摘 要：推進北方地區(qū)建筑冬季清潔供暖，是重大的民生工程、民心工程。目前清潔供暖技術種類繁多，各具特點，其中集成儲熱技術的清潔供暖技術是研究熱點。為了全面分析清潔供暖儲熱技術發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢，本文分析并總結了清潔供暖技術、儲熱技術的性能特點和發(fā)展現(xiàn)狀，并結合二者的性能，分析了典型清潔供暖儲熱技術發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢。結果表明，清潔供暖技術分為清潔燃煤集中供暖技術、天然氣供暖技術、電供暖技術和可再生能源等其他清潔供暖技術。其中，利用儲熱技術的電供暖技術由于可以配合電網(wǎng)調(diào)峰，解決可再生能源電力波動性，受到了廣泛的關注。儲熱技術分為顯熱儲熱技術、潛熱儲熱技術和熱化學儲熱技術。顯熱儲熱技術具有儲熱規(guī)模大、壽命長、成本低、技術成熟度高等優(yōu)點，是研究最早、利用最廣泛、最成熟的技術；潛熱儲熱技術具有儲熱密度高、放熱過程溫度近乎恒定的優(yōu)點，是目前主要研究和應用熱點；熱化學儲熱技術具有更大的能量儲存密度可實現(xiàn)長期儲存熱能等優(yōu)點，但處于實驗室驗證階段。清潔供暖儲熱技術有逐步聚焦的趨勢，主流技術包括水儲熱技術、高溫固體電儲熱技術、相變電儲熱技術等。本研究可為我國北方清潔供暖技術設計和應用提供參考和依據(jù)。
關鍵詞：清潔供暖；儲熱；顯熱儲熱；潛熱儲熱；熱化學儲熱
供暖能耗大、污染重一直是我國北方地區(qū)打贏“藍天保衛(wèi)戰(zhàn)”面臨的主要問題之一。數(shù)據(jù)顯示，我國北方地區(qū)城鄉(xiāng)建筑取暖總面積達206億m2，且83%采用燃煤取暖，年消耗4億噸標煤，占一次能源消費的9.17%，其中約2億噸標煤為污染嚴重的散燒煤，煙塵產(chǎn)生總量相當于工業(yè)用煤的2.7倍。燃煤供暖不僅影響人居環(huán)境的改善，而且是北方地區(qū)冬季霧霾天氣的主要原因之一。推進北方地區(qū)建筑冬季清潔供暖，是重大的民生工程、民心工程。
低谷電能儲熱的清潔供暖技術不僅可有效平衡電網(wǎng)負荷，提高電網(wǎng)的效率利用率，還可利用低谷電價政策，實現(xiàn)分布式供暖的低成本運行，是清潔供暖技術領域的研究熱點。目前電能儲熱的清潔供暖技術在國內(nèi)外得到了應用。
為了分析清潔供暖儲熱技術發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢，本文首先對清潔供暖技術進行分析，總結現(xiàn)有清潔供暖技術形式及其特點。然后全面綜述了儲熱技術的研究和發(fā)展現(xiàn)狀，并在此基礎上，結合清潔供暖技術和儲熱技術的特點，分析了典型面向清潔供暖的儲熱技術，為我國北方清潔供暖技術設計和應用提供參考和依據(jù)。
1 清潔供暖技術
清潔供暖技術是指通過高效用能系統(tǒng)，利用清潔化燃煤（超低排放）、天然氣、電、地熱、生物質(zhì)、太陽能、工業(yè)余熱、核能等清潔能源，實現(xiàn)建筑低排放、低能耗的供暖技術。
根據(jù)能源種類，清潔供暖技術可以分為清潔燃煤集中供暖技術、天然氣供暖技術、電供暖技術、可再生能源及其他清潔供暖技術，見圖1。
圖1 清潔供暖技術
1.1 清潔燃煤集中供暖技術
