跨季节埋管蓄热系统及应用

1.本书对我国建筑用能现状、能源转型时期的清洁供暖需求、蓄热技术和跨季节蓄热技术进行了全面而系统的阐述，汇总了不同类型地下跨季节蓄热系统国内外典型实际应用案例及系统相关信息，详细介绍了不同类型地下跨季节蓄热系统原理及对应的建筑供热系统形式，对比分析了不同类型地下跨季节蓄热系统的特征和优缺点，从独特的视角对BTES系统和GSHP系统进行了概念边界和技术边界划分，辨析了该两种系统的区别与关系。 2.本书深入调研了国内外BTES建筑供热技术研究应用现状，针对BTES系统国内外不同应用现状、形式和蓄热温度，总结出了3种基于BTES系统的建筑供热系统模式，明晰了应用中存在的一些关键科学问题，理论分析、建立并验证了BTES系统单井和井群蓄热体三维瞬态传热数学模型。，分析并揭示了不同影响参数及组合对BTES系统蓄热、取热以及蓄热体内部复杂热交互作用影响机制，为进一步探索BTES系统的应用和优化设计策略提供理论基础，所得影响因素的研究结果可用于指导我国不同气候区BTES系统的设计与优化。 3.本书通过多个BTES系统实际工程应用案例，对BTES供热系统设计、优化、系统运行模式、系统运行性能和安装施工等方面进行了详细介绍。以北方严寒气候区绿色农业大棚建筑供暖为主要案例，从大棚建筑节能改造、前期地址勘察、BTES蓄热供热系统方案优化设计、末端供热方式，工程施工及系统实际应用效果6个方面，系统全面的介绍了BTES建筑供暖系统适宜性设计和实践应，并以其他典型实际应用案例做支撑和补充介绍。

建筑“节流”和“开源”是实现我国节能减排重大战略决策的主要任务之一，优先利用可再生能源已逐步成为解决我国建筑用能问题的不可逆趋势。跨季节埋管蓄热技术作为连接建筑用能端与可再生能源利用的天然缓冲和中继，在源端和建筑用能端之间起到了重要的桥梁和纽带作用，因此近年来成为国内外研究热点和创新重点。跨季节埋管蓄热技术可结合供暖地区用热特点，具备显著的节能效益且运行可靠稳定，其可复制性和可扩展性使得其可广泛应用于农业、农村、学校、城区、公共建筑等大型供暖项目，因此逐渐备受关注。在当前超低能耗建筑如火如荼的应用推广背景下，有效利用太阳光热、电厂余热和工业废热等资源，并通过跨季节埋管蓄热技术进行有效收集蓄存，可为建筑供能和建筑“节流”“开源”提供可靠的技术解决方案。
我国岩土跨季节埋管蓄热技术研究起步较晚，缺乏理论和技术支持，因此实际应用也较少。我国建筑能耗占社会总能耗的45%以上，其中供暖空调能耗占建筑能耗的约55%。在我国正面临着能源短缺与环境污染的双重压力背景下，随着建筑能耗日益增加，寻求长期有效、清洁无污染的可再生能源解决建筑供暖制冷的问题显得尤为重要，是国内外研究的重要方向。而如何设计出基于可再生能源的节能高效的供暖制冷系统关键在于技术问题。通过跨季节埋管蓄能井（地下蓄能体）使可再生能源储存在土壤中，并以地下蓄能体为源端解决建筑供暖、制冷和生活用热水问题，且通过优化设计使之成为高效节能的供暖制冷系统具有较强的研究价值和广阔的应用前景。
另外，我国对岩土跨季节埋管蓄热系统（borehole thermal energy storage，BTES）与埋管地源热泵系统（ground source heat pump，GSHP）没有很明显的界限划分，对其定义较为模糊。因此，本书详细介绍了常用的地下跨季节蓄热系统，并对BTES系统和GSHP系统进行了边界划分。此外，本书对BTES系统热特性以及BTES建筑供暖系统进行了更为深入的探索。书中的BTES系统理论模型、设计与研究方法以及相应成套数据可用于进一步研究BTES系统不同影响因素与热特性的耦合交互影响机制，并用于指导实体建筑或建筑群供暖项目总体设计以及相应热性能的优化设计，对于BTES的优化设计和大规模推广应用有着较为重要的理论和实践指导价值。
本书共7章，其中第1～5章由陈萨如拉编著；第6，7章由陈萨如拉和杨洋共同编著。
限于撰写时间及水平，书中不足与疏漏之处在所难免，敬请读者批评指正。

陈萨如拉
2021年6月

陈萨如拉，安徽建筑大学建筑与规划学院讲师，工学博士，主要研究方向包括主/被动式储能系统设计与优化；跨季节储能供能系统与建筑集成技术；零能耗建筑能源系统设计与应用研究；低能耗建筑设计方法与技术集成；传统建筑适宜性改造技术研究等。在Applied Energy、Energy Conversion and Management、Renewable Energy等国际期刊担任审稿人；在国内外期刊发表论文十余篇、申请/授权发明和实用新型专利100余项，其中主被动式跨季节储能系统开发方面专利近20项，主持/参与若干项纵向研究课题和主导完成跨季节储能供能相关企业横向课题。

