中國(guó)儲(chǔ)能網(wǎng)訊：發(fā)展跨季節(jié)儲(chǔ)熱技術(shù)對(duì)實(shí)現(xiàn)我國(guó)供熱領(lǐng)域的綠色低碳轉(zhuǎn)型具有重要意義。本文從跨季節(jié)儲(chǔ)熱項(xiàng)目角度出發(fā)，分別對(duì)跨季節(jié)儲(chǔ)熱的原理及分類、國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀、項(xiàng)目統(tǒng)計(jì)與參數(shù)分析等方面進(jìn)行了綜述。重點(diǎn)對(duì)所統(tǒng)計(jì)的44個(gè)國(guó)內(nèi)外跨季節(jié)顯熱儲(chǔ)熱項(xiàng)目進(jìn)行了典型技術(shù)經(jīng)濟(jì)參數(shù)分析、熱源分析與材料分析。最后指出國(guó)內(nèi)外跨季節(jié)儲(chǔ)熱項(xiàng)目數(shù)量增多、儲(chǔ)熱規(guī)模持續(xù)擴(kuò)大，發(fā)展大容量跨季節(jié)水體儲(chǔ)熱、實(shí)現(xiàn)跨季節(jié)儲(chǔ)熱熱源多能互補(bǔ)、規(guī)?；瘧?yīng)用熱泵、進(jìn)一步開發(fā)適用于跨季節(jié)儲(chǔ)熱系統(tǒng)的新型材料可能是未來(lái)跨季節(jié)儲(chǔ)熱發(fā)展的重要方向。
引言
在“雙碳”目標(biāo)背景下，建筑部門作為直接與間接碳排放的主要責(zé)任領(lǐng)域之一，正在積極探索減少建筑碳排放的路徑。2021年我國(guó)北方城鎮(zhèn)供暖的碳排放量為4.9億t（CO2），占建筑運(yùn)行過程中碳排放總量的約22%，是建筑相關(guān)碳排放中最主要的部分之一。為降低供暖碳排放，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)供熱領(lǐng)域碳中和，傳統(tǒng)的建筑能源供應(yīng)—輸送—需求系統(tǒng)應(yīng)向源—網(wǎng)—荷—儲(chǔ)—用的綜合能源系統(tǒng)轉(zhuǎn)型，儲(chǔ)能成為能源轉(zhuǎn)型中的關(guān)鍵。尤其在以可再生能源及各類余熱資源為基礎(chǔ)的低碳熱源供熱體系中，大規(guī)?？缂竟?jié)儲(chǔ)熱的應(yīng)用在實(shí)現(xiàn)低碳熱源的可靠供熱方面發(fā)揮著重要作用。
跨季節(jié)儲(chǔ)熱技術(shù)可以將非供暖季收集的太陽(yáng)能、余熱等熱能儲(chǔ)存在儲(chǔ)熱介質(zhì)中供供暖季利用。它能夠有效解決太陽(yáng)能、余熱資源等在時(shí)間、空間上供需不匹配的問題，是提高可再生能源利用率、實(shí)現(xiàn)建筑節(jié)能效益的關(guān)鍵技術(shù)。在我國(guó)條件適宜的供暖地區(qū)，大規(guī)模推廣應(yīng)用太陽(yáng)能跨季節(jié)水體儲(chǔ)熱，以及嘗試?yán)么笕萘康膬?chǔ)熱水體充分回收各類余熱資源、建設(shè)熱量共享系統(tǒng)是未來(lái)清潔供熱最有前景的技術(shù)路徑之一。
目前國(guó)外已針對(duì)跨季節(jié)儲(chǔ)熱技術(shù)展開了較為深入的研究與實(shí)踐，國(guó)內(nèi)同樣已有部分學(xué)者在跨季節(jié)儲(chǔ)熱方面開展了許多實(shí)驗(yàn)與模擬研究，但國(guó)內(nèi)外實(shí)際建成的跨季節(jié)儲(chǔ)熱項(xiàng)目并不多，對(duì)其進(jìn)行綜合分析的研究也較少。Yang等人通過對(duì)全球60個(gè)跨季節(jié)儲(chǔ)熱項(xiàng)目進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)參數(shù)分析來(lái)探究跨季節(jié)儲(chǔ)熱的發(fā)展，但其中涉及的國(guó)內(nèi)項(xiàng)目較少。為充分了解國(guó)內(nèi)項(xiàng)目建設(shè)情況，本文廣泛搜集國(guó)內(nèi)已建跨季節(jié)儲(chǔ)能項(xiàng)目，并與所統(tǒng)計(jì)的2000年以來(lái)的國(guó)外項(xiàng)目匯總，對(duì)其發(fā)展和技術(shù)經(jīng)濟(jì)等參數(shù)進(jìn)行分析，為我國(guó)跨季節(jié)儲(chǔ)熱項(xiàng)目建設(shè)提供參考。