清潔燃煤集中供暖技術是對燃煤熱電聯(lián)產(chǎn)、燃煤鍋爐房實施超低排放改造，使得煙塵、二氧化硫、氮氧化物排放濃度在基準氧含量6%條件下分別不超過10 mg/m3、35 mg/m3、50 mg/m3的供暖技術，具備環(huán)保排放要求高、成本優(yōu)勢大等特點。清潔燃煤集中供暖技術被稱為清潔供暖技術的主力軍，對城鎮(zhèn)居民清潔取暖、減少大氣污染物排放起主力作用，供暖面積約35億m2，占比17%。
清潔燃煤集中供暖技術盡管應用面積最大，但是多集中于建筑密度大的城市地區(qū)，而大多數(shù)農(nóng)村地區(qū)由于建筑布局分散、地理位置偏遠、負荷密度低，因而不具備采用清潔燃煤集中供暖技術的條件。
1.2 天然氣供暖技術
天然氣供暖技術是以天然氣為燃料，采用脫氮改造后的燃氣鍋爐等集中式供暖設施或壁掛爐等分散式供暖設施，向建筑供暖的技術，具有燃燒效率較高、基本不排放煙塵和二氧化硫的優(yōu)勢。我國北方地區(qū)天然氣供暖面積約22億m2，占總取暖面積11%。
但是天然氣供暖技術往往受到燃氣管網(wǎng)的限制，城市地區(qū)和城郊農(nóng)村實用性較強，而大多數(shù)農(nóng)村地區(qū)由于成本和安全性的限制，燃氣管網(wǎng)敷設不完整，無法實現(xiàn)天然氣供暖。我國天然氣對外依存度2018年已超過40%，大規(guī)模推廣天然氣取暖受到我國天然氣資源的限制。
1.3 電供暖技術
電供暖技術是以電力為能源，利用電鍋爐、熱泵等集中式供暖設備或發(fā)熱電纜、電熱膜、儲熱電供暖器等分散式供暖設備，為建筑提供熱量的技術。電供暖技術具有布置和運行靈活等優(yōu)點，可廣泛應用于城市和農(nóng)村。我國北方地區(qū)電供暖面積約4億m2，占比2%。
但是目前常規(guī)的直熱式電供暖技術運行費用較高，應用可行性受到較大的限制。利用儲熱的電供暖技術得到了廣泛的關注，其不僅可以利用峰谷電價配合電網(wǎng)調(diào)峰，還可以解決風電、光電等可再生能源電力波動性，促進可再生能源消納，并逐漸成為研究和應用熱點。
1.4 可再生能源及其他清潔供暖技術
可再生能源等其他清潔供暖技術包括地熱、生物質(zhì)能、太陽能、工業(yè)余熱等清潔供暖技術，合計供暖面積約8億m2，占比4%。
地熱供暖技術是可再生能源清潔供暖技術應用最廣的一種，供暖面積約5億m2。地熱供暖技術是使用換熱系統(tǒng)，將地熱資源中的熱量提取，并給建筑供暖的技術。地熱供暖技術雖然發(fā)展比較迅速，但是仍受到地熱資源分布、冷熱負荷不平衡、地下水回灌難等問題限制。
生物質(zhì)能清潔供暖技術是指以生物質(zhì)原料及其加工轉(zhuǎn)化形成的固體、氣體、液體燃料為能源，利用專用設備為建筑供暖的技術，包括達到相應環(huán)保排放要求的生物質(zhì)熱電聯(lián)產(chǎn)、生物質(zhì)鍋爐等。生物質(zhì)能清潔供暖技術供暖面積約2億m2，受到生物質(zhì)能來源和數(shù)量的限制，多應用于農(nóng)村地區(qū)，無法保證建筑密度大的城市地區(qū)建筑供暖。
工業(yè)余熱供暖技術是指通過余熱利用裝置，回收工業(yè)生產(chǎn)過程中的余熱，并進行換熱提質(zhì)，為建筑供暖的技術。我國工業(yè)余熱供暖面積約1億m2。雖然我國工業(yè)生產(chǎn)的能源效率在20%～60%，余熱總量非常巨大，但是工業(yè)生產(chǎn)的間歇性、遠離生活區(qū)、供暖系復雜、投資較高等缺點限制了工業(yè)余熱供暖技術的發(fā)展。