本书共7章，首先通过对建筑能耗和建筑清洁供暖进行简要介绍讨论了蓄热技术在清洁供暖中的重要性，随后详细介绍了跨季节蓄热技术、BTES系统单井蓄热体建模方法与性能分析、BTES系统影响因素及敏感性分析方法、BTES系统井群模型及性能特性，列举了BTES供热系统典型应用实例，最后展望并介绍了新型BTES技术。
本书具有较强的专业性和先进性，可供从事储能、跨季节储热、清洁供暖、可再生能源利用、余热废热回收利用、建筑节能、暖通等相关行业的工程设计人员参考，也可供高等学校环境、暖通、能源、建筑等专业相关师生参阅。

第1章绪论1
1.1建筑能耗现状1
1.2建筑供暖现状与趋势2
1.3蓄热技术在清洁供暖中的重要性3
参考文献4

第2章跨季节蓄热技术5
2.1蓄热技术概述5
2.1.1蓄热方式5
2.1.2跨季节蓄热技术发展6
2.2跨季节地下蓄热及建筑供热系统8
2.2.1BTES系统原理及建筑供热系统8
2.2.2WTES系统原理及建筑供热系统16
2.2.3ATES系统原理及建筑供热系统18
2.2.4GWES系统原理及建筑供热系统21
2.2.5四种地下跨季节蓄热系统对比分析21
2.3BTES技术关键问题国内外研究现状24
2.3.1BTES技术应用研究现状24
2.3.2BTES技术理论研究现状24
2.3.3关键存在问题28
2.4BTES系统与GSHP系统边界29
2.4.1概念边界30
2.4.2技术边界31
参考文献32

第3章跨季节埋管蓄热系统单井蓄热体模型及热特性分析36
3.1BTES系统单井蓄热体几何模型36
3.1.1ANSYS软件介绍36
3.1.2几何模型37
3.1.3网格划分38
3.2BTES系统单井蓄热体数学模型40
3.2.1单井传热过程40
3.2.2钻孔内部传热模型41
3.2.3钻孔外部传热模型46
3.2.4单值性条件50
3.3BTES系统单井蓄热体模型验证54
3.3.1网格独立性验证54
3.3.2模型简化假设验证58
3.3.3热响应实验验证59
3.3.4单井沙箱实验验证63
3.4BTES系统单井蓄热体热特性分析66
3.4.1不同运行条件下换热性能分析66
3.4.2不同运行条件下瞬态温度分布67
3.5本章小结72
参考文献72

第4章BTES系统影响因素及敏感性分析方法74
4.1影响因素筛选与范围的确定74
4.1.1影响因素筛选74
4.1.2影响因素范围75
4.2抽样设计76
4.2.1抽样设计方法76
4.2.2抽样设计结果78
4.3全局敏感性分析方法选取79
4.3.1概念及分类79
4.3.2全局敏感性分析方法选用80
4.3.3因素间相关性分析84
4.4全局敏感性分析技术路线与结果表达85
4.4.1技术路线85
4.4.2结果表达85
4.5本章小结87
参考文献87

第5章BTES系统井群模型及其性能特性91
5.1BTES系统井群布置形式91
5.2BTES系统井群数学模型93
5.2.1BTES井群几何模型93
5.2.2单值性条件94
5.2.3时间步长独立性验证96
5.2.4井群沙箱实验验证100
5.3BTES系统性能评价指标102
5.4蓄热阶段性能105
5.4.1总注入热量(IH)106
5.4.2蓄热量(SH)和蓄热率(SE)111
5.4.3热损失(HL)和热损失率(HLP)117
5.4.4能量密度(ED1)123
5.4.5平均换热量(HTR)128
5.5取热阶段全局敏感性结果与分析133
5.5.1取热量(HE)133
5.5.2取热率-1(EP1)134
5.5.3取热率-2(EP2)139
5.5.4能量密度-2(ED2)142
5.6本章小结147
参考文献148

第6章乌海市某农业大棚应用BTES建筑供暖系统应用实例150
6.1农业大棚建筑介绍150
6.2大棚建筑节能改造152
6.3大棚建筑供暖负荷计算154
6.3.1基本资料154
6.3.2负荷计算156
6.4BTES供暖末端系统设计157
6.5基准供暖设计方案159
6.6BTES与热泵耦合系统供暖方案设计162
6.6.1设计与优化模拟方案162
6.6.2技术经济评价方法164
6.7供暖方案优化结果与分析165
6.7.1技术性能分析165
6.7.2经济性能分析169
6.7.3优化方案结果170
6.8择优方案设计方法178
参考文献179

第7章跨季节蓄热研究展望与新型蓄能系统180
7.1BTES蓄热技术研究展望180
7.1.1本书研究成果简述180
7.1.2BTES系统存在的不足182
7.2被动式地下跨季节储能系统183
7.2.1被动式跨季节供能蓄能系统183
7.2.2被动式集能蓄能供能系统188
7.2.3具有振动强化传热功能的被动式蓄能供能系统192
7.2.4具有双储液腔结构的地下储能系统197
7.2.5具有分层结构特征的多用途地下储能系统200
7.3多模驱动的地下跨季节储能系统205
7.4建筑集成储能系统209

附录213
附录1主要符号213
附录2缩略语214
附录3UDF程序216