摘 要： 分布式能源系統(tǒng)具有能源利用率高等優(yōu)點，在國內(nèi)外得到了快速的發(fā)展，但是仍存在設計容量偏大、運行效率降低、耦合可再生能源系統(tǒng)安全性差等問題。為了解決上述問題，蓄冷蓄熱技術(shù)被應用于分布式能源系統(tǒng)，并得到廣泛的應用，但是相關(guān)研究工作多為個例，缺少系統(tǒng)性整理和論述。本文從蓄冷蓄熱材料發(fā)展現(xiàn)狀出發(fā)，論述不同蓄冷蓄熱材料的特點；然后總結(jié)分布式能源系統(tǒng)與蓄冷蓄熱技術(shù)耦合應用現(xiàn)狀，分析不同蓄冷蓄熱技術(shù)的應用效果，確定基于分布式能源系統(tǒng)的蓄冷蓄熱技術(shù)的發(fā)展趨勢。結(jié)果表明，水、熔鹽、耐火磚、冰、石蠟、水合鹽是較為適宜的商業(yè)應用蓄冷蓄熱材料。與分布式能源系統(tǒng)耦合的蓄冷蓄熱技術(shù)主要為水蓄冷、冰蓄冷、水蓄熱、熔鹽蓄熱、相變蓄熱、熱化學蓄熱技術(shù)，其中水蓄冷、冰蓄冷、水蓄熱和熔鹽蓄熱技術(shù)耦合應用較為成熟，相變蓄熱耦合應用處于示范應用階段，熱化學蓄熱耦合應用處于實驗室研究階段。蓄冷蓄熱技術(shù)與可再生能源分布式系統(tǒng)的耦合應用是未來重要的發(fā)展方向。本文可為我國分布式能源系統(tǒng)高效應用提供參考和依據(jù)。
關(guān)鍵詞： 分布式能源；蓄冷；蓄熱；顯熱；潛熱；熱化學
分布式能源系統(tǒng)是一種建立在用戶端，根據(jù)用戶對能源的不同要求，依據(jù)溫度對口原則，實現(xiàn)能源梯級利用，提高能源利用效率的新型供能模式。隨著全球能源危機與氣候變化問題的加劇，分布式能源系統(tǒng)的發(fā)展利用已得到世界各國的廣泛重視，被譽為21世紀科學用能的最佳方式之一，是世界能源供應方式發(fā)展的一個重要方向。
美國是世界較早發(fā)展分布式能源的國家，自1978年起提倡發(fā)展小型燃氣分布式熱電聯(lián)產(chǎn)技術(shù)，現(xiàn)已建成6000多座分布式能源系統(tǒng)，發(fā)電量約占總電量的14%，計劃到2030年新增裝機6500 MW以上。日本自20世紀70年代末引入分布式能源且得到快速發(fā)展，總裝機臺數(shù)達到16424臺，容量突破10 GW。丹麥是世界上能源利用效率較高的國家，80%以上的區(qū)域供熱熱源采用熱電聯(lián)產(chǎn)方式，可節(jié)約28%的燃料，減少47%的CO2排放。我國也大力發(fā)展分布式能源系統(tǒng)，能源發(fā)展“十一五”“十二五”“十三五”規(guī)劃均提出高度重視分布式能源發(fā)展，到2020年分布式天然氣發(fā)電和分布式光伏裝機分別達到1500萬千瓦和6000萬千瓦。
雖然分布式能源系統(tǒng)發(fā)展迅速，但是在設計和運行中仍存在各種問題。例如，設計時忽略冷熱電負荷的耦合關(guān)系導致設計容量偏大，運行時以熱定電和以電定熱的方式導致能源效率降低，可再生能源的引入加大了系統(tǒng)的不穩(wěn)定性。為了解決上述的問題，在分布式能源系統(tǒng)引入蓄冷蓄熱技術(shù)就顯得尤為重要，其不僅可實現(xiàn)冷熱負荷與電負荷的解耦，通過削峰填谷，既可適應用戶側(cè)負荷需求隨季節(jié)、晝夜和適用時間呈現(xiàn)出的多周期變化規(guī)律及隨機性，提高能源綜合利用效率，還可消除引入可再生能源而造成的源側(cè)不穩(wěn)定波動，增加系統(tǒng)的安全性。
