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目前，人類面臨能源短缺和環境惡化兩大問題，開發利用可再生能源，是人類必須尋求的一條能源與環境可持續發展的戰略道路。太陽能作為一種取之不盡、用之不竭的清潔能源,在國內外倍受關注。在北方采暖地區，將非采暖季節的太陽能收集并存儲于土壤中，冬季再被取出供熱，這種充分利用太陽能來節約一次能源的技術被稱為太陽能季節性土壤蓄熱技術。
1 太陽能季節性土壤蓄熱技術概述
　　1.1太陽能季節性蓄熱的分類
太陽能季節性蓄熱是指將非采暖季豐富的太陽能轉移至采暖季太陽輻射較弱時加以利用，以補償太陽輻射與熱量需求之間的季節性差異，從而達到更高效利用太陽能的目的。
太陽能季節性蓄熱主要包括4種形式：熱水蓄熱、礫石-水蓄熱、土壤蓄熱和含水層蓄熱[1]。其中，含水層蓄熱被認為是成本最低的，其次是土壤蓄熱，而帶有地下蓄熱罐的熱水型和礫石-水蓄熱成本較高，在沒有合適的含水層土壤資源時，一般考慮使用土壤蓄熱。季節性蓄熱是一種長期蓄熱形式，是與短期蓄熱或晝夜型蓄熱相對而言。
太陽能季節性土壤蓄熱具有蓄熱能力大、熱損失較小的優點。從長遠的觀點來看，該蓄熱方式被認為是跨季節儲熱的最有前途的方式之一[2]。
1.2太陽能季節性土壤蓄熱的應用
土壤耦合熱泵技術因其可利用淺層地熱，且對環境無污染，在國內外被迅速推廣應用。但是，在嚴寒地區，冬季熱負荷遠大于夏季冷負荷，即冬季系統從土壤的取熱量遠大于夏季的排熱量，常年運行下去，土壤溫度將逐年降低，熱泵運行效率也將逐年下降。將太陽能季節性土壤蓄熱技術與土壤耦合熱泵技術相結合，通過太陽能的移季利用，使取熱量等于排熱量，可以從根本上解決土壤熱量不平衡問題。該系統被稱為季節性蓄熱太陽能-土壤源熱泵耦合系統。現已建立了示范工程，實踐表明該系統比土壤源熱泵供暖系統更加節能、熱泵性能明顯提高 [3]。
2 國內外研究現狀
2.1國外研究現狀
季節性蓄熱的思想是20世紀60年代美國首次提出的，70年代進行了大量的理論和實驗研究，80年代北歐各國也相繼開展了太陽能季節性蓄熱的研究。1985年，芬蘭的Lund和Östman提出了一個三維數值模型，用來模擬垂直埋管季節性土壤蓄熱，通過各種模擬分析和優化，得出對于一個有500棟房屋的社區，太陽能保證率可以達到70%[4]。D. Pahud對一個太陽能蓄熱式集中供熱系統進行了動態模擬。該系統由太陽能集熱器、緩沖蓄熱水箱、埋管土壤蓄熱裝置組成，短期的熱需求由緩沖水箱承擔，季節性的熱需求由埋管土壤蓄熱裝置承擔。作者對主要的系統參數進行了優化，得出每年太陽能提供熱量的比率為70%，每m2太陽能集熱器對應的緩沖水箱體積為110～130m3，埋管體積為4～13m3，對于導熱系數為2.5W/m?K的土壤來說，土壤埋管的最佳間距為2.5m[5]。Olszewski分析了在高緯度國家利用土壤作為季節性蓄熱介質的可能性，建立了隨時間變化的三維蓄熱仿真程序，計算了蓄熱過程中的太陽能集熱器出口水溫和土壤溫度場[6]。
2.2國內研究現狀