1 跨季節(jié)顯熱儲(chǔ)熱項(xiàng)目發(fā)展
1.1原理及分類
根據(jù)儲(chǔ)熱介質(zhì)的不同，跨季節(jié)儲(chǔ)熱技術(shù)可分為顯熱儲(chǔ)熱、潛熱儲(chǔ)熱與熱化學(xué)儲(chǔ)熱3種類型。潛熱儲(chǔ)熱利用介質(zhì)在相變過程中吸收或放出的潛熱來(lái)實(shí)現(xiàn)熱能存儲(chǔ)，而熱化學(xué)儲(chǔ)熱則依靠可逆化學(xué)反應(yīng)或吸/脫附過程中的反應(yīng)焓實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)放熱，二者均具有較高的儲(chǔ)能密度，但由于其儲(chǔ)熱系統(tǒng)較為復(fù)雜，技術(shù)尚不成熟，目前仍未進(jìn)行大規(guī)模的工程實(shí)踐。而顯熱儲(chǔ)熱原理簡(jiǎn)單，技術(shù)較為成熟，仍是目前跨季節(jié)儲(chǔ)熱工程實(shí)踐中應(yīng)用最廣泛的儲(chǔ)熱方式之一，也是本次收集項(xiàng)目的重點(diǎn)。
如圖1所示，跨季節(jié)顯熱儲(chǔ)熱技術(shù)大體上包括4種類型：罐式儲(chǔ)熱（tank thermal energy storage，TTES）、池式儲(chǔ)熱（pit thermal energy storage，PTES）、地埋管儲(chǔ)熱（borehole thermal energy storage，BTES）與含水層儲(chǔ)熱（aquifer thermal energy storage，ATES）。
圖1 跨季節(jié)顯熱儲(chǔ)熱原理
罐式儲(chǔ)熱與池式儲(chǔ)熱統(tǒng)稱為水體儲(chǔ)熱，主要利用儲(chǔ)罐、地下水池或水坑（如既有礦坑或者新建礦坑等）來(lái)儲(chǔ)存熱量。與其他儲(chǔ)熱技術(shù)相比，水體儲(chǔ)熱具有儲(chǔ)熱溫度高、儲(chǔ)熱效率高、受水文地質(zhì)條件影響小、安裝靈活等優(yōu)點(diǎn)，但投資成本相對(duì)較高、設(shè)計(jì)較為復(fù)雜。影響其儲(chǔ)熱性能的關(guān)鍵技術(shù)要素是儲(chǔ)熱體的幾何形狀、尺寸、材料等。
地埋管儲(chǔ)熱利用埋地管道將熱量?jī)?chǔ)存在周圍土壤中。由于土壤的儲(chǔ)熱密度較低，就需要通過增加儲(chǔ)熱體積來(lái)滿足儲(chǔ)熱量的要求。含水層儲(chǔ)熱通過注入與抽取地下水將熱量?jī)?chǔ)存在包含地下水的地下沙土、石灰?guī)r層等結(jié)構(gòu)中。這2種儲(chǔ)熱類型的建造成本較低，并且能夠靈活應(yīng)用于供熱與供冷，但是均對(duì)地質(zhì)條件要求較高，也存在儲(chǔ)能密度低、熱損失大等問題。而且這2種方式一般與地源熱泵結(jié)合起來(lái)應(yīng)用。
如圖1所示，有時(shí)為了拉大儲(chǔ)熱溫差，跨季節(jié)水體儲(chǔ)熱也可以利用大型水源熱泵提升供水溫度，以滿足末端的用熱需求。
從總體上來(lái)看，不論哪種儲(chǔ)熱方式，都有限制其發(fā)展的因素。因此，對(duì)儲(chǔ)熱系統(tǒng)進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)參數(shù)分析，探究減小儲(chǔ)熱系統(tǒng)熱損失、提高儲(chǔ)熱效率、降低儲(chǔ)熱成本的途經(jīng)就變得十分關(guān)鍵。
1.2國(guó)外發(fā)展現(xiàn)狀