太陽能供暖技術是利用太陽能資源，通過太陽能集熱裝置向用戶供暖的技術。由于太陽能具有間歇性和不穩(wěn)定性，單獨利用太陽能供暖技術需要大面積的太陽能集熱裝置，成本高、維護復雜，因此，太陽能供暖技術主要以輔助供暖形式存在，配合其它供暖技術共同使用，目前供暖面積較小。
2 儲熱技術
集成儲熱的電供暖技術可以降低供暖的運行成本、調(diào)節(jié)電網(wǎng)負荷，促進風電、光電等可再生能源電力的消納，逐漸成為研究和應用熱點。但是，集成儲熱的供暖技術的應用效果與儲熱有直接關系。
儲熱技術是以儲熱材料為媒介，將太陽能光熱、電制熱、地熱、工業(yè)余熱、低品位廢熱等熱能進行儲存，并在需要時進行釋放利用，力圖解決熱能供給與需求間在時間、空間或強度上不匹配所帶來的問題，最大限度地提高能源利用率而逐漸發(fā)展起來的一種技術。儲熱技術根據(jù)儲熱原理可以分為顯熱儲熱技術、潛熱儲熱技術和熱化學儲熱技術，見圖2。
圖2 儲熱技術
2.1 顯熱儲熱技術
顯熱儲熱技術是利用儲熱材料的熱容量，通過升高或降低材料的溫度而實現(xiàn)熱量儲存或釋放的技術，是研究最早、利用最廣泛、最成熟的技術，具有原理簡單、材料來源豐富、對環(huán)境友好、成本低廉等優(yōu)點，但通常也存在儲能密度低、溫度輸出波動大、自放熱與熱損失大等問題。
根據(jù)儲熱材料的相態(tài)，常用的顯熱儲熱技術可以分為液體儲熱材料和固體儲熱材料。常見的液體儲熱材料包括水、熔鹽、導熱油、液態(tài)金屬等，固體儲熱材料包括巖石、復合混凝土等。不同顯熱儲熱材料特點見表1。其中，水、導熱油、巖石、混凝土等是最常見的低溫（<120 ℃）顯熱儲熱材料，導熱油、熔鹽、巖石、混凝土等也是常見的中高溫（120～600 ℃）顯熱儲熱材料，巖石和液態(tài)金屬也是超高溫（≥600 ℃）顯熱儲熱材料，但是液態(tài)金屬技術尚不成熟，處于研究階段。
表1 顯熱儲熱材料特點
2.2 潛熱儲熱技術
潛熱儲熱技術，又稱相變材料，是利用儲熱材料在物相變化過程中吸收或釋放大量潛熱以實現(xiàn)熱量儲存和釋放的技術，具有儲熱密度高、放熱過程溫度近乎恒定的優(yōu)點。
根據(jù)儲熱材料工作過程中相態(tài)轉(zhuǎn)變的基本形式，潛熱儲熱材料可以分為固-氣、液-氣、固-固和固-液四類相變材料。其中，固-氣和液-氣相變材料在相變過程中存在體積變化大等問題，固-固相變材料存在相變潛熱小和塑晶現(xiàn)象嚴重等缺點，相關研究和實際應用較少。固-液相變材料具有較大的相變焓、較小的體積變化，是目前主要研究和應用對象。
按照工作溫度，固-液相變材料又分低溫相變材料和高溫相變材料。其中，低溫相變材料主要包括聚乙二醇、石蠟和脂肪酸等有機物及無機水合鹽，中高溫相變材料主要包括無機鹽、金屬和合金等。不同的相變材料特點見表2。從表中可以看出，石蠟、無機水合物等低溫相變材料技術成熟度相對較高，已實現(xiàn)部分材料的示范應用，但是仍存在導熱系數(shù)低、腐蝕性、過冷度和相分離等問題；無機鹽、金屬等中高溫相變材料雖然具有相變焓較大、密度較高等優(yōu)點，但是相關材料腐蝕性、過冷度等問題仍需要進一步研究，目前技術成熟度較低，仍處于實驗室研究階段。
表2 相變材料特點
2.3 熱化學儲熱技術
熱化學儲熱技術是利用儲熱材料相接觸時發(fā)生可逆化學反應進行熱量儲存和釋放的技術，具有更大的能量儲存密度、可在常溫下無損失地長期儲存熱能等優(yōu)點，但也存在技術成熟度不足、反應速率難以控制等問題。
