太陽輻射度存在季節性不均，即夏季過剩，冬季不足的問題，因冬季輻射弱，用太陽能直接供暖保證率很低。為了克服這一矛盾，具有“夏蓄冬用”特點的太陽能跨季節蓄熱供暖技術引起人們廣泛關注，該系統可將春、夏、秋三個季節的太陽能熱量儲存于地下的水池或土壤中，以供冬季供暖之用，實現低能耗無煤化清潔供暖。
當前，太陽能跨季節蓄熱供暖技術在我國還處于發展階段。本文擬從介紹太陽能跨季節蓄熱供暖技術的分類、工作原理及特點出發，回顧太陽能跨季節突然蓄熱技術的研究現狀，進一步分析該技術當前主要存在的問題，并提出可能的解決思路，探討發展前景，以供相關行業的專業技術人員或決策者參考。
太陽能跨季節蓄熱分類、原理及特點
廣泛查閱文獻可知，現有的儲熱方式總體上可以分為顯熱蓄熱、相變蓄熱和化學蓄熱。其中，適用于太陽能蓄熱的蓄熱方式主要有以下5種：水箱蓄熱、地下水池蓄熱、土壤蓄熱、卵石-水蓄熱及相變蓄熱。如表1所示，依據《太陽能供熱采暖工程技術規范（GB50495-2009）》，對于太陽能跨季節蓄熱，地下水池和土壤蓄熱最具可行性和推廣價值。故此，本文只對這兩種跨季節蓄熱方式做詳細介紹。
1、太陽能跨季節水池蓄熱
圖1給出了“太陽能跨季節水池蓄熱供暖系統”的基本原理圖，該系統由太陽能集熱子系統、跨季節水池蓄熱子系統和供暖子系統等3部分組成。該系統在夏、春、秋等非供暖季節，通過循環水回路把蓄水池表層的水泵送至太陽能集熱器加熱后，以顯熱的方式存儲至蓄熱池底層；在供暖季節，則通過另外一套水循環，將蓄水池底部的溫度較高的熱水送至建筑末端實現跨季節供暖。在技術方面，水池中水溫有明顯分層現象，進出水口的空間布局對溫度分層有重要影響；水池周圍及頂部的保溫和防漏所需的結構設計和材料開發，是水池式蓄熱的核心技術。在可行性方面，蓄水池修改的初投資較高，同時，還需要占用大面積的土地資源，適合于地廣人稀的地區用于區域集中供暖。目前，該水池式蓄熱供暖在歐洲丹麥、德國等國家取得了非常好的應用。
2、太陽能跨季節土壤蓄熱
圖2給出了“太陽能跨季節土壤蓄熱供暖系統”的基本原理圖，類似的，該系統由太陽能集熱子系統、跨季節土壤蓄熱子系統和熱泵供暖子系統3部分組成。土壤蓄熱通常以120m以上的淺層土壤作為蓄熱體，通過打井埋設地埋管換熱管，在管內走循環水由管壁導熱對土壤進行加熱或冷卻，從而實現蓄熱和取熱。與水池式蓄熱相比，土壤蓄熱溫度相對要低，故此在供熱時需要熱泵提高供水溫度以達到末端供暖需要；土壤蓄熱可以根據末端熱負荷改變打井的數目和深度，因而可大可小，既可用于區域集中供暖，也可用于分布式供暖。
此外，由于土壤溫度相對穩定約15~20℃，在夏熱冬冷地區，還可以兼顧夏天室內制冷需求。土壤蓄熱具有蓄熱材料便宜、蓄熱潛能大、熱損失較小、無環境污染等優點。當前，在技術方面，地下土壤溫度的長期準確預測和熱平衡控制是需要進一步研究的重要內容；在工程方面，需大幅度降低打井安裝地埋管系統所需的成本。
太陽能跨季節蓄熱供暖技術研究現狀
以太陽能跨季節蓄熱為代表的清潔供暖技術的發展，與國家或地區的經濟發達程度、生活水平、地理條件，以及不同時期人們對環境保護的重視程等因素相關。從總體上看，無論選用哪種方式進行蓄熱，優化系統運行參數和運行模式、減小儲熱系統熱損失、提高蓄熱效率、降低蓄熱供暖成本等方面是研究者們關注的重點。
1、國外研究現狀
