我国冬季北方城镇大多采用集中供暖的形式，供暖用燃料的排放物与其他污染源（汽车尾气等）的综合效应，使得大气中的气溶胶污染非常严重，加重了天气中的雾霾，对人体的肺部及呼吸道造成严重危害。其他清洁能源虽然不会在使用当地产生污染物，但在应用中需综合考虑许多因素。相比电供暖、空气源热泵等清洁能源，在能量梯度利用上，地源热泵具有很大的取能优势，即高位能较大。我国自20世纪90年代开始热泵技术的相关研究，但是对于跨季节蓄热等前沿性的问题还处于探索阶段[1]。近几年发现，部分地区土壤源热泵单独长时间运行会导致地埋管周围土壤平均温度降低，取热量下降。因而，开展与之相关的蓄能技术，对于能量的高效利用和环境保护有着积极意义。1土壤蓄热的重要性1.1土壤蓄热概述土壤蓄热是指在用能低谷期段将多余能量储藏到土壤中，在用能高峰期从土壤中获取能量，用于生产或生活。1.2土壤蓄热的重要性土壤蓄热作为一种常规蓄热手段之一，随着其推广和使用，能够减少采暖能耗，提高土壤源热泵机组运行效率，有益于环境保护。（1）减少采暖能耗。我国北方特别是严寒、寒冷地区，每年的采暖耗能占全国城镇总能耗的40%左右。我国的地热能源丰富，地表浅层土壤能够蓄存较多的太阳能辐射能量，比例高达47%[2]。但由于北方地区采暖季时间较长，持续地从地下取热导致土壤平均温度下降。虽然可以采用一些常规的辅助热源进行补热或供暖，但也额外增加了能耗。如果能够在非采暖季向土壤蓄存一部分热量，在采暖季将其取出，可以在很大程度上减少采暖能耗。（2）提高土壤源热泵机组能效比ε。热泵的能效比公式为：ε=T热T热-T冷 （1）由式（1）可知，土壤源热泵能效比与T冷（土壤温度）相关，T冷越高，机组能效比越大。如果能够在非采暖季向土壤蓄存一部分热量提高土壤的温度，则在采暖季就可以大幅度地提高机组的能效比，起到节能和延长机组使用寿命作用。（3）有益于环境保护。土壤蓄热保证了土壤源热泵机组的运行稳定性，并由此间接降低了使用化石燃料所产生的氮硫化物排放，在一定程度上减轻冬季雾霾指数，间接性地保护了环境。2土壤蓄热的现状常见的蓄热方式为相变蓄热和固体显热蓄热[3]。在蓄热量很大的情况下，这两种蓄热方式不仅需要在蓄热材料上花费一定的初投资，还需要承担蓄热热源费用，其中要考虑热源的可靠性和稳定性。相比较之下，土壤本身可视为一个天然蓄能体。2.1土壤蓄热方式常见的土壤蓄热方式，从蓄热热源上可以分为太阳能-土壤蓄热、空气热源-土壤蓄热以及余热-土壤蓄热。太阳能-土壤蓄热的提出可追溯到20世纪60年代，研究人员提出将太阳能集热器和埋地盘管组合起来的构想，逐步发展成为广泛应用的太阳能-地源热泵空调系统[4]。王潇[5]提出SGCHPSS系统，如图1所示，将非采暖季丰富的太阳能转移至冬季使用，并模拟了有无蓄热两种情况下SGCHPSS系统的动态特性，得出在蓄热工况下，机组COP逐年升高和总耗电量逐年降低，而无蓄热工况下，则完全相反。在此基础上对其进行进一步优化，张萌[2]提出了SGCHP系统，系统增加了制冷、全年供生活热水使用功能。针对夏季太阳能光伏板过热问题，曹亚兴[6]结合土壤蓄热技术，建立了土壤蓄热与PV/T耦合系统，并模拟了该系统在夏季的运行特性，得出在向土壤储热时，与标准工况相比，热电效率大幅度提升。结果表明土壤蓄热既能提升太阳能光伏发电效率又可回收多余热量。10.19301/j.cnki.zncs.2023.03.013.F001图1SGCHPSS系统针对冬季大部分地区路面会积雪结冰，引发交通事故的问题，庞清楠[7]开发了太阳能-土壤蓄热融雪系统应用软件。在得知不同地区的地质条件和环境气候等因素的情况下，该软件可以计算冬季融雪需要的地埋管数，方便工程人员的设计。利用土壤蓄热，可以降低炎热夏季高温路面温度，延长道路寿命，扩大了太阳能的热利用，将储存的热量用于冬季融雪化冰。分析空气热源-土壤蓄热的研究文献，孙海龙[1]认为空气直接与土壤换热，效果不好，提出了空气热源-土壤蓄热热泵供暖系统，如图2所示。