目前蓄冷蓄熱技術(shù)應用于分布式能源系統(tǒng)的研究得到了廣泛的應用，但是相關(guān)的工作多為個例，缺少系統(tǒng)性整理和論述。因此，本文從蓄冷蓄熱材料發(fā)展現(xiàn)狀出發(fā)，論述不同的蓄冷蓄熱材料的特點；之后，總結(jié)分布式能源系統(tǒng)與蓄冷蓄熱技術(shù)耦合應用現(xiàn)狀，分析不同蓄冷蓄熱技術(shù)的應用效果，確定基于分布式能源系統(tǒng)的蓄冷蓄熱技術(shù)的發(fā)展趨勢，為我國分布式能源系統(tǒng)高效應用提供參考和依據(jù)。
1 蓄冷蓄熱材料
蓄冷蓄熱技術(shù)是利用蓄冷蓄熱材料將冷或熱量儲存起來，并在需要時再釋放，力圖解決熱能供給與需求在時間、空間或強度上不匹配所帶來的問題，最大限度地提高系統(tǒng)能源利用率的技術(shù)，其本質(zhì)是蓄冷蓄熱材料分子熱運動引起內(nèi)能變化。根據(jù)作用機理，蓄冷蓄熱材料主要有顯熱、潛熱和熱化學三類。
1.1 顯熱材料
顯熱蓄冷蓄熱材料是在相態(tài)不改變情況下，利用自身比熱容和溫度升降實現(xiàn)熱量和冷量的蓄積或釋放。典型顯熱材料主要有液體和固體兩種狀態(tài)。液態(tài)材料主要有水、導熱油、熔鹽等，固態(tài)材料主要有巖石、混凝土、陶瓷、耐火磚等，相關(guān)技術(shù)特點見表1。
表1 典型顯熱材料技術(shù)特點
注： ①使用溫度為溫度范圍的80%。
在蓄冷和低溫蓄熱領域，水是一種較為優(yōu)秀的蓄冷蓄熱材料，其比熱容和蓄能密度均超過其他典型顯熱材料，且可以作為熱量傳遞介質(zhì)，減小熱量的損失。在中高溫蓄熱領域，熔鹽和耐火磚分別是較為適宜的液體和固體蓄熱材料。熔鹽主要包括硝酸鹽、氯化物、碳酸鹽和氟化物。其中，硝酸鹽技術(shù)相對成熟，具有熔點低、比熱容大、熱穩(wěn)定性好、腐蝕性低等優(yōu)點，被廣泛應用于太陽能熱發(fā)電領域；氟化物具有較高的熱存儲容量，被應用于太陽能空間站和熔鹽核反應堆中，但也具有成本較高、熱穩(wěn)定性較差、有毒性等缺點。耐火磚具有化學性能穩(wěn)定、使用溫度范圍廣、強度高等特點，在電蓄熱供暖領域得到了應用。
1.2 潛熱材料
相變潛熱蓄冷蓄熱材料是利用相態(tài)變化時的潛熱進行冷量或熱量的儲存與釋放。相變潛熱材料由于蓄能密度遠高于顯熱材料，成為了目前最受關(guān)注的蓄冷蓄熱技術(shù)。
典型的相變潛熱材料主要有共晶鹽水溶液、冰、氣體水溶液、石蠟、脂肪酸、糖醇、水合鹽、無機鹽等，相關(guān)的技術(shù)特點見圖1和表2。從圖中可以看出，可應用于蓄冷的潛熱材料主要有共晶鹽水溶液、冰、氣體水合物、水合鹽、石蠟、脂肪酸等材料。其中，共晶鹽水溶液、冰、水合鹽、石蠟等來料已實現(xiàn)商業(yè)應用，但是共晶鹽水溶液和水合鹽有較強的腐蝕性?？蓱糜谛顭岬臐摕岵牧现饕獮樗消}、石蠟、脂肪酸、糖醇、硝酸鹽等無機鹽材料，其中水合鹽和石蠟已經(jīng)實現(xiàn)商業(yè)應用，脂肪酸處于示范應用階段，但是，其成本較石蠟更高，循環(huán)穩(wěn)定性不能滿足實際應用要求限制了其應用。
1.3 熱化學材料
熱化學材料是利用可逆吸附、吸收、化學反應進行熱量的蓄積與釋放，具有溫域范圍廣、蓄熱密度大、長期蓄熱熱損失小等優(yōu)點。