從全球范圍來(lái)看，歐洲最早對(duì)跨季節(jié)儲(chǔ)熱展開研究并進(jìn)行工程實(shí)踐。早在20世紀(jì)60年代，便首次在地下巖石腔中進(jìn)行了季節(jié)性儲(chǔ)存熱能的技術(shù)嘗試。1978年與1980年，瑞典相繼建成了第一個(gè)800 m3的埋地水池季節(jié)性儲(chǔ)熱系統(tǒng)和一個(gè)10000 m3的跨季節(jié)水池儲(chǔ)熱系統(tǒng)。20世紀(jì)80年代之后，隨著季節(jié)性存儲(chǔ)太陽(yáng)能加熱裝置的發(fā)展及儲(chǔ)熱技術(shù)的進(jìn)步，北美、丹麥、德國(guó)等開展了進(jìn)一步的研究與應(yīng)用，跨季節(jié)儲(chǔ)熱的建設(shè)項(xiàng)目有所增加。
2012年以后，丹麥再次建造新系統(tǒng)，大規(guī)模的季節(jié)性熱能存儲(chǔ)在歐洲迎來(lái)了建設(shè)高潮，其蓄熱設(shè)備存儲(chǔ)容量、系統(tǒng)規(guī)模及安裝數(shù)量不斷增加。特別是以丹麥、德國(guó)等為代表的國(guó)家，跨季節(jié)儲(chǔ)熱供暖發(fā)展飛速。
就罐式儲(chǔ)熱而言，其幾何形狀靈活，對(duì)位置依賴性小，在許多大規(guī)模季節(jié)性儲(chǔ)熱項(xiàng)目中得到了應(yīng)用。早期規(guī)模較大的罐式儲(chǔ)熱系統(tǒng)，如德國(guó)1996年Friedrichshafen地區(qū)的太陽(yáng)能跨季節(jié)儲(chǔ)熱項(xiàng)目、2000年Hannover的跨季節(jié)罐式儲(chǔ)熱項(xiàng)目等，均實(shí)現(xiàn)了一定范圍的區(qū)域供熱。如今，罐式儲(chǔ)熱仍是很有發(fā)展前景的儲(chǔ)熱技術(shù)之一，相關(guān)的跨季節(jié)儲(chǔ)熱項(xiàng)目也在不斷增加。2017年，韓國(guó)在鎮(zhèn)川市建設(shè)了節(jié)能小鎮(zhèn)跨季節(jié)儲(chǔ)熱項(xiàng)目，其系統(tǒng)通過800㎡平板集熱器與800㎡真空管集熱器收集太陽(yáng)能并儲(chǔ)存在總?cè)萘繛? 161 m3的儲(chǔ)罐中，用于冬季20000㎡的區(qū)域供熱。
池式儲(chǔ)熱發(fā)展起步較早，并且由于其具有高儲(chǔ)熱密度與儲(chǔ)熱效率的優(yōu)勢(shì)而廣泛應(yīng)用于大型跨季節(jié)儲(chǔ)熱系統(tǒng)中。丹麥在跨季節(jié)池式蓄熱建設(shè)方面處于領(lǐng)先地位，建設(shè)有全球最早(Marstal）及最大（Vojens，儲(chǔ)熱容積205 000 m3）的太陽(yáng)能跨季節(jié)儲(chǔ)熱區(qū)域供熱系統(tǒng)。如圖2所示，2022年丹麥Copenhagen又建設(shè)了一座熱容量為3 300 MW·h的跨季節(jié)池式儲(chǔ)熱項(xiàng)目，其儲(chǔ)熱水池長(zhǎng)180 m、深14.5 m、寬52~72 m，總儲(chǔ)熱容積達(dá)70 000 m3，存儲(chǔ)熱電聯(lián)產(chǎn)的熱量，為當(dāng)?shù)貐^(qū)域供熱系統(tǒng)供熱，滿足500 000用戶的供熱需求。
圖2 丹麥Copenhagen跨季節(jié)儲(chǔ)熱水池
地埋管儲(chǔ)熱的研究開始于20世紀(jì)70年代，瑞典、荷蘭等開展了許多相關(guān)的應(yīng)用實(shí)踐與技術(shù)研究。地埋管儲(chǔ)熱一般與地源熱泵聯(lián)合使用，跨季節(jié)儲(chǔ)熱也作為地源熱泵可持續(xù)健康運(yùn)行的關(guān)鍵之一。據(jù)統(tǒng)計(jì)，全球有超過1 000 000個(gè)系統(tǒng)正在運(yùn)行。2020年，對(duì)挪威Drammen市一項(xiàng)跨季節(jié)地埋管光伏儲(chǔ)能項(xiàng)目開展了測(cè)試，系統(tǒng)主要利用1 000㎡的光伏板組件為以二氧化碳為工質(zhì)的熱泵提供電力，以空氣為熱源產(chǎn)生熱量，并在春、夏、秋季存儲(chǔ)在地埋管系統(tǒng)中，為附近學(xué)校建筑供暖，系統(tǒng)熱容量約為350 MW·h/a。
