几年才开始建立示范项目，但由于数量少，运行时间短，所获得的实际数据不充足；且该项技术受地域影响大，个别地区的研究及实践经验不具通用性。因此，各地区政府大力宣传并鼓励建立更多的示范工程，是推动该项技术快速发展的重要因素之一。
国内外对太阳能季节性土壤蓄热技术的研究，主要集中在地下换热器的形式，地下换热器传热模型，埋管布置方式，土壤特性对传热的影响及运行模式等几个方面，以往的研究多数只研究地下埋管传热，而缺乏对跨季节蓄热式供热系统的整体研究及长期研究，整体研究包括运行模式的选择及控制研究，关键设备（如太阳能集热器、埋管换热器、热泵及末端装置）的匹配研究和工作条件对系统运行特性的影响研究等。系统的整体运行优化是提高系统运行性能的关键。长期研究是指在系统寿命年限内，对其进行的连续动态模拟研究，如系统连续运行10年、20年、30年后的运行状况，依据模拟结果，为系统的可持续性应用提供理论依据。
4 结语
太阳能季节性土壤蓄热技术，突破了太阳能利用的不稳定性及季节相反性的局限，扩大了太阳能的利用范围。该项技术在我国的快速发展不仅需要研究者的积极努力，还需要政府的大力支持。
参考文献：
[1]Schmidt T, Mangold D, Müller-Steinhagen H. Central Solar Heating Plants with Seasonal Storage in Germany[J]. Solar Energy, 2004, 76(1-3): 165-174.
[2]郭茶秀,魏新利.热能存储技术与应用.北京:化学工业出版社，2005
[3]张文雍. 严寒地区太阳能-土壤耦合热泵季节性土壤蓄热特性研究[D].哈尔滨:哈尔滨工业大学博士学位论文,2010,7
[4]Lund P D, Östman M B. A numerical model for seasonal storage of solar heat in the ground by vertical pipes[J]. Solar Energy, 1985, 34(4-5): 351-366.
[5]Pahud D. Central Solar Heating Plants with Seasonal Duct Storage and Short-Term Water Storage: Design Guidelines Obtained by Dynamic System Simulations[J]. Solar Energy, 2000, 69(6): 495-509.
[6]Olszewski P. The Possibility of Using the Ground as a Seasonal Heat Storage-The Numerical Study[C]. Proceedings of the ASME Heat Transfer/Fluids Engineering Summer Conference 2004. Charlotte: American Society of Mechanical Engineers, 2004: 437-441.
[7]马文麒,李申生.太阳池和池下土壤的跨季度蓄热[J].太阳能学报,1984,5(4):358-367.
[8]M. Y. Zheng, D. M. Wang, Y. S. Zhi. The Study of Heating and Cooling Technique with Solar Energy in Severe Cold Area. Energy and the Environment - Proceedings of the International Conference on Energy and the Environment, Shanghai, 2003: 186-191
[9]崔俊奎, 赵军, 李新国等. 跨季节蓄热地源热泵地下蓄热特性的理论研究. 太阳能学报. 2008, 29(8): 920-926
[10]赵军, 陈雁, 李新国. 基于跨季节地下蓄热系统的模拟对热储利用模式的优化. 华北电力大学学报. 2007, 34(2): 74-77
[11]罗苏瑜. 土壤蓄热与土壤源热泵集成系统的数值模拟. 节能. 2007, (6):12-15
[12]杨卫波, 施明恒, 陈振乾. 太阳能-U形埋管土壤蓄热特性数值模拟与实验验证. 东南大学学报(自然科学版).2008, 38(4): 651-656