利用风机盘管作为换热器与夏季高温空气进行换热，将热量蓄存到土壤中；并且采用实验与模拟双向对比验证的方法，对夏季蓄热、过渡季土壤温度恢复、冬季取热三个过程进行研究，在储热过程中，土壤具体较强的稳定性；在恢复期，地表浅层容易受到外界环境影响，较为深层的土壤缓慢恢复趋于不变；在取热期，地埋管周围土壤的温度变化与供暖热负荷相关，并且埋管周围远处土壤的温度基本不变，再次证明了土壤的蓄热能力。10.19301/j.cnki.zncs.2023.03.013.F002图2空气热源-土壤蓄热热泵供暖系统对于余热-土壤蓄热，田晓峰[8]利用电厂乏汽余热作为蓄热热源在非采暖季为浅层土壤蓄热，使地埋管周围土壤温度场得到有效恢复。在采暖季利用电厂乏汽余热与浅层地热能联合供热，在热力站利用一次网高温热水驱动吸收式热泵提取土壤热量，实现了电厂乏汽余热的高效回收。保障了土壤源热泵的长期、稳定、高效运行，扩大了既有电厂热源的供热能力，具有显著的节能环保优势。2.2土壤蓄热材料现状考虑蓄热的相变材料（PCM）具有吸/放热量大、自身温度相对稳定的特点，周铁程[9]在传统的土壤-空气换热器的基础上，提出相变蓄热体辅助的土壤-空气换热器。根据实现换热器总热阻减小的方式，提出两种不同的结构方案，空心圆柱形相变蓄热体辅助的土壤-空气换热器（HCPCM-EAHE）和圆柱形相变蓄热体辅助的土壤-空气换热器（PCM-EAHE）。实验中发现，以质量比癸酸∶棕榈酸=97∶3的二元复合PCM为相变蓄热芯材，以其10%的EG为基材，可以制得一种相变温度为28.16 ℃、过冷度约0.3 ℃、结构稳定、导热性能良好的相变蓄热材料。2.3地埋管的研究在以往的地埋管蓄热研究中，采用的模型一般均不考虑地下水分迁移问题，在实际工程实施中地下水层流动地影响不可或缺。魏亚志等[10]建立了热渗耦合作用下的土壤传热模型用来分析水分迁移的影响，研究发现地下水渗流会向水流流动的区域传热；较小的地下水渗流速度对于土壤蓄热来说可以忽略不计。2.4土壤蓄热的应用方式土壤蓄热最常见的应用方式是地源热泵。除此之外，土壤-空气换热器也是从土壤蓄热取热的一种方式。土壤-空气换热器以空气为载热体，借助风机动力装置，利用土壤和空气之间的温差，加热或冷却空气，满足居民的生产和生活需求。2.5土壤蓄热的用途土壤蓄热根据蓄热时长可分为短期蓄热和季节性蓄热[3]。短期蓄热一般采用的是太阳能+土壤蓄热模式，主要用于种植业，尤其是用于我国北方地区温室大棚等。赵影等[11]设计了温室太阳能-土壤蓄热系统自控系统，如图3所示。自控系统通过传感器接收温度信号，实时反馈、实时控制从而达到无人坚守的目的。这种蓄热取热模式与传统烟道加温、电加热等方式相比，具有质的飞跃。10.19301/j.cnki.zncs.2023.03.013.F003图3太阳能-土壤蓄热系统自控系统季节性蓄热由于其本身的特性：蓄热量大，可靠性好等优点，用途广泛。如冬季地面融雪化冰、建筑供暖、预热新风、工业生产。3土壤蓄热的影响因素土壤的蓄热特性主要受施工工艺、土壤类型、土壤初始温度、地埋管管材等因素的影响。受到施工工艺影响，U型管放入钻孔后，管脚间距对称性很难控制，导致土壤蓄热性能下降；不同类型的土壤，其主要的热工参数不同，导温系数越大，导热系数越小虽有利于土壤蓄热的存储，但是导热系数过小同时又会影响储热过程的传热量。土壤初始温度会影响年平均蓄热量，土壤初始温度越高，所需储存的蓄热量就越少，会降低蓄热系统的运行效率，同时还会影响有制冷需求用户的性能。除此之外，地埋管的使用都是一次性的，赵晶晶[12]研究发现，不同埋管管材对于跨季节土壤蓄热的地埋管周围温度无明显变化，在选择管材时需要兼顾使用寿命和造价。4结语文章回顾了国内关于土壤蓄热的部分研究，阐述了土壤蓄热的重要性、现状以及影响因素。发现土壤蓄热可以采用不同的方式进行蓄热和取热，应用范围广泛，土壤蓄热在实际工程中虽然存在部分缺点或者受到地方区域的限制，但是土壤蓄热的能源优势明显，鉴于土壤蓄热具有巨大的储能市场以及对环境保护的作用明显，土壤蓄热仍然有重大研究价值。