同樣，關(guān)于含水層儲(chǔ)熱的研究也開始于20世紀(jì)70年代，集中在北美與歐洲。目前，全球有近3 500個(gè)含水層儲(chǔ)熱系統(tǒng)正在運(yùn)行，其中大約85%的系統(tǒng)安裝在荷蘭，10%的系統(tǒng)在瑞典、比利時(shí)與丹麥等國(guó)。荷蘭2018年在代爾夫特理工大學(xué)Deltares校區(qū)投入運(yùn)行了一項(xiàng)跨季節(jié)含水層儲(chǔ)熱系統(tǒng)。夏季將2棟建筑50 MW·h的余熱與120根真空管太陽(yáng)能集熱器收集的25 MW·h的熱量?jī)?chǔ)存在含水層中，冬季通過地下水源熱泵承擔(dān)實(shí)驗(yàn)樓100 MW·h的供暖需求。
1.3國(guó)內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀
我國(guó)跨季節(jié)儲(chǔ)熱技術(shù)發(fā)展起步較晚，20世紀(jì)90年代我國(guó)首次提出太陽(yáng)能系統(tǒng)結(jié)合地源熱泵與跨季節(jié)儲(chǔ)熱的思路，以解決冷熱負(fù)荷不平衡的問題。近年來(lái)，隨著全球跨季節(jié)儲(chǔ)熱技術(shù)的發(fā)展與實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的積累，以及其在解決能源與熱需求之間“季節(jié)性不匹配”問題方面的優(yōu)勢(shì)突顯，我國(guó)對(duì)跨季節(jié)儲(chǔ)熱技術(shù)的關(guān)注度越來(lái)越高，陸續(xù)開展了一些相關(guān)的項(xiàng)目實(shí)踐。
2013年河北經(jīng)貿(mào)大學(xué)建成了太陽(yáng)能跨季節(jié)儲(chǔ)熱供暖及熱水綜合利用項(xiàng)目。該項(xiàng)目采用1 380組全玻璃真空管集熱器。在非供暖季捕集太陽(yáng)能，并利用228個(gè)89 t碳鋼板水箱進(jìn)行蓄熱，以保障供暖季30 000㎡圖書館的供暖及寒假期間20余棟宿舍樓供暖管道的保溫防凍，同時(shí)兼顧30 000多名學(xué)生的洗浴熱水供應(yīng)。系統(tǒng)總集熱面積為1.16萬(wàn)㎡，平均集熱效率為39.3%，總蓄熱容量達(dá)2萬(wàn)余t。
圖3為2019年張家口黃帝城小鎮(zhèn)建立的太陽(yáng)能跨季節(jié)池式儲(chǔ)熱示范項(xiàng)目。該項(xiàng)目分為太陽(yáng)能塔式集熱、跨季節(jié)儲(chǔ)熱和供熱3個(gè)子系統(tǒng)，由760㎡的塔式集熱場(chǎng)及吸收器、容積為3 000 m3的跨季節(jié)儲(chǔ)熱水池、熱循環(huán)管道等組成，為小鎮(zhèn)某酒店3 000~5 000㎡的區(qū)域供暖。儲(chǔ)熱水池儲(chǔ)水量和熱分層的實(shí)驗(yàn)與模擬研究表明，第一年總熱損失為98 MW·h，儲(chǔ)熱效率為62%。
如圖4所示，2016年內(nèi)蒙古自治區(qū)赤峰市建設(shè)了跨季節(jié)蓄熱式太陽(yáng)能-工業(yè)廢熱集中供暖項(xiàng)目。在原有工業(yè)余熱回收網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上，采用地埋管跨季節(jié)蓄熱技術(shù)，以金劍銅廠銅冶煉過程中部分制酸工藝及冶煉爐沖渣過程中產(chǎn)生的廢熱為主要熱源，并輔以集熱面積超過1000㎡的太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)100 000㎡的區(qū)域供熱。該項(xiàng)目的儲(chǔ)熱體共包括468口深度為80 m的地埋井，地埋井內(nèi)安裝單U形換熱器，總儲(chǔ)熱體積達(dá)50萬(wàn)m3，年儲(chǔ)熱量為1.5萬(wàn)GJ，綜合儲(chǔ)熱效率達(dá)85%。
圖4 赤峰市跨季節(jié)蓄熱式地埋管項(xiàng)目
