太阳辐射度存在季节性不均，即夏季过剩，冬季不足的问题，因冬季辐射弱，用太阳能直接供暖保证率很低。为了克服这一矛盾，具有“夏蓄冬用”特点的太阳能跨季节蓄热供暖技术引起人们广泛关注，该系统可将春、夏、秋三个季节的太阳能热量储存于地下的水池或土壤中，以供冬季供暖之用，实现低能耗无煤化清洁供暖。

当前，太阳能跨季节蓄热供暖技术在我国还处于发展阶段。本文拟从介绍太阳能跨季节蓄热供暖技术的分类、工作原理及特点出发，回顾太阳能跨季节突然蓄热技术的研究现状，进一步分析该技术当前主要存在的问题，并提出可能的解决思路，探讨发展前景，以供相关行业的专业技术人员或决策者参考。

太阳能跨季节蓄热分类、原理及特点

广泛查阅文献可知，现有的储热方式总体上可以分为显热蓄热、相变蓄热和化学蓄热。其中，适用于太阳能蓄热的蓄热方式主要有以下5种：水箱蓄热、地下水池蓄热、土壤蓄热、卵石-水蓄热及相变蓄热。如表1所示，依据《太阳能供热采暖工程技术规范（GB50495-2009）》，对于太阳能跨季节蓄热，地下水池和土壤蓄热最具可行性和推广价值。故此，本文只对这两种跨季节蓄热方式做详细介绍。

1、太阳能跨季节水池蓄热

图1给出了“太阳能跨季节水池蓄热供暖系统”的基本原理图，该系统由太阳能集热子系统、跨季节水池蓄热子系统和供暖子系统等3部分组成。该系统在夏、春、秋等非供暖季节，通过循环水回路把蓄水池表层的水泵送至太阳能集热器加热后，以显热的方式存储至蓄热池底层；在供暖季节，则通过另外一套水循环，将蓄水池底部的温度较高的热水送至建筑末端实现跨季节供暖。在技术方面，水池中水温有明显分层现象，进出水口的空间布局对温度分层有重要影响；水池周围及顶部的保温和防漏所需的结构设计和材料开发，是水池式蓄热的核心技术。在可行性方面，蓄水池修改的初投资较高，同时，还需要占用大面积的土地资源，适合于地广人稀的地区用于区域集中供暖。目前，该水池式蓄热供暖在欧洲丹麦、德国等国家取得了非常好的应用。

2、太阳能跨季节土壤蓄热

图2给出了“太阳能跨季节土壤蓄热供暖系统”的基本原理图，类似的，该系统由太阳能集热子系统、跨季节土壤蓄热子系统和热泵供暖子系统3部分组成。土壤蓄热通常以120m以上的浅层土壤作为蓄热体，通过打井埋设地埋管换热管，在管内走循环水由管壁导热对土壤进行加热或冷却，从而实现蓄热和取热。与水池式蓄热相比，土壤蓄热温度相对要低，故此在供热时需要热泵提高供水温度以达到末端供暖需要；土壤蓄热可以根据末端热负荷改变打井的数目和深度，因而可大可小，既可用于区域集中供暖，也可用于分布式供暖。

此外，由于土壤温度相对稳定约15~20℃，在夏热冬冷地区，还可以兼顾夏天室内制冷需求。土壤蓄热具有蓄热材料便宜、蓄热潜能大、热损失较小、无环境污染等优点。当前，在技术方面，地下土壤温度的长期准确预测和热平衡控制是需要进一步研究的重要内容；在工程方面，需大幅度降低打井安装地埋管系统所需的成本。

太阳能跨季节蓄热供暖技术研究现状

以太阳能跨季节蓄热为代表的清洁供暖技术的发展，与国家或地区的经济发达程度、生活水平、地理条件，以及不同时期人们对环境保护的重视程等因素相关。从总体上看，无论选用哪种方式进行蓄热，优化系统运行参数和运行模式、减小储热系统热损失、提高蓄热效率、降低蓄热供暖成本等方面是研究者们关注的重点。