根據(jù)反應特點，熱化學儲熱技術可分為化學反應、吸附和吸收3種儲熱技術。其中，化學反應儲熱技術是基于不同化學物質(zhì)的可逆反應；吸附儲熱技術是基于被吸附物向吸附劑表面的累積或聚集；吸收儲熱技術是基于被吸收物在吸收劑內(nèi)的溶解或滲透。
按照工作溫度，熱化學儲熱材料可分為中低溫熱化學儲熱材料和高溫熱化學儲熱材料。其中，中低溫熱化學儲熱材料主要是利用水蒸氣、氨氣作為吸收劑和吸附劑，常見的材料體系見圖3。高溫熱化學儲熱材料可以分為金屬氫化物體系、有機物體系、氧化還原體系、氫氧化物體系、氨體系和碳酸鹽體系，常見的材料見圖4。
整體而言，不同的儲熱技術特點和技術成熟度見表3和表4。從表中可以看出，顯熱儲熱技術在儲熱規(guī)模、效率、壽命、成本、技術成熟度等方面具有較大的優(yōu)勢，但是儲能周期較短、能量密度較低等方面也限制了其應用發(fā)展，特別是一些儲熱體積限制較大的應用場合。潛熱儲熱技術具有較長的儲能周期、較大的能量密度、較高的熱效率和較長的使用壽命，但是其儲能規(guī)模和成本仍需要進一步改善，其技術成熟度也需要進一步提高，以達到商業(yè)應用的要求。熱化學儲熱技術在儲熱周期、能量密度等方面具有較大的優(yōu)勢，但是儲能規(guī)模、效率、壽命、成本、技術成熟度需要進一步改善，且相關研究仍處于實驗室驗證階段，需要大量的時間和經(jīng)費進行基礎研究以推進實際應用。
3 面向清潔供暖的典型儲熱技術
正如第2部分提到的顯熱儲熱技術和潛熱儲熱技術基本成熟，已應用于清潔供暖系統(tǒng)，熱化學儲熱技術仍處于實驗室研究階段。經(jīng)過長期的發(fā)展，目前面向清潔供暖的儲熱技術有逐步聚焦的趨勢，目前占主導地位的儲熱技術包括水儲熱技術、高溫固體電儲熱技術、相變電儲熱技術等。
3.1 水儲熱技術
水儲熱技術是最早應用于清潔供暖系統(tǒng)的技術之一，其結構原理圖見圖5，主要是在谷值電價時利用電鍋爐進行熱水加熱，儲于儲水罐；在峰值電價時利用儲水罐熱水供暖。水儲熱技術具有熱效率高、運行費用低、運行安全穩(wěn)定、維修方便等優(yōu)點，在國內(nèi)外都有很多應用實例，但是也存在儲水罐體積較大、受占地空間限制等問題。
圖5 水儲熱供暖技術原理圖
在20世紀80年代初，歐洲已成功開發(fā)和運行水儲熱技術的電力供暖系統(tǒng)，以解決冬季供暖高峰負荷問題，美國也采用上述相關技術，并取得了很大成效。Verda等以都靈地區(qū)供暖系統(tǒng)為例證明，水儲熱系統(tǒng)可減少約12%的一次能源消耗和約5%的總成本。邵小珍等設計并建造了護國寺中醫(yī)院水儲熱供暖系統(tǒng)，經(jīng)過實際運行發(fā)現(xiàn)，鍋爐出水溫度可達到70 ℃，保證用戶在室外溫度較低時的采暖，鍋爐房各項指標基本達到設計要求。麻延等采用水儲熱技術為北京市建筑質(zhì)量監(jiān)督總站進行供暖，運行結果表明，水儲熱技術供暖系統(tǒng)運行費用可較燃氣鍋爐省52%，且供暖效果佳，運行時間靈活。王昆對比唐山地區(qū)1萬平米建筑采用120天供暖時間的燃氣、地源熱泵、市政、水蓄熱等供暖技術經(jīng)濟效益，發(fā)現(xiàn)水蓄熱供暖技術綜合經(jīng)濟效益最佳，見表5。張旭等分析了賓館水蓄熱供暖技術技術可行性，發(fā)現(xiàn)水蓄熱技術的投資回收期為1.3年，運行成本低于燃油鍋爐和燃氣鍋爐。