除此之外，西藏仲巴縣、西藏浪卡子、北京延慶區(qū)等地也建設(shè)了跨季節(jié)儲(chǔ)熱項(xiàng)目。在含水層儲(chǔ)熱方面，2013年上海崇明島國(guó)家設(shè)施農(nóng)業(yè)中心建成了我國(guó)第一個(gè)新一代含水層儲(chǔ)熱系統(tǒng)，為20 000㎡的溫室供熱?？缂竟?jié)儲(chǔ)熱技術(shù)在我國(guó)的應(yīng)用與實(shí)踐還在不斷增加。
2 新世紀(jì)跨季節(jié)顯熱儲(chǔ)熱項(xiàng)目統(tǒng)計(jì)與分析
2.1項(xiàng)目統(tǒng)計(jì)
本文共收集2000年以來(lái)國(guó)內(nèi)外跨季節(jié)顯熱儲(chǔ)熱項(xiàng)目44個(gè)，其中國(guó)外項(xiàng)目30個(gè)，國(guó)內(nèi)項(xiàng)目14個(gè)，如表1所示。這些項(xiàng)目的數(shù)據(jù)主要來(lái)源于在中國(guó)知網(wǎng)（利用“跨季節(jié)儲(chǔ)熱”關(guān)鍵詞檢索）、Web of Science（利用“STES”、“seasonal thermal energy storage project”等關(guān)鍵詞檢索）、國(guó)際能源署及其他國(guó)內(nèi)外能源機(jī)構(gòu)檢索得到的項(xiàng)目報(bào)告。圖5按照4種儲(chǔ)熱類型分別對(duì)國(guó)內(nèi)外項(xiàng)目進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，其中罐式儲(chǔ)熱項(xiàng)目最多，占比30%。
表1 跨季節(jié)儲(chǔ)熱項(xiàng)目基本參數(shù)
圖5 國(guó)內(nèi)外跨季節(jié)儲(chǔ)熱項(xiàng)目分類統(tǒng)計(jì)
2.2項(xiàng)目分析
2.2.1典型技術(shù)經(jīng)濟(jì)參數(shù)分析
圖6對(duì)項(xiàng)目?jī)?chǔ)熱容積與最高儲(chǔ)熱溫度、儲(chǔ)熱效率進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)。在已建成的項(xiàng)目中，水體儲(chǔ)熱的最高儲(chǔ)熱溫度一般可以達(dá)到70~95℃，而含水層儲(chǔ)熱與地埋管儲(chǔ)熱的最高儲(chǔ)熱溫度基本在70℃以下。含水層儲(chǔ)熱與地埋管儲(chǔ)熱都是直接在土壤或其水體中進(jìn)行，熱耗散發(fā)生在整個(gè)地下空間，儲(chǔ)熱溫度過高會(huì)造成較大的熱損失。
圖6 最高儲(chǔ)熱溫度、儲(chǔ)熱效率與儲(chǔ)熱容積
項(xiàng)目的儲(chǔ)熱容積集中在1 000~200 000 m3。一方面是由于在案例收集時(shí)更側(cè)重于2000年以來(lái)的大型儲(chǔ)熱項(xiàng)目，未對(duì)小型項(xiàng)目進(jìn)行逐個(gè)統(tǒng)計(jì)；另一方面，2000年以后國(guó)內(nèi)外跨季節(jié)儲(chǔ)熱項(xiàng)目的儲(chǔ)熱規(guī)模不斷擴(kuò)大，尤其是池式儲(chǔ)熱，因其在儲(chǔ)能密度、建造成本、運(yùn)行特性等方面的優(yōu)勢(shì)，儲(chǔ)熱容量在100 000 m3以上的項(xiàng)目不斷增加。
此外，由圖6中的儲(chǔ)熱效率來(lái)看，整體上，罐式儲(chǔ)熱與池式儲(chǔ)熱項(xiàng)目的儲(chǔ)熱效率比另外2種儲(chǔ)熱方式高，基本在60%以上。但儲(chǔ)熱效率與儲(chǔ)熱容積、儲(chǔ)熱溫度的關(guān)系并不明顯，可能是由于不同項(xiàng)目?jī)?chǔ)熱體的儲(chǔ)熱溫度、幾何結(jié)構(gòu)、保溫性能等參數(shù)存在差異。
圖7統(tǒng)計(jì)了池式儲(chǔ)熱典型項(xiàng)目的蓄熱體表面積比。可以看出，增大蓄熱體的尺度有利于減小熱損失。若跨季節(jié)儲(chǔ)熱項(xiàng)目的各參數(shù)保持一致，則隨著蓄熱容積的增加，蓄熱體表面積比減小，即蓄熱體熱損失減小，儲(chǔ)熱效率可呈現(xiàn)增大趨勢(shì)。