根據(jù)工作溫度，熱化學材料可以分為中低溫材料和高溫材料。其中，中低溫材料主要包括以水蒸氣、氨氣為吸收劑或吸附劑的LiBr、LiCl、CaCl2、硅膠、沸石等材料，高溫熱化學材料包括金屬氫化物、有機物、氧化還原物、氫氧化物、氨和碳酸鹽等。典型熱化學材料技術(shù)特點見表3。從表中可以看出，熱化學材料蓄熱密度高于顯熱材料和潛熱材料，但是，目前技術(shù)成熟度不足，多數(shù)材料均處于實驗室研究階段，離大規(guī)模應用尚有較大距離。
表3 典型熱化學材料技術(shù)特點
2 蓄冷蓄熱技術(shù)與分布式能源系統(tǒng)耦合應用方式
2.1 蓄冷技術(shù)
與分布式能源系統(tǒng)耦合應用的蓄冷技術(shù)主要有水蓄冷和冰蓄冷技術(shù)。表4為兩種蓄冷技術(shù)的技術(shù)特點[26]。從表可以看出，冰蓄冷技術(shù)的作用機理為潛熱和顯熱的復合蓄冷方式，因此使用溫度范圍較水蓄冷有明顯擴大，蓄冷能力與體積蓄冷量也有顯著增加，且可提供溫度更低的冷量，進而提高系統(tǒng)整體的相應速度，但是冰蓄冷技術(shù)需要雙工況制冷機，制冷效率相對較低，也會增加項目的初投資。水蓄冷技術(shù)不僅可以使用制冷能效高的常規(guī)冷水機組，還可以實現(xiàn)蓄熱和蓄冷兩種用途，可進一步降低項目的初投資。
表4 水蓄冷和冰蓄冷技術(shù)特點
目前水蓄冷或冰蓄冷技術(shù)與傳統(tǒng)分布式能源系統(tǒng)耦合應用已到達商業(yè)應用階段，根據(jù)用戶需求，應用形式也不盡相同，但是其設計思路主要有利用余熱蓄冷和低谷電蓄冷，相關(guān)系統(tǒng)流程如圖2所示。余熱蓄冷技術(shù)是將分布式能源系統(tǒng)余熱進行制冷在滿足用戶需求時，將余冷進行冷量儲存，在余熱制冷不足時，利用蓄冷或備用電制冷機進行供冷。低谷電蓄冷技術(shù)是分布式能源余熱制冷全部供冷，并在低谷電時進行額外電制冷機制冷儲存，在余熱制冷不足時，利用蓄冷進行供冷。
圖2 蓄冷技術(shù)與傳統(tǒng)分布式能源系統(tǒng)耦合應用方式
常麗等設計了一種傳統(tǒng)分布式能源系統(tǒng)與余熱蓄冰耦合應用系統(tǒng)，并在廣州地區(qū)商業(yè)建筑運行，結(jié)果如圖3所示，余熱蓄冰技術(shù)可滿足23%的供冷量，運行成本日節(jié)省815.67萬，投資回收期為5.09年。王瑯等分析了余熱蓄冷裝置對分布式能源系統(tǒng)的運行能耗和經(jīng)濟性的影響，確定蓄冷容量為120 kW·h時，系統(tǒng)有最大年生命周期成本節(jié)約率。
圖3 供冷量組成
盧海勇等耦合應用了低谷電水蓄冷技術(shù)與傳統(tǒng)分布式能源系統(tǒng)，建立了冷、熱、電和天然氣能量平衡的優(yōu)化配置模型，結(jié)果表明該耦合系統(tǒng)在滿足供冷需求同時具有最佳的經(jīng)濟性。李正茂等也將低谷電水蓄冷技術(shù)與分布式能源系統(tǒng)應用于數(shù)據(jù)中心，得到類似的結(jié)論。上海申通能源申能能源中心大樓采用低谷電冰蓄冷技術(shù)與分布式能源耦合系統(tǒng)，運行結(jié)果表明，系統(tǒng)穩(wěn)定發(fā)電成本低于市電，冰蓄冷技術(shù)每天可節(jié)約電費0.17萬元。秦淵等也將低谷電冰蓄冷技術(shù)應用于傳統(tǒng)分布式能源系統(tǒng)，并發(fā)現(xiàn)當峰谷電價比達到3∶1時，系統(tǒng)具有很好的經(jīng)濟效益。Luo等也利用類似系統(tǒng)得到相同的結(jié)論。
