中國儲能網(wǎng)訊：發(fā)展跨季節(jié)儲熱技術(shù)對實(shí)現(xiàn)我國供熱領(lǐng)域的綠色低碳轉(zhuǎn)型具有重要意義。本文從跨季節(jié)儲熱項(xiàng)目角度出發(fā)，分別對跨季節(jié)儲熱的原理及分類、國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀、項(xiàng)目統(tǒng)計與參數(shù)分析等方面進(jìn)行了綜述。重點(diǎn)對所統(tǒng)計的44個國內(nèi)外跨季節(jié)顯熱儲熱項(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。最后指出國內(nèi)外跨季節(jié)儲熱項(xiàng)目數(shù)量增多、儲熱規(guī)模持續(xù)擴(kuò)大，發(fā)展大容量跨季節(jié)水體儲熱、實(shí)現(xiàn)跨季節(jié)儲熱熱源多能互補(bǔ)、規(guī)?；瘧?yīng)用熱泵、進(jìn)一步開發(fā)適用于跨季節(jié)儲熱系統(tǒng)的新型材料可能是未來跨季節(jié)儲熱發(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—用的綜合能源系統(tǒng)轉(zhuǎn)型，儲能成為能源轉(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)儲熱技術(shù)可以將非供暖季收集的太陽能、余熱等熱能儲存在儲熱介質(zhì)中供供暖季利用。它能夠有效解決太陽能、余熱資源等在時間、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)。在我國條件適宜的供暖地區(qū)，大規(guī)模推廣應(yīng)用太陽能跨季節(jié)水體儲熱，以及嘗試?yán)么笕萘康膬崴w充分回收各類余熱資源、建設(shè)熱量共享系統(tǒng)是未來清潔供熱最有前景的技術(shù)路徑之一。
目前國外已針對跨季節(jié)儲熱技術(shù)展開了較為深入的研究與實(shí)踐，國內(nèi)同樣已有部分學(xué)者在跨季節(jié)儲熱方面開展了許多實(shí)驗(yàn)與模擬研究，但國內(nèi)外實(shí)際建成的跨季節(jié)儲熱項(xiàng)目并不多，對其進(jìn)行綜合分析的研究也較少。Yang等人通過對全球60個跨季節(jié)儲熱項(xiàng)目進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)參數(shù)分析來探究跨季節(jié)儲熱的發(fā)展，但其中涉及的國內(nèi)項(xiàng)目較少。為充分了解國內(nèi)項(xiàng)目建設(shè)情況，本文廣泛搜集國內(nèi)已建跨季節(jié)儲能項(xiàng)目，并與所統(tǒng)計的2000年以來的國外項(xiàng)目匯總，對其發(fā)展和技術(shù)經(jīng)濟(jì)等參數(shù)進(jìn)行分析，為我國跨季節(jié)儲熱項(xiàng)目建設(shè)提供參考。
1 跨季節(jié)顯熱儲熱項(xiàng)目發(fā)展
1.1原理及分類
根據(jù)儲熱介質(zhì)的不同，跨季節(jié)儲熱技術(shù)可分為顯熱儲熱、潛熱儲熱與熱化學(xué)儲熱3種類型。潛熱儲熱利用介質(zhì)在相變過程中吸收或放出的潛熱來實(shí)現(xiàn)熱能存儲，而熱化學(xué)儲熱則依靠可逆化學(xué)反應(yīng)或吸/脫附過程中的反應(yīng)焓實(shí)現(xiàn)儲放熱，二者均具有較高的儲能密度，但由于其儲熱系統(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。而顯熱儲熱原理簡單，技術(shù)較為成熟，仍是目前跨季節(jié)儲熱工程實(shí)踐中應(yīng)用最廣泛的儲熱方式之一，也是本次收集項(xiàng)目的重點(diǎn)。
如圖1所示，跨季節(jié)顯熱儲熱技術(shù)大體上包括4種類型：罐式儲熱（tank thermal energy storage，TTES）、池式儲熱（pit thermal energy storage，PTES）、地埋管儲熱（borehole thermal energy storage，BTES）與含水層儲熱（aquifer thermal energy storage，ATES）。
圖1 跨季節(jié)顯熱儲熱原理
罐式儲熱與池式儲熱統(tǒng)稱為水體儲熱，主要利用儲罐、地下水池或水坑（如既有礦坑或者新建礦坑等）來儲存熱量。與其他儲熱技術(shù)相比，水體儲熱具有儲熱溫度高、儲熱效率高、受水文地質(zhì)條件影響小、安裝靈活等優(yōu)點(diǎn)，但投資成本相對較高、設(shè)計較為復(fù)雜。影響其儲熱性能的關(guān)鍵技術(shù)要素是儲熱體的幾何形狀、尺寸、材料等。