國內關于利用土壤進行太陽能季節性蓄熱的報導最早出現在1984年，馬文麒對太陽池的跨季度蓄熱問題進行了理論分析和數值計算 [7]。從二十一世紀初，隨著土壤源熱泵技術發展，土壤熱平衡問題日益受到高度關注，太陽能季節性土壤蓄熱作為當前最佳解決方案，成為研究的焦點。哈爾濱工業大學的智艷生和吳冬梅等對嚴寒地區帶太陽能季節性蓄熱的土壤源熱泵系統進行了實驗研究，收到了良好的效果[8]。近幾年，天津大學對太陽能跨季節蓄熱進行了一系列研究，模擬并分析了供暖系統的長期運行特性和土壤的蓄熱特性，并針對示范工程開展相應的應用研究[9-10]。中南大學的羅蘇瑜通過數值模擬，分析了埋管間距對蓄熱與釋熱的運行特性的影響，但是未結合蓄熱源進行整體分析[11]。楊衛波等建立了考慮地下水滲流與熱濕遷移影響的準三維U形埋管土壤蓄熱的數學模型，探討了利用太陽能-地源熱泵系統中原有鉆孔U形埋管進行太陽能跨季節性土壤蓄熱的可行性及其特性，得出地下水滲流的存在可以強化地下埋管的換熱效果，但不利于用埋管作為蓄熱裝置[12-13]。
3 現狀分析及展望
歐洲多年的研究和實踐表明，季節性蓄熱技術具有很大的潛能，是目前極具發展潛力的大規模利用太陽能的一種有效方式。國內對太陽能季節性土壤蓄熱的研究和應用起步較晚，近幾年才開始建立示范項目，但由于數量少，運行時間短，所獲得的實際數據不充足；且該項技術受地域影響大，個別地區的研究及實踐經驗不具通用性。因此，各地區政府大力宣傳并鼓勵建立更多的示范工程，是推動該項技術快速發展的重要因素之一。
國內外對太陽能季節性土壤蓄熱技術的研究，主要集中在地下換熱器的形式，地下換熱器傳熱模型，埋管布置方式，土壤特性對傳熱的影響及運行模式等幾個方面，以往的研究多數只研究地下埋管傳熱，而缺乏對跨季節蓄熱式供熱系統的整體研究及長期研究，整體研究包括運行模式的選擇及控制研究，關鍵設備（如太陽能集熱器、埋管換熱器、熱泵及末端裝置）的匹配研究和工作條件對系統運行特性的影響研究等。系統的整體運行優化是提高系統運行性能的關鍵。長期研究是指在系統壽命年限內，對其進行的連續動態模擬研究，如系統連續運行10年、20年、30年后的運行狀況，依據模擬結果，為系統的可持續性應用提供理論依據。
　　4 結語
太陽能季節性土壤蓄熱技術，突破了太陽能利用的不穩定性及季節相反性的局限，擴大了太陽能的利用范圍。該項技術在我國的快速發展不僅需要研究者的積極努力，還需要政府的大力支持。
參考文獻：
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[3]張文雍. 嚴寒地區太陽能-土壤耦合熱泵季節性土壤蓄熱特性研究[D].哈爾濱:哈爾濱工業大學博士學位論文,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]馬文麒,李申生.太陽池和池下土壤的跨季度蓄熱[J].太陽能學報,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, 趙軍, 李新國等. 跨季節蓄熱地源熱泵地下蓄熱特性的理論研究. 太陽能學報. 2008, 29(8): 920-926
[10]趙軍, 陳雁, 李新國. 基于跨季節地下蓄熱系統的模擬對熱儲利用模式的優化. 華北電力大學學報. 2007, 34(2): 74-77
[11]羅蘇瑜. 土壤蓄熱與土壤源熱泵集成系統的數值模擬. 節能. 2007, (6):12-15
[12]楊衛波, 施明恒, 陳振乾. 太陽能-U形埋管土壤蓄熱特性數值模擬與實驗驗證. 東南大學學報(自然科學版).2008, 38(4): 651-656
[13] 楊衛波, 陳振乾，施明恒. 跨季節蓄能型地源熱泵地下蓄能與釋能特性. 東南大學學報(自然科學版). 2010, 40(5): 973-978

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