1、国外研究现状

在全球范围来看，北美和北欧发达国家较早开展了太阳能跨季节蓄热供暖相关研究，并开展了工程实践。早在20世纪60年代，美国伊利诺伊大学的Penrod就首次提出了将太阳能集热器与地埋管换热器组合的技术设想。到20世纪70年代后半期欧洲也开始了对太阳能跨季节蓄热系统的研究，并用于供暖系统取得了一定的成果。1979年起太阳能跨季节蓄热已成为国际共同研究的课题，并在国际能源机构（IEA）的大力支持下跨季节蓄热的研究取得了较大的进展。近年来，欧美等国家建立了许多太阳能跨季节蓄热供暖系统的实验平台和示范工程，其供暖量占总热需求量的比例已达到40%以上，最具代表性的国家是北欧的丹麦和北美的加拿大。

丹麦是全球最早使用太阳能蓄热实现区域供暖的国家，主要采用水池蓄热，其设计建造的蓄热系统生产成本也达到较低的水平，消耗3~4kWh电能即可产生1MWh的热量。经过多年的发展，丹麦地区多数供热系统已经实现高度智能化，系统运行基本实现无人值守，后期维护成本低，维护工作量小。

加拿大DrakeLanding社区采用了土壤蓄热方式，共有44口储热井，埋管深度37m，采用防水膜、砂子及黏土组成隔热层，夏末土壤最高温度可达80℃，系统总体节能效果显著。瑞典的Anneberg建有50个住宅单元的太阳能跨季节蓄热供暖系统，配备2400m²太阳能集热器，100口储热井，井内埋设双U型地埋管换热器，埋管深度65m，该系统运行两年，达到了预期效果。

2、国内研究现状

在我国，太阳能跨季节蓄热供暖主要采用与地源热泵相结合的方式，从而在提高供热效率的同时，可兼顾提高土地资源利用率。在实验研究方面，北京工业大学、天津大学、河北工业大学、清华大学、哈尔滨工业大学、吉林大学、东南大学等高校，先后建立了相关的实验平台或示范工程进行研究。

北京工业大学马重芳课题组针对供暖面积为50m²的实验室设计建成了小型太阳能跨季节蓄热热泵供暖系统，并进行了为期6个月的实验测试，实验表明这一太阳能供暖技术方案具有可行性。

天津大学在天津梅江小区搭建了跨季节土壤蓄热实验系统，为某一建筑的室内泳池提供能量，地下蓄热系统包括8口储热井，井间距5m，井深100m，内埋双U型地埋管换热器，向地下蓄热的温度设计为50℃，实验表明在天津地区实施跨季节蓄热供暖具有实际可行性。

清华大学在内蒙古自治区赤峰市启动了大型跨季节蓄热式太阳能—工业废热集中供暖系统示范项目，包含469处80m深的钻孔，钻孔中安装了单U型地埋管换热器，该系统无需化石燃料作为辅助加热源，地下蓄热体体积高达50万m³，热存储效率为90%。

为进一步优化设计和精确预测多年运行性能，研究者在理论模型和数值模拟方面也开展了大量工作。华北电力大学孙东亮等人利用相似性原理物理性缩小水箱蓄热模型，考虑水箱内液体流动和温度分层并通过数值模拟研究了在花岗岩型和沙子型两种不同土壤中水箱埋入深度对系统太阳能保证率的影响，得出了在花岗岩型土壤中，太阳能保证率随埋入深度的增加而增加。

在沙子型土壤中埋深对太阳能保证率影响不大。河北工业大学提出了地埋管换热器的三维轴向压缩传热模型，该模型将地埋管轴向进行压缩，而径向不做任何改变，从而解决了地埋管轴向径向尺度比过大造成的网格长宽比过高这一问题，降低了数值模拟误差。随后，河北工业大学又提出了三维轴向压缩分层传热模型，该模型更加贴近土壤具有水平分层这一实际特点，研究发现三维轴向分层压缩传热模型相较于其他传热模型实时跟踪性强，与温度实验值相比，相对误差小。

近年来，在国际化战略的指引下，引进、整合国外先进技术也成为技术发展重要技术路线之一。2016年，日出东方与丹麦Arcon-Sunmark（阿康-桑马克）公司成立合资公司，共同致力于太阳能跨季节蓄热采暖技术在中国城市的应用及推广。

注：文章节选自《太阳能跨季节蓄热供暖技术研究现状与发展前景》，原作者赵应昱。