圖7 蓄熱體表面積比與儲(chǔ)熱容積的關(guān)系
除儲(chǔ)熱容積、儲(chǔ)熱溫度、儲(chǔ)熱效率等技術(shù)參數(shù)外，經(jīng)濟(jì)參數(shù)對(duì)于跨季節(jié)儲(chǔ)熱項(xiàng)目也至關(guān)重要。圖8對(duì)項(xiàng)目的儲(chǔ)熱成本進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)。從圖8來(lái)看，項(xiàng)目的儲(chǔ)熱成本隨儲(chǔ)熱規(guī)模的增加有明顯下降趨勢(shì)，這一定程度上體現(xiàn)出建設(shè)大容量跨季節(jié)儲(chǔ)熱項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)可行性。同時(shí)，在4種顯熱儲(chǔ)熱方式中，罐式儲(chǔ)熱的儲(chǔ)熱成本最高，基本均在700元/m3以上，其次是池式儲(chǔ)熱，含水層儲(chǔ)熱與地埋管儲(chǔ)熱成本最低。
注：圖中跨季節(jié)儲(chǔ)熱項(xiàng)目的儲(chǔ)熱成本按照項(xiàng)目始建年份的平均匯率換算成人民幣，跨季節(jié)儲(chǔ)熱成本曲線按照國(guó)際能源署SHC任務(wù)52的項(xiàng)目報(bào)告發(fā)布年（2016年）的平均匯率換算。
圖8 蓄熱成本與儲(chǔ)熱容積的關(guān)系
根據(jù)圖8中罐式儲(chǔ)熱、池式儲(chǔ)熱與地埋管儲(chǔ)熱的成本曲線可以看出，對(duì)于大型池式儲(chǔ)熱項(xiàng)目，其儲(chǔ)熱成本明顯降低，在儲(chǔ)熱容積超過43 000 m3以后，單位容量的投資成本最低。
2.2.2熱源分析
跨季節(jié)儲(chǔ)熱的主要熱源形式多為可再生能源，且配有輔助熱源。如圖9所示，通過對(duì)項(xiàng)目的熱源形式進(jìn)行分類統(tǒng)計(jì)可以看出，在已建成的跨季節(jié)儲(chǔ)熱項(xiàng)目中，熱源以太陽(yáng)能為主，占77%，而工業(yè)余熱跨季節(jié)儲(chǔ)熱國(guó)內(nèi)外應(yīng)用項(xiàng)目?jī)H有4個(gè)。事實(shí)上，一方面，全球余熱資源存量大，僅歐盟的余熱總量就達(dá)到約2 860 TW·h/a，余熱再利用潛力巨大；另一方面，相較于太陽(yáng)能，工業(yè)余熱具有更穩(wěn)定的供給特性和更低的價(jià)格，發(fā)展跨季節(jié)儲(chǔ)熱會(huì)帶來(lái)可觀的節(jié)能和經(jīng)濟(jì)效益。
圖9 跨季節(jié)儲(chǔ)熱項(xiàng)目熱源形式統(tǒng)計(jì)
為探究制約余熱跨季節(jié)儲(chǔ)熱發(fā)展的因素，對(duì)這4個(gè)工業(yè)余熱跨季節(jié)儲(chǔ)熱項(xiàng)目開展了進(jìn)一步的分析。位于瑞典Emmaboda市的跨季節(jié)蓄熱項(xiàng)目將鑄造廠的廢熱儲(chǔ)存在330 000 m3的地埋管系統(tǒng)中，其2016年的運(yùn)行數(shù)據(jù)顯示，儲(chǔ)熱溫度為44℃，與設(shè)計(jì)儲(chǔ)熱溫度60℃相差較大，同時(shí)儲(chǔ)熱量與取熱量分別為2 250 MW·h和430 MW·h，儲(chǔ)熱效率僅為19%。
主要原因在于，實(shí)際可用于熱回收的工藝熱量低于估計(jì)值，從而使實(shí)際儲(chǔ)熱溫度降低，再加上溫度品位損失較大，系統(tǒng)儲(chǔ)熱效率偏低。荷蘭Eindhoven與德國(guó)Neubrandenburg的跨季節(jié)儲(chǔ)熱項(xiàng)目均采用含水層儲(chǔ)能系統(tǒng)回收電廠余熱，但是運(yùn)行中存在儲(chǔ)熱量不滿足供熱需求的問題，同時(shí)德國(guó)Neubrandenburg項(xiàng)目的冷井細(xì)菌腐蝕嚴(yán)重，井泵更換頻繁。同樣，我國(guó)內(nèi)蒙古赤峰市地埋管跨季節(jié)儲(chǔ)熱系統(tǒng)也存在溫度品味損失大的問題。