隨著新能源利用技術(shù)的發(fā)展，分布式能源系統(tǒng)向多能源化方向發(fā)展，蓄冷技術(shù)也進行了多種耦合應用。Di Somma等和潘雪竹等分別設計了一種水蓄冷技術(shù)與含太陽能集熱器的分布式能源系統(tǒng)，如圖4所示，其可以利用太陽能集熱器的集熱或內(nèi)燃機余熱進行制冷并進行冷量的蓄積。程杉等將冰蓄冷技術(shù)與風光分布式能源耦合應用系統(tǒng)進行建模計算，如圖5和圖6所示，確定了系統(tǒng)電量和冷量可以滿足用戶需求，系統(tǒng)調(diào)度成本進一步減少。Testi等也提出相似系統(tǒng)。
圖6 供冷量逐時變化
2.2 蓄熱技術(shù)
耦合應用于分布式能源系統(tǒng)的蓄熱技術(shù)主要有水、熔鹽等顯熱蓄熱技術(shù)、相變蓄熱技術(shù)、熱化學蓄熱技術(shù)。其中，水、熔鹽等顯熱蓄熱技術(shù)耦合應用是較為成熟的方式，已經(jīng)進行商業(yè)應用，相變蓄熱技術(shù)耦合應用處于示范應用階段，熱化學蓄熱技術(shù)耦合應用處于實驗室試驗階段。
2.2.1 顯熱蓄熱技術(shù)
水蓄熱技術(shù)與傳統(tǒng)分布式能源系統(tǒng)耦合應用方式與冰蓄冷技術(shù)耦合應用類似，也為余熱蓄熱和低谷電蓄熱技術(shù)，對應的設計原理也如圖2所示。Wu等驗證分布式能源系統(tǒng)與余熱水蓄熱技術(shù)耦合應用具有很好的經(jīng)濟性和環(huán)境友好性。Blarke等建立余熱水蓄熱技術(shù)與分布式能源系統(tǒng)耦合應用系統(tǒng)，得到了類似的結(jié)論。趙靜等研究了低谷電水蓄熱技術(shù)對傳統(tǒng)分布式能源系統(tǒng)的性能影響，發(fā)現(xiàn)低谷電水蓄熱技術(shù)不僅可以滿足熱負荷需求，如圖7所示，還可以增加系統(tǒng)運行時間，提高系統(tǒng)經(jīng)濟效益及能源利用效率。
圖7 供熱量逐時變化
水蓄熱與可再生能源分布式系統(tǒng)的耦合應用也得到了一定的研究。彭怡峰等利用蓄熱裝置解決風電消納問題，建立冷熱電聯(lián)供與蓄熱儲能分布式能源系統(tǒng)運行模型，驗證了利用蓄熱裝置消納風電具有較好的經(jīng)濟優(yōu)勢。楊志鵬等進一步利用增加新能源的利用，利用光伏、風機、燃料電池、地源熱泵結(jié)合傳統(tǒng)分布式能源系統(tǒng)進行蓄熱供暖，如圖8所示，并驗證分布式能源系統(tǒng)引入蓄熱技術(shù)具有顯著的經(jīng)濟效益，燃料費用減少19.2%，運行成本降低18.1%。Mavromatidis等建立水蓄熱與生物質(zhì)、太陽能耦合的分布式能源系統(tǒng)，并優(yōu)化了不同碳排放下的最優(yōu)裝機容量，如圖9和圖10所示。Di Somma等也建立類似系統(tǒng)，得到系統(tǒng)年總運行成本降低了21%～36%。顏飛龍?zhí)接懥怂顭嵩诜植际教柲軣岚l(fā)電技術(shù)中應用的可行性，發(fā)現(xiàn)在沒有太陽能輸入的條件下，水蓄熱能夠使系統(tǒng)在平均50%的額定負荷下持續(xù)工作0.5 h。
圖8 水蓄熱與風光地源熱泵耦合的分布式能源系統(tǒng)
