目前，我国北方冬季供暖大多采用加热室内地板的方法，通过辐射和对流方式完成室内供热，但无论是发热电缆辐射采暖还是低温热水辐射采暖，均需要使用大量的煤、电、燃气，不仅耗费大量能源、利用率较低，而且还会造成严重污染。此外，我国北方冬冷夏热，室内与室外温差较大，急需一种能够调节室内温度的储能系统(何燕等，2015；魏凤，2009)。太阳能是一种可再生能源，具有清洁、环保、持续、长久等优点，符合当今时代的发展需要，为解决能源危机、气候变暖、节能减排等问题提供了新的思路和方法(闫云飞等，2012；陈红兵等，2017)。

在我国北方农村地区，几乎家家户户都有太阳能热水器和小型水井，鉴于此，本研究基于传热学原理和理论(章世斌等，2013；吕淑平等，2014)，提出太阳能加热与井水制冷墙裙板的设计思路，设计一种热量集散器作为太阳能热水器或水井与墙裙板进行冷热传导的媒介(吴继臣等，2003)，为开发一种能够实现高效热传递的储能系统(郭其峰，2007；刘显茜等，2009)提供理论依据。

1 太阳能加热与井水制冷墙裙板储能系统功能分析

太阳能加热与井水制冷墙裙板储能系统，按结构可分为供能系统、储能系统和集散冷热系统(Shafieian et al., 2018)三大部分：供能系统主要指太阳能热水器(冬季)和室内空气(夏季)；储能系统主要指保温储水箱，其通过温度传感器检测水温，并通过控制系统对循环水泵以及进出口阀门开关的控制实现储能水箱与太阳能热水器或水井中冷水的温度差保持在一定范围内；集散热系统主要指墙裙板，其正面为木板，内嵌金属铝板(铝导热性好，材质较轻，耐腐蚀性好)，背面加附保温板(Bhowmik et al., 2017)。墙裙板按功能可分为供暖和制冷2种工作模式：供暖模式是利用太阳能将水加热，达到一定温度的水输送至储能器，利用热传递和金属导热原理，使水的热量从储能器传递至墙裙板，再传递至室内空气，以提高室内温度；制冷模式是将井水输送至储能器，室内空气的热量通过墙裙板传递至储能器储存的水中，以降低室内温度。太阳能加热与井水制冷墙裙板储能系统如图 1所示。

2 太阳能加热与井水制冷墙裙板储能系统总体设计

储能系统作为太阳能加热与井水制冷墙裙板系统的核心部件，其工作模式影响整个系统的工作效率(胡隐樵，1999；师梁艳，2016)，其中墙裙板热传递效率是整个系统设计的关键。储能系统由保温储水箱、循环水泵和控制器等组成，主要用于墙裙板与供能系统的热交换，从而使室内温度升高或降低(王世锋，2004)。保温储水箱包括储水容器、隔热材料、装饰板等；控制器包括PLC控制器、温度传感器和压力式液位计、电磁继电器(控制电机的工作)等。储能系统是连接太阳能热水器与墙裙板的热量集散器，具体工作原理为：进水管注入井水或热水，此时导热棒护罩可起到隔离井水或热水和导热金属棒的作用，其材料与复合保温层相同，均为聚氨酯，从而达到储能目的；当需要通过热量传递改变室内温度时，抽水泵开始抽水，将储能水箱中的井水或热水通过水管吸入导热棒护罩中，与金属导热棒接触，从而使热水或井水与墙裙铝板之间可以通过铜棒换热。储能系统总体设计如图 2所示。

实现高效热量传递，储能系统需满足以下2点要求：首先，要减小储能系统本身的热量散失，从而保证更多热量传递至墙裙板；要设计合理的导热金属结构，增大与水的接触面积，使热量能以更高的效率传递；其次，储能水箱的容积要与太阳能热水器容积按一定比例相匹配，确保能够可持续地进行水循环。

2.1 储能系统保温储水箱设计

保温储水箱作为储能系统的核心部件，其保温性能是否优良在很大程度上影响储能系统的工作效率。本研究设计的保温储水箱主要用于储能系统中，作为墙裙板与太阳能热水器或井水进行热传递的容器(邱仲华等，2014)。保温储水箱由水容器、隔热材料、装饰板等组成，这里初步将储能主水箱的容积设计为50 L，如图 3所示。

保温储水箱直径为300 mm，高度为750 mm。传感器布线及排气孔为温度传感器和压力式液位计布线供电的同时，保证水箱进出水工作正常；上下各有一管道，分别为进水口和回水口，进水口处安装一个电磁阀，出水口外接循环水泵；控制器根据水箱内的水温，通过预设程序控制电磁阀的开合以及循环水泵的工作；顶部中心位置开孔，为导热金属棒预留孔；底部留有除垢孔，可定期清除水箱中的水垢。