[13] 杨卫波, 陈振乾，施明恒. 跨季节蓄能型地源热泵地下蓄能与释能特性. 东南大学学报(自然科学版). 2010, 40(5): 973-978
引文
目前，人类面临能源短缺和环境恶化两大问题，开发利用可再生能源，是人类必须寻求的一条能源与环境可持续发展的战略道路。太阳能作为一种取之不尽、用之不竭的清洁能源,在国内外倍受关注。在北方采暖地区，将非采暖季节的太阳能收集并存储于土壤中，冬季再被取出供热，这种充分利用太阳能来节约一次能源的技术被称为太阳能季节性土壤蓄热技术。
1 太阳能季节性土壤蓄热技术概述
1.1太阳能季节性蓄热的分类
太阳能季节性蓄热是指将非采暖季丰富的太阳能转移至采暖季太阳辐射较弱时加以利用，以补偿太阳辐射与热量需求之间的季节性差异，从而达到更高效利用太阳能的目的。
太阳能季节性蓄热主要包括4种形式：热水蓄热、砾石-水蓄热、土壤蓄热和含水层蓄热[1]。其中，含水层蓄热被认为是成本最低的，其次是土壤蓄热，而带有地下蓄热罐的热水型和砾石-水蓄热成本较高，在没有合适的含水层土壤资源时，一般考虑使用土壤蓄热。季节性蓄热是一种长期蓄热形式，是与短期蓄热或昼夜型蓄热相对而言。
太阳能季节性土壤蓄热具有蓄热能力大、热损失较小的优点。从长远的观点来看，该蓄热方式被认为是跨季节储热的最有前途的方式之一[2]。
1.2太阳能季节性土壤蓄热的应用
土壤耦合热泵技术因其可利用浅层地热，且对环境无污染，在国内外被迅速推广应用。但是，在严寒地区，冬季热负荷远大于夏季冷负荷，即冬季系统从土壤的取热量远大于夏季的排热量，常年运行下去，土壤温度将逐年降低，热泵运行效率也将逐年下降。将太阳能季节性土壤蓄热技术与土壤耦合热泵技术相结合，通过太阳能的移季利用，使取热量等于排热量，可以从根本上解决土壤热量不平衡问题。该系统被称为季节性蓄热太阳能-土壤源热泵耦合系统。现已建立了示范工程，实践表明该系统比土壤源热泵供暖系统更加节能、热泵性能明显提高 [3]。
2 国内外研究现状
2.1国外研究现状
季节性蓄热的思想是20世纪60年代美国首次提出的，70年代进行了大量的理论和实验研究，80年代北欧各国也相继开展了太阳能季节性蓄热的研究。1985年，芬兰的Lund和Östman提出了一个三维数值模型，用来模拟垂直埋管季节性土壤蓄热，通过各种模拟分析和优化，得出对于一个有500栋房屋的社区，太阳能保证率可以达到70%[4]。D. Pahud对一个太阳能蓄热式集中供热系统进行了动态模拟。该系统由太阳能集热器、缓冲蓄热水箱、埋管土壤蓄热装置组成，短期的热需求由缓冲水箱承担，季节性的热需求由埋管土壤蓄热装置承担。作者对主要的系统参数进行了优化，得出每年太阳能提供热量的比率为70%，每m2太阳能集热器对应的缓冲水箱体积为110～130m3，埋管体积为4～13m3，对于导热系数为2.5W/m∙K的土壤来说，土壤埋管的最佳间距为2.5m[5]。Olszewski分析了在高纬度国家利用土壤作为季节性蓄热介质的可能性，建立了随时间变化的三维蓄热仿真程序，计算了蓄热过程中的太阳能集热器出口水温和土壤温度场[6]。
2.2国内研究现状
国内关于利用土壤进行太阳能季节性蓄热的报导最早出现在1984年，马文麒对太阳池的跨季度蓄热问题进行了理论分析和数值计算 [7]。从二十一世纪初，随着土壤源热泵技术发展，土壤热平衡问题日益受到高度关注，太阳能季节性土壤蓄热作为当前最佳解决方案，成为研究的焦点。哈尔滨工业大学的智艳生和吴冬梅等对严寒地区带太阳能季节性蓄热的土壤源热泵系统进行了实验研究，收到了良好的效果[8]。近几年，天津大学对太阳能跨季节蓄热进行了一系列研究，模拟并分析了供暖系统的长期运行特性和土壤的蓄热特性，并针对示范工程开展相应的应用研究[9-10]。中南大学的罗苏瑜通过数值模拟，分析了埋管间距对蓄热与释热的运行特性的影响，但是未结合蓄热源进行整体分析[11]。杨卫波等建立了考虑地下水渗流与热湿迁移影响的准三维U形埋管土壤蓄热的数学模型，探讨了利用太阳能-地源热泵系统中原有钻孔U形埋管进行太阳能跨季节性土壤蓄热的可行性及其特性，得出地下水渗流的存在可以强化地下埋管的换热效果，但不利于用埋管作为蓄热装置[12-13]。
3 现状分析及展望
欧洲多年的研究和实践表明，季节性蓄热技术具有很大的潜能，是目前极具发展潜力的大规模利用太阳能的一种有效方式。国内对太阳能季节性土壤蓄热的研究和应用起步较晚，近几年才开始建立示范项目，但由于数量少，运行时间短，所获得的实际数据不充足；且该项技术受地域影响大，个别地区的研究及实践经验不具通用性。因此，各地区政府大力宣传并鼓励建立更多的示范工程，是推动该项技术快速发展的重要因素之一。