地埋管儲熱利用埋地管道將熱量儲存在周圍土壤中。由于土壤的儲熱密度較低，就需要通過增加儲熱體積來滿足儲熱量的要求。含水層儲熱通過注入與抽取地下水將熱量儲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，但是均對地質(zhì)條件要求較高，也存在儲能密度低、熱損失大等問題。而且這2種方式一般與地源熱泵結(jié)合起來應(yīng)用。
如圖1所示，有時為了拉大儲熱溫差，跨季節(jié)水體儲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。
從總體上來看，不論哪種儲熱方式，都有限制其發(fā)展的因素。因此，對儲熱系統(tǒng)進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)參數(shù)分析，探究減小儲熱系統(tǒng)熱損失、提高儲熱效率、降低儲熱成本的途經(jīng)就變得十分關(guān)鍵。
1.2國外發(fā)展現(xiàn)狀
從全球范圍來看，歐洲最早對跨季節(jié)儲熱展開研究并進(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)性儲存熱能的技術(shù)嘗試。1978年與1980年，瑞典相繼建成了第一個800 m3的埋地水池季節(jié)性儲熱系統(tǒng)和一個10000 m3的跨季節(jié)水池儲熱系統(tǒng)。20世紀(jì)80年代之后，隨著季節(jié)性存儲太陽能加熱裝置的發(fā)展及儲熱技術(shù)的進(jìn)步，北美、丹麥、德國等開展了進(jìn)一步的研究與應(yīng)用，跨季節(jié)儲熱的建設(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)性熱能存儲在歐洲迎來了建設(shè)高潮，其蓄熱設(shè)備存儲容量、系統(tǒng)規(guī)模及安裝數(shù)量不斷增加。特別是以丹麥、德國等為代表的國家，跨季節(jié)儲熱供暖發(fā)展飛速。
就罐式儲熱而言，其幾何形狀靈活，對位置依賴性小，在許多大規(guī)模季節(jié)性儲熱項(xiàng)目中得到了應(yīng)用。早期規(guī)模較大的罐式儲熱系統(tǒng)，如德國1996年Friedrichshafen地區(qū)的太陽能跨季節(jié)儲熱項(xiàng)目、2000年Hannover的跨季節(jié)罐式儲熱項(xiàng)目等，均實(shí)現(xiàn)了一定范圍的區(qū)域供熱。如今，罐式儲熱仍是很有發(fā)展前景的儲熱技術(shù)之一，相關(guān)的跨季節(jié)儲熱項(xiàng)目也在不斷增加。2017年，韓國在鎮(zhèn)川市建設(shè)了節(jié)能小鎮(zhèn)跨季節(jié)儲熱項(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能并儲存在總?cè)萘繛? 161 m3的儲罐中，用于冬季20000㎡的區(qū)域供熱。
池式儲熱發(fā)展起步較早，并且由于其具有高儲熱密度與儲熱效率的優(yōu)勢而廣泛應(yīng)用于大型跨季節(jié)儲熱系統(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，儲熱容積205 000 m3）的太陽能跨季節(jié)儲熱區(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)池式儲熱項(xiàng)目，其儲熱水池長180 m、深14.5 m、寬52~72 m，總儲熱容積達(dá)70 000 m3，存儲熱電聯(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)儲熱水池
地埋管儲熱的研究開始于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。地埋管儲熱一般與地源熱泵聯(lián)合使用，跨季節(jié)儲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，全球有超過1 000 000個系統(tǒng)正在運(yùn)行。2020年，對挪威Drammen市一項(xiàng)跨季節(jié)地埋管光伏儲能項(xiàng)目開展了測試，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個含水層儲熱系統(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、比利時與丹麥等國。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根真空管太陽能集熱器收集的25 MW·h的熱量儲存在含水層中，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國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀
我國跨季節(jié)儲熱技術(shù)發(fā)展起步較晚，20世紀(jì)90年代我國首次提出太陽能系統(tǒng)結(jié)合地源熱泵與跨季節(jié)儲熱的思路，以解決冷熱負(fù)荷不平衡的問題。近年來，隨著全球跨季節(jié)儲熱技術(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)勢突顯，我國對跨季節(jié)儲熱技術(shù)的關(guān)注度越來越高，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)建成了太陽能跨季節(jié)儲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能，并利用228個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㎡，平均集熱效率為39.3%，總蓄熱容量達(dá)2萬余t。
圖3為2019年張家口黃帝城小鎮(zhèn)建立的太陽能跨季節(jié)池式儲熱示范項(xiàng)目。該項(xiàng)目分為太陽能塔式集熱、跨季節(jié)儲熱和供熱3個子系統(tǒng)，由760㎡的塔式集熱場及吸收器、容積為3 000 m3的跨季節(jié)儲熱水池、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。儲熱水池儲水量和熱分層的實(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㎡的太陽能集熱系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)100 000㎡的區(qū)域供熱。該項(xiàng)目的儲熱體共包括468口深度為80 m的地埋井，地埋井內(nèi)安裝單U形換熱器，總儲熱體積達(dá)50萬m3，年儲熱量為1.5萬GJ，綜合儲熱效率達(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)儲熱項(xiàng)目。在含水層儲熱方面，2013年上海崇明島國家設(shè)施農(nóng)業(yè)中心建成了我國第一個新一代含水層儲熱系統(tǒng)，為20 000㎡的溫室供熱。跨季節(jié)儲熱技術(shù)在我國的應(yīng)用與實(shí)踐還在不斷增加。
2 新世紀(jì)跨季節(jié)顯熱儲熱項(xiàng)目統(tǒng)計與分析
2.1項(xiàng)目統(tǒng)計
本文共收集2000年以來國內(nèi)外跨季節(jié)顯熱儲熱項(xiàng)目44個，其中國外項(xiàng)目30個，國內(nèi)項(xiàng)目14個，如表1所示。這些項(xiàng)目的數(shù)據(jù)主要來源于在中國知網(wǎng)（利用“跨季節(jié)儲熱”關(guān)鍵詞檢索）、Web of Science（利用“STES”、“seasonal thermal energy storage project”等關(guān)鍵詞檢索）、國際能源署及其他國內(nèi)外能源機(jī)構(gòu)檢索得到的項(xiàng)目報告。圖5按照4種儲熱類型分別對國內(nèi)外項(xiàng)目進(jìn)行了統(tǒng)計，其中罐式儲熱項(xiàng)目最多，占比30%。
表1 跨季節(jié)儲熱項(xiàng)目基本參數(shù)
圖5 國內(nèi)外跨季節(jié)儲熱項(xiàng)目分類統(tǒng)計
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對項(xiàng)目儲熱容積與最高儲熱溫度、儲熱效率進(jìn)行了統(tǒng)計。在已建成的項(xiàng)目中，水體儲熱的最高儲熱溫度一般可以達(dá)到70~95℃，而含水層儲熱與地埋管儲熱的最高儲熱溫度基本在70℃以下。含水層儲熱與地埋管儲熱都是直接在土壤或其水體中進(jìn)行，熱耗散發(fā)生在整個地下空間，儲熱溫度過高會造成較大的熱損失。
圖6 最高儲熱溫度、儲熱效率與儲熱容積
項(xiàng)目的儲熱容積集中在1 000~200 000 m3。一方面是由于在案例收集時更側(cè)重于2000年以來的大型儲熱項(xiàng)目，未對小型項(xiàng)目進(jìn)行逐個統(tǒng)計；另一方面，2000年以后國內(nèi)外跨季節(jié)儲熱項(xiàng)目的儲熱規(guī)模不斷擴(kuò)大，尤其是池式儲熱，因其在儲能密度、建造成本、運(yùn)行特性等方面的優(yōu)勢，儲熱容量在100 000 m3以上的項(xiàng)目不斷增加。