保温储水箱可采取填充物隔热保温的方式，为提高热传递效率，需选用导热系数较低的材料。通过对比分析，综合经济性等因素，可选材料如表 1所示。

由表 1可知，导热系数方面，硬质聚氨酯复合材料、橡塑海绵保温材料和聚苯乙烯泡沫的导热系数较低，可有效减少热量散失；工作温度方面，由于太阳能热水器中的水可达到70~80 ℃，所以硬质聚氨酯复合材料和橡塑海绵保温材料符合使用要求。硬质聚氨酯复合材料的导热系数更低、工作温度更高，故选择硬质聚氨酯复合材料为保温储水箱的保温材料(陈涛，2012)。

2.2 储能系统导热及连接结构设计

如表 2所示，在0~100 ℃条件下，导热率纯铜＞铝＞铸铁，故保温储水箱与墙裙板的导热金属棒选用热传导率高且成本相对较低的铜作为材料。

为增加导热金属棒与水的接触面积，采用螺旋状金属铜棒。水箱外部铜棒需用硬质聚氨酯复合材料包裹，以减少热量散失。

3 太阳能加热与井水制冷墙裙板储能系统控制系统设计

由于太阳能加热与井水制冷墙裙板储能系统在运行过程中最为关键的就是水的温度和水位的控制，需对水温和水位进行监测，所以使用单片机作为控制器(张金花等，2016)。利用数字温度传感器测量水温，利用压力传感器检测水位，将数据传输到单片机，采用相应的PID程序得到误差较小的控制量，再由单片机输出信号给执行器，以实现定时检测水位和自动上水、实时显示加热时间和温度等功能。具体到水温控制，则可以利用单片机中的PWM功能，以实现对加热棒的功率控制，更精确地控制水温。

根据实际使用状况，选择松下D3B压力传感器测量水位。压力传感器可以监测水箱底部的压力，并将压力值反馈到单片机中与预设值进行比较，当检测到水压低于预设值时，电磁阀移动开始进水，在此过程中，单片机会继续按一定频率发出信号命令压力传感器监测水压，一旦到达预设值，水箱便停止进水，以此实现控制水位的功能。此外，在单片机输出端连入达林顿管TIP127驱动电路驱动电磁阀，以增加信号的可靠性(孙智超等，2017)。可以通过相应的上位机软件直观观察水温变化趋势及动态、稳态性能等，还能根据显示曲线对控制对象进行建模和参数整定。

4 太阳能加热与井水制冷墙裙板储能系统传热学理论分析

以长4 m、宽3.5 m、高2.8 m的房间作为对象，模拟供暖或制冷时的热量传递，并计算室温增加或降低一定温度时的热传递总量和热传递速率，验证太阳能加热与井水制冷墙裙板加热和制冷功能的可行性(张显，2010；王季陶，2012)。

4.1 加热模式的传热学理论分析

太阳能热水器中的水被加热后，经管道输送至保温储水箱中，由于在循环水泵作用下，保温储水箱与太阳能热水器保持基于设定温度值的水循环，因此忽略储能水箱自身及管道的散热(卢奇等，2012)。

保温储水箱中，热水与导热金属铜棒之间进行强制对流换热，导热金属铜棒与墙裙板中的铝板相连。在0~100 ℃范围，纯铜的热导率约为330 W·m^-1K^-1，铝的热导率约为170 W·m^-1K^-1，纯铜的热导率大于铝的热导率。因此，模型简化为保温储水箱中的热水与墙裙板中的金属铝板进行强制对流换热。

我国北方地区冬季平均太阳辐射强度P为2.52×10⁶ J·m^-2h^-1(吴继臣等，2003)，平均日照时间t为10 h。取有效采光面积A为2 m²，光热转化效率η为60%；Q为太阳能热水器吸收的热量。

代入太阳能热水器吸收太阳能辐射的公式：

$ Q = ptA\eta, $

(1)

得：

$ Q = 3.02 \times {10^7}{\rm{J}}。$

设全天接收的太阳辐射总量为Q_λ。设室外温度T₁=273 K，室内预设温度T₂=293 K，室内体积V₁=90 m³，一般取空气密度ρ₁=1.205 kg·m^-3，空气比热容C_p1=1×10³ J·kg^-1℃^-1；铝的密度为ρ₂= 2.7×10³ kg·m^-3，比热容C_p2=0.9×10³ J·kg^-1℃^-1；Q₁为空气吸收的热量，Q₂为墙裙板内铝板吸收的热量。

代入公式：

$ Q = \rho V{C_{\rm{p}}}({T_2} - {T_1}), $

(2)

得：

$ {Q_1} = 2.16 \times {10^6}{\rm{J}}。$

设墙裙板中铝板的体积V₂=8×10^-3m³，则由公式得：

$ {Q_2} = 3.89 \times {10^5}{\rm{J}}。$

因此，Q+Q_λ＞＞Q₁+Q₂，故太阳能热水器能够提供房间内温度升高所需要的热量(由于Q＞＞Q₁+Q₂，故不再对Q_λ展开计算)。

一般情况下，冬季太阳能热水器中的水温为50~65 ℃，液体强对流系数α的取值范围为1 000~1 500 W·m^-2K^-1，气体强制对流系数α的取值范围为20~100 W·m^-2K^-1。