表5 不同供暖技術的經(jīng)濟效益
3.2 高溫固體電儲熱技術
高溫固體電儲熱技術是在谷值電價時利用電加熱設備直接將電能轉(zhuǎn)化為熱能，并儲存于固體儲熱器；在峰值電價時與供暖系統(tǒng)熱水進行換熱，進而為建筑供暖的技術，其技術原理圖見圖6。高溫固體具有儲熱密度大、儲熱溫度高、儲熱體積小等優(yōu)點，不但克服液體儲熱技術的缺點，而且兼具環(huán)保、高效、節(jié)能、安全等多項優(yōu)勢。
圖6 高溫固體電儲熱供暖技術原理圖
國外對高溫固體電儲熱技術的研究始于20世紀70年代，到80年代初，歐洲部分發(fā)達國家已開始進行實際應用。Sorour對高溫固體電儲熱器進行了優(yōu)化設計，發(fā)現(xiàn)蓄熱材料大小、高度、換熱流體流量以及輸入熱量是影響蓄熱性能的主要參數(shù)。Laing等開發(fā)了高溫混凝土蓄熱示范模塊，驗證了模塊在500 ℃的穩(wěn)定性以及200～500 ℃環(huán)境中長期儲熱的損耗。我國在高溫固體電儲熱技術應用已達到國際領先水平，但是目前研究多為應用形式的設計和經(jīng)濟性的分析，對于技術涉及的傳熱傳質(zhì)過程等基礎研究缺乏深入的探討。劉曉東設計了一種固體電儲熱供暖裝置，利用氧化鎂磚和熱管組成封閉的儲熱單元，降低氧化鎂磚固體的氧化速度。朱建新提出了一種帶預制固體熱能存儲裝置的供熱系統(tǒng)，利用金屬傘裙把固體儲熱材料分段，減小大范圍開裂損壞的危險。葛維春等對固體電制熱儲熱供暖機組，利用室內(nèi)溫度需求、建筑物耗熱量、建筑物熱指標、采暖季熱負荷、儲熱機組加熱功率與蓄熱量等5個指標提出一種經(jīng)濟性配置方法。苗常海等通過臨界電價法分析水儲熱、高溫固體儲熱、市政供暖技術、相變電儲熱技術的經(jīng)濟性，發(fā)現(xiàn)水儲熱、高溫固體儲熱技術相比市政供暖更具經(jīng)濟可行性，且前者的經(jīng)濟性最好。曲弘等驗證了高溫固體電儲熱供暖技術對于實行峰谷電價地區(qū)的非居民項目具有顯著的經(jīng)濟效益。陳彬等分析了高溫固體電儲熱供暖技術不僅具有一定的經(jīng)濟效益，更可產(chǎn)生環(huán)境效益，增大低谷段的風電和核電等清潔能源消納能力。表6為北京某供暖面積200萬m2電蓄熱方案經(jīng)濟性對比，從表中可以看出高溫固體電儲熱技術的經(jīng)濟性優(yōu)于水儲熱技術，且采用花崗巖為固體儲熱介質(zhì)的經(jīng)濟性明顯好于以鎂鐵磚為固體儲熱介質(zhì)。
表6 不同供暖技術的經(jīng)濟效益
3.3 相變電儲熱技術
相變電儲熱技術是近些年開始發(fā)展的技術，具有儲熱密度高、儲釋熱過程溫度恒定等優(yōu)點。目前，相變電儲熱技術結構主要有兩種：一種是類似于水儲熱技術，將相變儲熱裝置替代儲水罐，在電價谷值時，開啟電鍋爐制熱，并利用相變儲熱裝置將熱量進行儲存，在電價峰值時，相變儲熱裝置為建筑供暖；另一種類似于高溫固體電儲熱技術，將相變材料做成相變材料磚，并放置于固體儲熱器中，在電價谷值時直接儲存電加熱裝置的熱量，在電價峰值時為建筑供暖。