此外，由圖6中的儲熱效率來看，整體上，罐式儲熱與池式儲熱項(xiàng)目的儲熱效率比另外2種儲熱方式高，基本在60%以上。但儲熱效率與儲熱容積、儲熱溫度的關(guān)系并不明顯，可能是由于不同項(xiàng)目儲熱體的儲熱溫度、幾何結(jié)構(gòu)、保溫性能等參數(shù)存在差異。
圖7統(tǒng)計了池式儲熱典型項(xiàng)目的蓄熱體表面積比?？梢钥闯?，增大蓄熱體的尺度有利于減小熱損失。若跨季節(jié)儲熱項(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，儲熱效率可呈現(xiàn)增大趨勢。
圖7 蓄熱體表面積比與儲熱容積的關(guān)系
除儲熱容積、儲熱溫度、儲熱效率等技術(shù)參數(shù)外，經(jīng)濟(jì)參數(shù)對于跨季節(jié)儲熱項(xiàng)目也至關(guān)重要。圖8對項(xiàng)目的儲熱成本進(jìn)行了統(tǒng)計。從圖8來看，項(xiàng)目的儲熱成本隨儲熱規(guī)模的增加有明顯下降趨勢，這一定程度上體現(xiàn)出建設(shè)大容量跨季節(jié)儲熱項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)可行性。同時，在4種顯熱儲熱方式中，罐式儲熱的儲熱成本最高，基本均在700元/m3以上，其次是池式儲熱，含水層儲熱與地埋管儲熱成本最低。
注：圖中跨季節(jié)儲熱項(xiàng)目的儲熱成本按照項(xiàng)目始建年份的平均匯率換算成人民幣，跨季節(jié)儲熱成本曲線按照國際能源署SHC任務(wù)52的項(xiàng)目報告發(fā)布年（2016年）的平均匯率換算。
圖8 蓄熱成本與儲熱容積的關(guān)系
根據(jù)圖8中罐式儲熱、池式儲熱與地埋管儲熱的成本曲線可以看出，對于大型池式儲熱項(xiàng)目，其儲熱成本明顯降低，在儲熱容積超過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，通過對項(xiàng)目的熱源形式進(jìn)行分類統(tǒng)計可以看出，在已建成的跨季節(jié)儲熱項(xiàng)目中，熱源以太陽能為主，占77%，而工業(yè)余熱跨季節(jié)儲熱國內(nèi)外應(yīng)用項(xiàng)目僅有4個。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，相較于太陽能，工業(yè)余熱具有更穩(wěn)定的供給特性和更低的價格，發(fā)展跨季節(jié)儲熱會帶來可觀的節(jié)能和經(jīng)濟(jì)效益。
圖9 跨季節(jié)儲熱項(xiàng)目熱源形式統(tǒng)計
為探究制約余熱跨季節(jié)儲熱發(fā)展的因素，對這4個工業(yè)余熱跨季節(jié)儲熱項(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，儲熱溫度為44℃，與設(shè)計儲熱溫度60℃相差較大，同時儲熱量與取熱量分別為2 250 MW·h和430 MW·h，儲熱效率僅為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值，從而使實(shí)際儲熱溫度降低，再加上溫度品位損失較大，系統(tǒng)儲熱效率偏低。荷蘭Eindhoven與德國Neubrandenburg的跨季節(jié)儲熱項(xiàng)目均采用含水層儲能系統(tǒng)回收電廠余熱，但是運(yùn)行中存在儲熱量不滿足供熱需求的問題，同時德國Neubrandenburg項(xiàng)目的冷井細(xì)菌腐蝕嚴(yán)重，井泵更換頻繁。同樣，我國內(nèi)蒙古赤峰市地埋管跨季節(jié)儲熱系統(tǒng)也存在溫度品味損失大的問題。
由此來看，余熱與跨季節(jié)儲熱相結(jié)合時，一方面需準(zhǔn)確估計余熱的數(shù)量與溫度；另一方面，儲熱方式的選擇及儲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)模余熱儲熱系統(tǒng)，其技術(shù)難度較太陽能跨季節(jié)儲熱大得多。這些問題在一定程度上制約了余熱熱源在跨季節(jié)儲熱中的廣泛利用。
此外，為保證儲熱系統(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，約占總項(xiàng)目的36%。熱泵替代鍋爐或直接電加熱來補(bǔ)充跨季節(jié)儲熱系統(tǒng)因儲水溫度降低而不能滿足的供熱需求，既可以提高存儲效率，又可以減少調(diào)峰熱源的使用及其帶來的碳排放，因而在新建項(xiàng)目中應(yīng)用頻率逐漸增高。