由此來(lái)看，余熱與跨季節(jié)儲(chǔ)熱相結(jié)合時(shí)，一方面需準(zhǔn)確估計(jì)余熱的數(shù)量與溫度；另一方面，儲(chǔ)熱方式的選擇及儲(chǔ)熱熱量的輸送距離也制約著系統(tǒng)效率與經(jīng)濟(jì)性。此外，余熱資源大多分散比較分布，將各類余熱資源統(tǒng)籌應(yīng)用于建設(shè)大規(guī)模余熱儲(chǔ)熱系統(tǒng)，其技術(shù)難度較太陽(yáng)能跨季節(jié)儲(chǔ)熱大得多。這些問題在一定程度上制約了余熱熱源在跨季節(jié)儲(chǔ)熱中的廣泛利用。
此外，為保證儲(chǔ)熱系統(tǒng)的供熱可靠性，大多數(shù)項(xiàng)目均設(shè)置了輔助熱源。需要說明的是，部分項(xiàng)目有多種輔助熱源形式，如“熱泵+鍋爐”，為統(tǒng)計(jì)項(xiàng)目中熱泵的應(yīng)用情況，均歸為熱泵類。如圖10所示，項(xiàng)目的輔助熱源大多為鍋爐、熱泵及電加熱器，其中應(yīng)用熱泵的項(xiàng)目共16個(gè)，約占總項(xiàng)目的36%。熱泵替代鍋爐或直接電加熱來(lái)補(bǔ)充跨季節(jié)儲(chǔ)熱系統(tǒng)因儲(chǔ)水溫度降低而不能滿足的供熱需求，既可以提高存儲(chǔ)效率，又可以減少調(diào)峰熱源的使用及其帶來(lái)的碳排放，因而在新建項(xiàng)目中應(yīng)用頻率逐漸增高。
圖10 跨季節(jié)儲(chǔ)熱項(xiàng)目輔助熱源形式統(tǒng)計(jì)
熱泵作為一種廣泛應(yīng)用的節(jié)能減碳技術(shù)，主要以2種形式與跨季節(jié)儲(chǔ)熱系統(tǒng)結(jié)合，如圖1所示。一種是熱泵作為獨(dú)立的輔助熱源加入儲(chǔ)熱系統(tǒng)，通過提取外界熱量來(lái)提高供水溫度；另一種則是利用熱泵提取跨季節(jié)儲(chǔ)熱體的熱量以提升供水溫度。在應(yīng)用熱泵的16個(gè)項(xiàng)目中，大多數(shù)為提取儲(chǔ)熱體的熱量，從而實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)熱體熱量的充分利用，有效減少鍋爐等輔助熱源的投入。
要實(shí)現(xiàn)熱泵替代鍋爐作為跨季節(jié)儲(chǔ)熱項(xiàng)目輔助加熱設(shè)備的首選，還必須充分考慮熱泵性能與儲(chǔ)熱系統(tǒng)的適應(yīng)性。圖11分析了太陽(yáng)能跨季節(jié)儲(chǔ)熱項(xiàng)目中熱泵的性能系數(shù)（COP）隨儲(chǔ)熱容積與太陽(yáng)能集熱面積比的變化關(guān)系。顯然，隨著儲(chǔ)熱容積與太陽(yáng)能集熱面積比的增加，太陽(yáng)能貢獻(xiàn)率減小，也意味著儲(chǔ)熱溫度降低，熱泵COP增大，此時(shí)熱泵作為輔助熱源提供的熱量更多，說明熱泵作為輔助加熱設(shè)備在需補(bǔ)償更多熱能的情況下性能更好。
圖11 COP與儲(chǔ)熱容積/太陽(yáng)能集熱面積的關(guān)系
2.2.3材料分析
目前跨季節(jié)顯熱儲(chǔ)熱技術(shù)主要應(yīng)用于空間供暖與生活熱水供應(yīng)，其所需溫度范圍為40~80℃，水、巖石類材料（如礫石、鵝卵石和磚塊）及土壤是其儲(chǔ)熱介質(zhì)的熱門材料[94]。其中，罐式儲(chǔ)熱、池式儲(chǔ)熱與含水層儲(chǔ)熱大多以水作為儲(chǔ)熱介質(zhì)，而地埋管儲(chǔ)熱則是以土壤作為儲(chǔ)熱介質(zhì)。
為保證跨季節(jié)儲(chǔ)熱項(xiàng)目高效可靠運(yùn)行，除適合的儲(chǔ)熱形式與儲(chǔ)熱介質(zhì)外，儲(chǔ)熱體的結(jié)構(gòu)材料、保溫隔熱及防水也同樣至關(guān)重要。對(duì)于罐式儲(chǔ)熱與池式儲(chǔ)熱，主要在儲(chǔ)熱體的頂部與側(cè)壁設(shè)置隔熱層進(jìn)行保溫，并在其內(nèi)部設(shè)置防水層以防止水分滲透與蒸汽擴(kuò)散；地埋管儲(chǔ)熱則一般會(huì)在其頂面設(shè)置一層隔熱層，以減少?gòu)谋砻嫦颦h(huán)境中散失的熱量；而對(duì)于含水層儲(chǔ)熱，目前為其儲(chǔ)熱體安裝隔熱材料仍較為困難。