熔鹽蓄熱技術(shù)中，較為常見的是應用于太陽能熱發(fā)電的硝酸鹽蓄熱技術(shù)，目前全球已有20余座應用于熔鹽蓄熱的太陽能熱電站，裝機容量達3899 MW。熊新強等提出熔鹽蓄熱是太陽能光熱發(fā)電的設計重點，并歸納熔鹽蓄熱與太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式，如圖11所示，包括太陽能集熱、熔鹽蓄熱儲能和發(fā)電三部分，熱熔鹽罐和冷熔鹽罐設計溫度可分別為565 ℃和290 ℃，最優(yōu)設計方案分別為不銹鋼罐體+硅酸鋁保溫層和碳鋼罐體+耐高溫有機硅防腐涂料+硅酸鋁保溫層。張宏韜等研究發(fā)現(xiàn)，利用硝酸熔鹽作為蓄熱介質(zhì)可以明顯提升熱發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電效率，改善材料熱穩(wěn)定性。Montes等對比分析了蒸氣、導熱油、熔鹽為太陽能光熱電站傳熱介質(zhì)，發(fā)現(xiàn)與蒸氣、導熱油相比，采用solar salt熔鹽作為傳熱介質(zhì)，在進出口溫度為525 ℃/234 ℃時可以提高約4%的系統(tǒng)?效率。王慧富等對不同熔鹽應用于太陽能熱發(fā)電進行了模擬，發(fā)現(xiàn)采用低熔點熔鹽作為傳熱和蓄熱介質(zhì)時年發(fā)電量和年發(fā)電效率最高，低熔點熔鹽傳熱、太陽鹽蓄熱時年發(fā)電量最低，導熱油傳熱、太陽鹽蓄熱時年發(fā)電效率最低。熔鹽蓄熱技術(shù)與棄風棄光電或低谷電耦合的電供暖技術(shù)也得到了一定程度的示范應用。吳玉庭等提出了一種利用棄風棄光電或低谷電加熱的熔鹽蓄熱供暖技術(shù)，并在河北辛集進行示范應用，結(jié)果表明，室內(nèi)溫度穩(wěn)定維持在19～24 ℃，投資回收期為10年，每年可減少二氧化碳排放1889 t、粉塵排放70 t、二氧化硫排放6 t、氮氧化物排放5.3 t。
圖11 熔鹽蓄熱與太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)
2.2.2 相變蓄熱技術(shù)
相變蓄熱技術(shù)與分布式能源系統(tǒng)耦合應用處于示范應用階段。周宇昊等建立多能互補分布式能源試驗平臺，采用硝酸鹽相變材料回收煙氣高溫熱量，采用十二水硫酸鋁鉀回收中低溫蒸汽熱量，并驗證了系統(tǒng)在3 h后仍能滿足系統(tǒng)供熱要求。俞鐵銘等設計了基于相變蓄熱技術(shù)的天然氣分布式能源系統(tǒng)，數(shù)值模擬了相變材料液相率，發(fā)現(xiàn)相變材料在4 h內(nèi)可以完成釋熱。卓思文設計了一種帶相變材料蓄熱技術(shù)與分布式能源系統(tǒng)的耦合系統(tǒng)，如圖12所示，確定耦合系統(tǒng)的一次能耗相對節(jié)能率、燃氣輪機機減容率、吸收式制冷機減容率分別為16.3%、51.1%和45.8%。李志永等將相變蓄熱與太陽能供暖相結(jié)合提出一套太陽能-相變蓄熱-新風供暖系統(tǒng)，結(jié)果表明，相變蓄熱可保證空調(diào)機組的出風溫度基本穩(wěn)定在35 ℃，滿足空調(diào)末端的需要。
圖12 相變材料蓄熱技術(shù)與分布式能源系統(tǒng)耦合應用系統(tǒng)
2.2.3 相變蓄熱技術(shù)