Brousseau等通過模擬證明，相變電儲熱裝置在家用電采暖領域具有很大的應用價值。與高溫固體電儲熱技術類似，我國相變電儲熱技術領域的研究也多為應用形式的設計和經(jīng)濟性的分析，需要加強對相變電儲熱傳熱機理等基礎內(nèi)容的研究。丁玉龍等設計了一種集產(chǎn)熱、儲熱、供熱于一體的復合相變材料蓄熱式電熱供暖系統(tǒng)，利用纏繞方形翅片的換熱盤管提高盤管與相變儲熱材料之間的換熱效率。他們還提出一種油浸式相變儲熱電暖器，利用導熱油完全浸泡相變儲熱模塊，解決了目前儲熱式電暖器儲熱容量小、體積和重量大、導熱性能不高等問題。童敏等設計了一種相變儲熱峰谷供暖系統(tǒng)，利用電加熱管在谷電時為相變儲熱裝置儲熱，在峰電時為用戶端供暖。何淋等也設計一種由箱體、電加熱裝置、相變材料組成相變蓄熱供暖裝置，可利用相變材料將用電谷期的電能儲存起來，然后在其他的時段輸出并提供持續(xù)穩(wěn)定的熱水。相虎昌等在天津某商業(yè)建筑應用相變電儲熱技術，并發(fā)現(xiàn)該技術運行費用僅為燃氣鍋爐供暖系統(tǒng)的84.5%。張繼皇等開發(fā)了一種相變電儲熱裝置，并應用于天津水游城，應用結果顯示，該系統(tǒng)運行效率為97.5%，較原采暖系統(tǒng)運行費用可節(jié)省64%。賀鑫等對比了水蓄熱技術和相變蓄熱技術的區(qū)別，發(fā)現(xiàn)相變蓄熱技術多為恒溫放熱，熱穩(wěn)定性優(yōu)于水蓄熱技術。盡管如此，但是相變蓄熱材料成本較高，相變蓄熱技術初投資高于其他技術，投資回報期也高于其他技術，如表6所示。
4 結論
（1）清潔供暖技術可以分為清潔燃煤集中供暖技術、天然氣供暖技術、電供暖技術和可再生能源等其他清潔供暖技術。其中，集成儲熱技術的電供暖技術由于可以利用峰谷電價配合電網(wǎng)調(diào)峰，解決風電、光電等可再生能源電力波動性，促進可再生能源消納，受到了廣泛的關注，并逐漸成為研究和應用熱點。
（2）儲熱技術可分為顯熱儲熱技術、潛熱儲熱技術和熱化學儲熱技術。顯熱儲熱技術具有儲熱規(guī)模大、壽命長、成本低、技術成熟度高等優(yōu)點，是研究最早、利用最廣泛、最成熟的技術；潛熱儲熱技術具有儲熱密度高、放熱過程溫度近乎恒定的優(yōu)點，是目前主要研究和應用熱點；熱化學儲熱技術具有更大的能量儲存密度可實現(xiàn)長期儲存熱能等優(yōu)點，但處于實驗室驗證階段。
（3）清潔供暖的典型儲熱技術有逐步聚焦的趨勢，主流技術包括水儲熱技術、高溫固體電儲熱技術、相變電儲熱技術等。水儲熱技術是最早應用于清潔供暖系統(tǒng)的技術之一，運行成本低于燃油鍋爐和燃氣鍋爐；高溫固體電儲熱技術的經(jīng)濟性優(yōu)于水儲熱技術，且采用花崗巖為固體儲熱介質(zhì)的經(jīng)濟性明顯好于以鎂鐵磚為固體儲熱介質(zhì)；相變電儲熱技術可恒溫放熱，熱穩(wěn)定性優(yōu)于水蓄熱技術。
引用本文： 凌浩恕,何京東,徐玉杰等.清潔供暖儲熱技術現(xiàn)狀與趨勢[J].儲能科學與技術,2020,09(03):861-868. (LING Haoshu,HE Jingdong,XU Yujie,et al.Status and prospect of thermal energy storage technology for clean heating[J].Energy Storage Science and Technology,2020,09(03):861-868.)
第一作者：凌浩?。?988—），男，博士，助理研究員，從事蓄熱蓄冷等儲能技術研究，E-mail：linghaoshu@iet.cn;
通訊作者：徐玉杰，研究員，研究方向為大規(guī)模物理儲能技術研究,E-mail：xuyujie@iet.cn。