圖10 跨季節(jié)儲熱項(xiàng)目輔助熱源形式統(tǒng)計
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熱系統(tǒng)，通過提取外界熱量來提高供水溫度；另一種則是利用熱泵提取跨季節(jié)儲熱體的熱量以提升供水溫度。在應(yīng)用熱泵的16個項(xiàng)目中，大多數(shù)為提取儲熱體的熱量，從而實(shí)現(xiàn)儲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熱系統(tǒng)的適應(yīng)性。圖11分析了太陽能跨季節(jié)儲熱項(xiàng)目中熱泵的性能系數(shù)（COP）隨儲熱容積與太陽能集熱面積比的變化關(guān)系。顯然，隨著儲熱容積與太陽能集熱面積比的增加，太陽能貢獻(xiàn)率減小，也意味著儲熱溫度降低，熱泵COP增大，此時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與儲熱容積/太陽能集熱面積的關(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）及土壤是其儲熱介質(zhì)的熱門材料[94]。其中，罐式儲熱、池式儲熱與含水層儲熱大多以水作為儲熱介質(zhì)，而地埋管儲熱則是以土壤作為儲熱介質(zhì)。
為保證跨季節(jié)儲熱項(xiàng)目高效可靠運(yùn)行，除適合的儲熱形式與儲熱介質(zhì)外，儲熱體的結(jié)構(gòu)材料、保溫隔熱及防水也同樣至關(guān)重要。對于罐式儲熱與池式儲熱，主要在儲熱體的頂部與側(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；地埋管儲熱則一般會在其頂面設(shè)置一層隔熱層，以減少從表面向環(huán)境中散失的熱量；而對于含水層儲熱，目前為其儲熱體安裝隔熱材料仍較為困難。
圖12對項(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?？梢钥吹?，罐式儲熱的儲熱體一般由混凝土或鋼制容器制成，地埋管儲熱的管道材料通常由高密度聚乙烯等合成材料制成，而池式儲熱因大多建設(shè)在地下，相較于罐式儲熱對結(jié)構(gòu)材料的穩(wěn)定性要求降低。同時，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)儲熱系統(tǒng)的效率會有所提高。
圖12 儲熱項(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，國內(nèi)外跨季節(jié)儲熱項(xiàng)目數(shù)量逐漸增多，并且儲熱規(guī)模也在持續(xù)擴(kuò)大。在4種跨季節(jié)顯熱儲熱技術(shù)中，罐式儲熱與池式儲熱的最高儲熱溫度基本可以達(dá)到70~95℃，儲熱效率整體在60%以上，其在儲熱溫度、儲熱效率等方面具有顯著優(yōu)勢，而地埋管儲熱與含水層儲熱則可以靈活應(yīng)用于供暖與供冷。
2）跨季節(jié)儲熱系統(tǒng)的熱損失與儲熱成本隨儲熱容積的增加而降低。建設(shè)大容量的跨季節(jié)儲熱系統(tǒng)是減小跨季節(jié)儲熱熱損失、提高儲熱經(jīng)濟(jì)性的有效途徑。尤其是跨季節(jié)池式儲熱，在建設(shè)大容量儲熱系統(tǒng)時表現(xiàn)出良好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性能。因此，發(fā)展大容量池式儲熱系統(tǒng)有利于進(jìn)一步凸顯跨季節(jié)儲熱的優(yōu)勢。
3）以太陽能為主要熱源的跨季節(jié)儲熱系統(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)目僅占23%左右。未來應(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，實(shí)現(xiàn)跨季節(jié)儲熱熱源多能互補(bǔ)利用。
4）在44個跨季節(jié)儲熱項(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，對儲熱系統(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）高性能的儲熱介質(zhì)、儲熱體結(jié)構(gòu)材料、保溫隔熱材料及防水材料對于跨季節(jié)儲熱項(xiàng)目同樣至關(guān)重要。未來應(yīng)進(jìn)一步開發(fā)適用于跨季節(jié)儲熱的新型材料，從而不斷提高跨季節(jié)儲熱系統(tǒng)的可靠性。