圖12對(duì)項(xiàng)目所用結(jié)構(gòu)材料、隔熱材料與防水材料進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)?？梢钥吹?，罐式儲(chǔ)熱的儲(chǔ)熱體一般由混凝土或鋼制容器制成，地埋管儲(chǔ)熱的管道材料通常由高密度聚乙烯等合成材料制成，而池式儲(chǔ)熱因大多建設(shè)在地下，相較于罐式儲(chǔ)熱對(duì)結(jié)構(gòu)材料的穩(wěn)定性要求降低。同時(shí)，還可以看到，泡沫玻璃、膨脹黏土、擠塑聚苯乙烯泡沫、聚乙烯泡沫等材料被廣泛用于跨季節(jié)儲(chǔ)熱項(xiàng)目的隔熱，而高密度聚乙烯、鋼制內(nèi)襯等材料則用于儲(chǔ)熱項(xiàng)目的防水。隨著潛在隔熱材料、自愈合防水材料等新型材料的開發(fā)與應(yīng)用，跨季節(jié)儲(chǔ)熱系統(tǒng)的效率會(huì)有所提高。
圖12 儲(chǔ)熱項(xiàng)目所用結(jié)構(gòu)材料、隔熱材料與防水材料
3 結(jié)論
1）2000年以來(lái)，國(guó)內(nèi)外跨季節(jié)儲(chǔ)熱項(xiàng)目數(shù)量逐漸增多，并且儲(chǔ)熱規(guī)模也在持續(xù)擴(kuò)大。在4種跨季節(jié)顯熱儲(chǔ)熱技術(shù)中，罐式儲(chǔ)熱與池式儲(chǔ)熱的最高儲(chǔ)熱溫度基本可以達(dá)到70~95℃，儲(chǔ)熱效率整體在60%以上，其在儲(chǔ)熱溫度、儲(chǔ)熱效率等方面具有顯著優(yōu)勢(shì)，而地埋管儲(chǔ)熱與含水層儲(chǔ)熱則可以靈活應(yīng)用于供暖與供冷。
2）跨季節(jié)儲(chǔ)熱系統(tǒng)的熱損失與儲(chǔ)熱成本隨儲(chǔ)熱容積的增加而降低。建設(shè)大容量的跨季節(jié)儲(chǔ)熱系統(tǒng)是減小跨季節(jié)儲(chǔ)熱熱損失、提高儲(chǔ)熱經(jīng)濟(jì)性的有效途徑。尤其是跨季節(jié)池式儲(chǔ)熱，在建設(shè)大容量?jī)?chǔ)熱系統(tǒng)時(shí)表現(xiàn)出良好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性能。因此，發(fā)展大容量池式儲(chǔ)熱系統(tǒng)有利于進(jìn)一步凸顯跨季節(jié)儲(chǔ)熱的優(yōu)勢(shì)。
3）以太陽(yáng)能為主要熱源的跨季節(jié)儲(chǔ)熱系統(tǒng)仍占主導(dǎo)地位，利用工業(yè)余熱、生物質(zhì)能等其他熱源形式的項(xiàng)目?jī)H占23%左右。未來(lái)應(yīng)著力解決限制余熱利用的關(guān)鍵問題，充分發(fā)揮余熱資源可用量大、供給穩(wěn)定等優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)跨季節(jié)儲(chǔ)熱熱源多能互補(bǔ)利用。
4）在44個(gè)跨季節(jié)儲(chǔ)熱項(xiàng)目中，有36%的項(xiàng)目應(yīng)用熱泵作為輔助加熱設(shè)備，且其性能隨著補(bǔ)償熱量的增加而提升，對(duì)儲(chǔ)熱系統(tǒng)表現(xiàn)出良好的適應(yīng)性，應(yīng)進(jìn)一步在新建項(xiàng)目中推廣應(yīng)用熱泵作為輔助加熱設(shè)備。
5）高性能的儲(chǔ)熱介質(zhì)、儲(chǔ)熱體結(jié)構(gòu)材料、保溫隔熱材料及防水材料對(duì)于跨季節(jié)儲(chǔ)熱項(xiàng)目同樣至關(guān)重要。未來(lái)應(yīng)進(jìn)一步開發(fā)適用于跨季節(jié)儲(chǔ)熱的新型材料，從而不斷提高跨季節(jié)儲(chǔ)熱系統(tǒng)的可靠性。