在全球范圍來看，北美和北歐發達國家較早開展了太陽能跨季節蓄熱供暖相關研究，并開展了工程實踐。早在20世紀60年代，美國伊利諾伊大學的Penrod就首次提出了將太陽能集熱器與地埋管換熱器組合的技術設想。到20世紀70年代后半期歐洲也開始了對太陽能跨季節蓄熱系統的研究，并用于供暖系統取得了一定的成果。1979年起太陽能跨季節蓄熱已成為國際共同研究的課題，并在國際能源機構（IEA）的大力支持下跨季節蓄熱的研究取得了較大的進展。近年來，歐美等國家建立了許多太陽能跨季節蓄熱供暖系統的實驗平臺和示范工程，其供暖量占總熱需求量的比例已達到40%以上，最具代表性的國家是北歐的丹麥和北美的加拿大。
丹麥是全球最早使用太陽能蓄熱實現區域供暖的國家，主要采用水池蓄熱，其設計建造的蓄熱系統生產成本也達到較低的水平，消耗3~4kWh電能即可產生1MWh的熱量。經過多年的發展，丹麥地區多數供熱系統已經實現高度智能化，系統運行基本實現無人值守，后期維護成本低，維護工作量小。
加拿大DrakeLanding社區采用了土壤蓄熱方式，共有44口儲熱井，埋管深度37m，采用防水膜、砂子及黏土組成隔熱層，夏末土壤最高溫度可達80℃，系統總體節能效果顯著。瑞典的Anneberg建有50個住宅單元的太陽能跨季節蓄熱供暖系統，配備2400m²太陽能集熱器，100口儲熱井，井內埋設雙U型地埋管換熱器，埋管深度65m，該系統運行兩年，達到了預期效果。
2、國內研究現狀
在我國，太陽能跨季節蓄熱供暖主要采用與地源熱泵相結合的方式，從而在提高供熱效率的同時，可兼顧提高土地資源利用率。在實驗研究方面，北京工業大學、天津大學、河北工業大學、清華大學、哈爾濱工業大學、吉林大學、東南大學等高校，先后建立了相關的實驗平臺或示范工程進行研究。
北京工業大學馬重芳課題組針對供暖面積為50m²的實驗室設計建成了小型太陽能跨季節蓄熱熱泵供暖系統，并進行了為期6個月的實驗測試，實驗表明這一太陽能供暖技術方案具有可行性。
天津大學在天津梅江小區搭建了跨季節土壤蓄熱實驗系統，為某一建筑的室內泳池提供能量，地下蓄熱系統包括8口儲熱井，井間距5m，井深100m，內埋雙U型地埋管換熱器，向地下蓄熱的溫度設計為50℃，實驗表明在天津地區實施跨季節蓄熱供暖具有實際可行性。
清華大學在內蒙古自治區赤峰市啟動了大型跨季節蓄熱式太陽能—工業廢熱集中供暖系統示范項目，包含469處80m深的鉆孔，鉆孔中安裝了單U型地埋管換熱器，該系統無需化石燃料作為輔助加熱源，地下蓄熱體體積高達50萬m³，熱存儲效率為90%。
為進一步優化設計和精確預測多年運行性能，研究者在理論模型和數值模擬方面也開展了大量工作。華北電力大學孫東亮等人利用相似性原理物理性縮小水箱蓄熱模型，考慮水箱內液體流動和溫度分層并通過數值模擬研究了在花崗巖型和沙子型兩種不同土壤中水箱埋入深度對系統太陽能保證率的影響，得出了在花崗巖型土壤中，太陽能保證率隨埋入深度的增加而增加。
在沙子型土壤中埋深對太陽能保證率影響不大。河北工業大學提出了地埋管換熱器的三維軸向壓縮傳熱模型，該模型將地埋管軸向進行壓縮，而徑向不做任何改變，從而解決了地埋管軸向徑向尺度比過大造成的網格長寬比過高這一問題，降低了數值模擬誤差。隨后，河北工業大學又提出了三維軸向壓縮分層傳熱模型，該模型更加貼近土壤具有水平分層這一實際特點，研究發現三維軸向分層壓縮傳熱模型相較于其他傳熱模型實時跟蹤性強，與溫度實驗值相比，相對誤差小。
近年來，在國際化戰略的指引下，引進、整合國外先進技術也成為技術發展重要技術路線之一。2016年，日出東方與丹麥Arcon-Sunmark（阿康-桑馬克）公司成立合資公司，共同致力于太陽能跨季節蓄熱采暖技術在中國城市的應用及推廣。
注：文章節選自《太陽能跨季節蓄熱供暖技術研究現狀與發展前景》，原作者趙應昱。