国内外对太阳能季节性土壤蓄热技术的研究，主要集中在地下换热器的形式，地下换热器传热模型，埋管布置方式，土壤特性对传热的影响及运行模式等几个方面，以往的研究多数只研究地下埋管传热，而缺乏对跨季节蓄热式供热系统的整体研究及长期研究，整体研究包括运行模式的选择及控制研究，关键设备（如太阳能集热器、埋管换热器、热泵及末端装置）的匹配研究和工作条件对系统运行特性的影响研究等。系统的整体运行优化是提高系统运行性能的关键。长期研究是指在系统寿命年限内，对其进行的连续动态模拟研究，如系统连续运行10年、20年、30年后的运行状况，依据模拟结果，为系统的可持续性应用提供理论依据。
4 结语
太阳能季节性土壤蓄热技术，突破了太阳能利用的不稳定性及季节相反性的局限，扩大了太阳能的利用范围。该项技术在我国的快速发展不仅需要研究者的积极努力，还需要政府的大力支持。
参考文献：
[1]Schmidt T, Mangold D, Müller-Steinhagen H. Central Solar Heating Plants with Seasonal Storage in Germany[J]. Solar Energy, 2004, 76(1-3): 165-174.
[2]郭茶秀,魏新利.热能存储技术与应用.北京:化学工业出版社，2005
[3]张文雍. 严寒地区太阳能-土壤耦合热泵季节性土壤蓄热特性研究[D].哈尔滨:哈尔滨工业大学博士学位论文,2010,7
[4]Lund P D, Östman M B. A numerical model for seasonal storage of solar heat in the ground by vertical pipes[J]. Solar Energy, 1985, 34(4-5): 351-366.
[5]Pahud D. Central Solar Heating Plants with Seasonal Duct Storage and Short-Term Water Storage: Design Guidelines Obtained by Dynamic System Simulations[J]. Solar Energy, 2000, 69(6): 495-509.
[6]Olszewski P. The Possibility of Using the Ground as a Seasonal Heat Storage-The Numerical Study[C]. Proceedings of the ASME Heat Transfer/Fluids Engineering Summer Conference 2004. Charlotte: American Society of Mechanical Engineers, 2004: 437-441.
[7]马文麒,李申生.太阳池和池下土壤的跨季度蓄热[J].太阳能学报,1984,5(4):358-367.
[8]M. Y. Zheng, D. M. Wang, Y. S. Zhi. The Study of Heating and Cooling Technique with Solar Energy in Severe Cold Area. Energy and the Environment - Proceedings of the International Conference on Energy and the Environment, Shanghai, 2003: 186-191
[9]崔俊奎, 赵军, 李新国等. 跨季节蓄热地源热泵地下蓄热特性的理论研究. 太阳能学报. 2008, 29(8): 920-926
[10]赵军, 陈雁, 李新国. 基于跨季节地下蓄热系统的模拟对热储利用模式的优化. 华北电力大学学报. 2007, 34(2): 74-77
[11]罗苏瑜. 土壤蓄热与土壤源热泵集成系统的数值模拟. 节能. 2007, (6):12-15
[12]杨卫波, 施明恒, 陈振乾. 太阳能-U形埋管土壤蓄热特性数值模拟与实验验证. 东南大学学报(自然科学版).2008, 38(4): 651-656
[13] 杨卫波, 陈振乾，施明恒. 跨季节蓄能型地源热泵地下蓄能与释能特性. 东南大学学报(自然科学版). 2010, 40(5): 973-978