保温储水箱中，设水的温度T_w=323 K，导热金属的温度T_f=293 K；取α₁=1 000 W·m^-2K^-1，导热铜棒尺寸为Φ50×500，与热水的接触面积A=0.157 m²。

由公式

$ \varphi = \alpha ({T_{\rm{w}}} - {T_{\rm{f}}})A, $

(3)

得：

$ {\varphi _1} = 4.71\ {\rm{kW}}。$

同理，墙裙板与空气接触部分，设导热金属铝板的温度T_w=293 K，室内空气的温度T_f=273 K；取α₂=100 W·m^-2K^-1，铝板与空气的接触面积A=0.8 m²。

同理得:

$ {\varphi _2} = 1.6\ {\rm{kW}}。$

φ₁＞φ₂，表示储能系统中的热水与导热铝板的热流量大于导热铝板与空气的热流量。

综上，通过热传递总量和热传递速率2方面的理论分析，验证了太阳能加热与井水制冷墙裙板加热模式的可行性。

4.2 制冷模式的传热学理论分析

夏季，室外温度为30~40 ℃，取平均温度T₃=35 ℃，室内预设温度T₄=25 ℃，设井水温度T_x=18 ℃，室内体积为V₁=90 m³；一般取空气密度ρ₁= 2 kg·m^-3，空气比热容C_p1=1×10³J·kg^-1℃^-1；铝的密度为ρ₂=2.7×10³ kg·m^-3，比热容C_p2=0.9×10³ J·kg^-1℃^-1；水的比热容为4.2×10³ J·kg^-1℃^-1。

设密闭绝热空间内，温度由35 ℃降到25 ℃所需释放的热量为Q′，墙裙板内铝板需释放的热量为Q_L。

由式(2)得：

$ \begin{array}{l} Q' = 1.08 \times {10^6}{\rm{J}};\\ {Q_L} = 1.94 \times {10^5}{\rm{J}}。\end{array} $

但实际情况下，室内每天接收的太阳辐射是室内温度升高的主要因素，因此要想将室内温度降到预设温度，需要释放的热量还包括全天接收的太阳辐射总量Q_λ。

以北京地区为例，夏季全天平均接收的太阳辐射总量为27.61 MJ·m^-2，按采光面积2 m²计算，则Q_λ=5.52×10⁷J。

综上，有公式

${Q_{\rm{T}}} = Q' + {Q_{\rm{L}}} + {Q_\lambda }。$

(4)

由式(4)可得：

$ {Q_{\rm{T}}} = 5.65 \times {10^7}{\rm{J}}。$

由公式

$ M = \frac{{{Q_{\rm{T}}}}}{{{C_{\rm{p}}}({T_4} - {T_{\rm{x}}})}} $

(5)

可知，要想使室内空气降低到预设温度，需要循环水的质量M=1 921.8 kg。

因此，储能系统可通过与水井之间的水循环流动吸收热量，从而使室内温度降低到预设值。

夏季，一般情况下，设井水平均温度为18 ℃，液体强对流系数α取值范围为1 000~ 1 500 W·m^-2K^-1，气体强制对流系数α的取值范围为20 ~100 W·m^-2K^-1。

保温储水箱中，设水的温度T_w=291 K，导热金属的温度T_f=298 K；取α₁=1 000 W·m^-2K^-1，导热铜棒尺寸为Φ50×500，与热水的接触面积A=0.157 m²；储能系统中的井水与导热铝板的热流量为φ₃，导热铝板与空气的热流量为φ₄。

由公式

$\varphi = \alpha ({T_{\rm{w}}} - {T_{\rm{f}}})A, $

(6)

得：

$ {\varphi _3} = 1.1\ {\rm{kW}}。$

同理，墙裙板与空气接触部分，设导热金属铝板的温度T_w=298 K，室内空气的温度T_f=308 K；取α₂=100 W·m^-2K^-1，铝板与空气的接触面积A=0.8 m²。

由式(6)得：

$ {\varphi _4} = 0.8\ {\rm{kW}}。$

φ₃＞φ₄，表示储能系统中的井水与导热铝板的热流量大于导热铝板与空气的热流量。

综上，通过热传递总量和热传递速率2方面的理论分析，验证了太阳能加热与井水制冷墙裙板制冷模式的可行性。

5 结论

1) 太阳能加热与井水制冷墙裙板储能系统和设计具有可行性，可为今后对储能系统的研究与推广提供一种新思路。通过对温度和水位的检测，对进出口阀门和循环水泵进行控制，可实现储能系统与太阳能热水器或水井的水循环，保证热量传递的持续进行。

2) 在加热模式下，太阳能热水器吸收太阳能辐射的热量为1.68×10⁷J，远远大于室内空气和墙裙板所吸收的热量，因此太阳能热水器能够提供屋内升高温度所需要的热量。同理，在制冷模式下，储能系统中井水与导热铝板的热流量为1.1 kW，大于导热铝板与空气的热流量0.8 kW。经过上述2种模式下的热力学计算，验证了太阳能加热与井水制冷墙裙板制冷模式的可行性。