新疆大学 830047
摘要：本文介绍了国外的太阳能区域供热的发展现状，介绍了国外太阳能区域供热的季节性热能储存技术，尤其在坑式蓄热基坑的设计细节进行了一个详细的分析与介绍，尤其是季节性蓄热基坑的形状设计与选择，保温内衬层，浮盖，施工选材等方面展开了详述。
1.1背景
当前全球变暖问题引起了新的思考，更清洁的区域供热能源也比以往更加受到关注。利用太阳能供暖，尤其是采用带有辅助热源、储热系统和自动控制系统的太阳能采暖，可大大降低能源的消耗和对环境的污染。由于太阳能的一个主要缺点就是它的间歇性，不仅有昼夜之分，还有阴雨雪天气以及冬夏辐射能的区别等，在此基础上本文提出了季节性热能储存的方法。
从上世纪70年代中期开始，欧洲就对季节性热能储存技术进行了研究。1978年至1979年，在瑞典实现了第一个示范工厂。由于通过国际能源机构进行的一项国际合作，季节性热能储存在欧洲的部分地区得以实现。自1996年以来，德国已建造了11个太阳能辅助区域供暖示范项目。在欧洲以外，人们对进一步发展长期蓄热技术的兴趣是在2006年加拿大奥克托克斯建造的德雷克试验性工厂引起的。在过去的几年中，丹麦的固定资产投资市场日益增长，其重点是利用非常大的储存量，不仅用于季节性地储存太阳能热能，而且还用于在丹麦电力市场内优化热电联产和电厂驱动的地区供暖系统的经济性。在欧洲，在欧洲研发的项目中实现了第一个大容量为75000米的大容量蓄热坑。
1.2太阳能区域供热系统的定义
太阳能区域供热（Solar District Heating，以下简称“SDH”）是指在原有区域供热系统不变的情况下，利用太阳能集热器将太阳能的热吸收，通过太阳能集热管网系统输送到热厂或热交换站，与市政区域热网相连接，向市政区域热网供热，最终为热用户提供供暖和生活热水所需热量的系统。
太阳能区域供热系统的重要组成部分是储热技术，也是目前欧洲的研究热点。季节性储热是指将夏季的热量储存至冬季使用，目前尚处于研发试点阶段。正在研发的季节性储技术主要是储热罐、储热坑、钻井储热、含水土层储热 4 种。欧洲大型跨季节储热太阳能区域供热系统多采用坑式水池蓄热。坑式水池储热是指在地面建设倒金字塔型水池，夏季集热场生产热量远大于热消费量，集热场多余热量将被储存在储热水池中。秋冬季，区域热网低温回水进入储热水池底部，并从储热水池顶部取走高温热水，储热水池温度逐渐降低。
2.1蓄热基坑设计介绍
主要重点细节将在下面分述：
2.1.1蓄热基坑形状
像一个被截断的金字塔，在地面上支撑着的形状 如图1：
图1基坑截面原理图
基坑存储容量取决于它所连接的整个系统热负荷。下一步是在蓄热基坑里建一个防水衬垫
2.1.2内衬材料
在较早的坑热贮存中采用的是特殊粘土进行水封试验，但得到了较差的效果，因此考虑了在坑内热贮存中采用衬垫。用衬垫覆盖土壤，来获得坑热贮存的水密性。
衬垫类型有：不同类型的聚合物衬垫（PP，PE），橡胶衬垫（EPDM）和不同类型的金属衬垫（不锈钢，铝）。聚合物和弹性体衬垫在材料价格和安装成本上都是最便宜的，但是金属衬板在长期稳定性和蒸汽密封性方面具有优势。
A.聚合物衬垫
聚合物衬垫和其他相比相对来说比较便宜，并且易于安装。聚合物衬垫的主要问题是耐高温，与金属衬垫相比另一个缺点是水蒸气的渗透性。
B.橡胶衬垫EPDM
橡胶衬垫比聚合物衬垫有更高的耐热性，并且耐高温度超过90°C。但EPDM不可焊接，必须用特殊的硫化胶粘合。所以其中一个缺点是成本高，包括安装在内的价格比HDPE的价格高出25%。EPDM衬垫的另一个缺点是透气性比HDPE衬垫高两倍。对于坑式蓄热底部和侧壁的衬垫来说，这个缺点影响不大。但如果在整体覆盖结构中使用浮动衬垫，则必须处理蒸汽渗透，因为水在高温条件下会是材料发生化学反应，造成材料分解和腐蚀。
C.金属衬垫
金属衬垫比聚合物衬垫和橡胶衬垫在使用性能方面具有优势，它可以承受很高的温度，并且不会出现蒸汽渗透的情况。但缺点是材料成本和安装成本非常高。
2.1.3浮盖
蓄热基坑的顶部表面需要覆盖一层隔热的盖子。顶部的盖子可分为三类：
A.柔性隔热垫
基坑顶部采用的是一种柔性浮动防水隔热衬垫直接漂浮在水面上。由于水的热膨胀，浮盖上下移动，这种灵活性使得隔热垫能够覆盖水面和储存的边缘。
B.刚性隔热材料
第二类是刚性的隔热材料，例如PUR或PIR硬质泡沫材料制成的刚性绝缘材料，通常比柔性聚合物保温材料具有更好的温度和防潮性能
C.整体隔热覆盖式
第三类是采用大量的隔热材料进行整体覆盖，这种隔热材料包含在一个隔水的浮动衬里和顶部一个衬垫之间。但这种整体式的结构带来的一个弊端就是会引起温度对流。解决方法是在浮盖上方设置通风装置。
组成浮盖的衬垫被固定在锚沟中。当水温降下来以后水的体积减小，衬垫将会变得松弛。这一松弛将通过在衬垫的两条对角线上放置重量管来消除。当由于热膨胀而导致松弛的时候，重量管会把管道拉到较深的水里，从而吸收多余的松弛。重量管是由HDPE管焊接在一起，并在其内部注满混凝土。管道的直径从基坑中心开始依次向边缘减小，这样做的目的是使衬垫产生一个向中心的倾斜，这样可以使水在浮盖的中心、空气在浮盖边缘。
在保温层和顶部的衬垫之间是通风间隙，使在间隙中的水气通过通风蒸发掉。浮盖层的通风是由放置在储存的边缘的真空排气口完成的。
3结论
我国北方区域供热较发达，具备实施太阳能区域供热的基础条件，随着国家既有建筑节能改造和区域供热清洁能源改造的推进，必将促使热力企业积极寻找清洁能源替代化石能源。而太阳能区域供热将是最佳选择。但太阳能区域供热工程是一项极其庞大和复杂的工程。目前国内还没有针对太阳能区域供热专门的设计和施工资质，也没有相关的设计指南和导则，常规的设计院也无法短时间内掌握这套复杂系统的设计方法，设计和施工方面的能力不足，也限制了国内太阳能区域供热的快速发展。
论文作者:史静毅
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2019年10期
论文发表时间:2019/9/17
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