熱化學蓄熱技術(shù)的耦合應用還處于實驗室研究初期，特別是與傳統(tǒng)分布式能源系統(tǒng)耦合應用研究較少。Zhang等提出一種熱化學儲熱技術(shù)與分布式能源系統(tǒng)耦合方式，如圖13所示，甲醇經(jīng)過槽式太陽能集熱器吸收太陽能，通過分解反應生成CO和氫氣，之后利用原動機供應冷熱電。試驗結(jié)果表明，該系統(tǒng)全年能源平均利用率為47.61%。
圖13 熱化學儲熱技術(shù)與分布式能源系統(tǒng)耦合方式
3 結(jié)論
（1）蓄冷蓄熱材料可分為顯熱、潛熱和熱化學材料。顯熱材料在技術(shù)成熟度、經(jīng)濟性等方面有著顯著的優(yōu)勢，但是蓄能密度最低。熱化學蓄熱材料蓄能密度最高，但是技術(shù)成熟度不足，多數(shù)處于實驗室研究階段，相變蓄熱材料蓄能密度和技術(shù)成熟度較為適中，具有很強的商業(yè)應用潛力。
（2）水、熔鹽、耐火磚、冰、石蠟、水合鹽較為適宜的商業(yè)應用蓄冷蓄熱材料。其中，水和冰蓄能技術(shù)已得到廣泛的商業(yè)應用，熔鹽多應用于太陽能熱發(fā)電領域，耐火磚也在電蓄熱供暖領域得到了發(fā)展。
（3）與分布式能源系統(tǒng)耦合的蓄冷技術(shù)主要為水蓄冷和冰蓄冷技術(shù)。冰蓄冷技術(shù)以顯熱和潛熱方式蓄冷，具有蓄冷密度高、系統(tǒng)響應快等優(yōu)點，水蓄冷以顯熱方式蓄冷，具有制冷效率高、初投資低等優(yōu)點。蓄冷技術(shù)與傳統(tǒng)分布式能源系統(tǒng)耦合應用已達到商業(yè)應用階段，主要有利用余熱和低谷電進行蓄冷，運行效果較佳，經(jīng)濟性較好；與風光等可再生能源分布式系統(tǒng)的耦合應用主要處于試驗和示范應用階段，提高能源利用率和降低運行成本是未來的重要發(fā)展方向。
（4）水蓄熱、熔鹽蓄熱等顯熱蓄熱技術(shù)和相變蓄熱技術(shù)是分布式能源系統(tǒng)耦合的主要蓄熱技術(shù)。其中，水蓄熱、熔鹽蓄熱等顯熱蓄熱技術(shù)耦合應用較為成熟，相變蓄熱耦合應用處于示范應用階段。熱化學蓄熱耦合應用也在實驗室研究中得到一定關(guān)注，需要進一步研究。蓄熱技術(shù)與風、光、地熱、生物質(zhì)等可再生能源分布式系統(tǒng)耦合應用主要處于試驗和示范應用階段，對于緩解棄風棄電、提高環(huán)境友好性和經(jīng)濟性具有較大的發(fā)展?jié)摿蛻脙r值。
引用本文： 王俊,曹建軍,張利勇等.基于分布式能源系統(tǒng)的蓄冷蓄熱技術(shù)應用現(xiàn)狀[J].儲能科學與技術(shù),2020,09(06):1847-1857.
WANG Jun,CAO Jianjun,ZHANG Liyong,et al.Review on application of cold storage and heat storage technology based on distributed energy system[J].Energy Storage Science and Technology,2020,09(06):1847-1857.
第一作者：王?。?980—），男，博士，高級工程師，從事清潔發(fā)電、分布式能源、綜合能源服務等技術(shù)研究和項目開發(fā)；
通訊作者：凌浩恕，博士，助理研究員，研究方向為大規(guī)模物理儲能技術(shù)。E-mail：linghaoshu@iet.cn。
