跨季节储热技术研究

储热作为一种新型储能技术被广泛地应用在清洁供暖、火电灵活性改造、综合能源服务等多个能源细分领域。本文论述了跨季节储热技术的分类、工作原理，并对主要技术进行对比分析。综述了跨季节储热技术知识产权发展情况，为建筑冬季采暖、煤改清洁能源、区域能源供给提供新的技术路线。最后对跨季节储热技术未来发展进行了展望。

大力发展太阳能、地热能、风能、潮汐能等清洁能源是建设绿色中国和实现“双碳”目标的必由之路。储热技术在电力“移峰填谷”、工业废热再利用和余热回收、建筑采暖和空调节能等领域具有广阔的应用前景。

大规模跨季节储热在经济性、低碳化等方面已具有可行性，其将全年余热收集起来，变废为宝、实现零碳，可有效解决可再生能源供热系统在时间、空间和强度上的不匹配特性，扩大热能利用的深度与广度。另外，大规模跨季节储热与储氢、储电、储水发电、储高压气等新型储能方式相比成本更低。地下跨季节储热因其技术成熟度高、应用广泛，具有高储存效率和高储存容量等优点，使其成为当前跨季节储热研究与应用的主要方向。

01、储热相关政策

储热作为一种新型储能技术被广泛地应用在清洁供暖、火电灵活性改造、综合能源服务等多个能源细分领域，其发展离不开政策的引导与支持。表1和表2为近几年国家和地方层面发布储热相关政策及主要内容。

表1 国家层面相关储热政策

表2 地方层面相关储热政策

02、跨季节储热技术类型

跨季节储热技术是通过太阳能、工业余热等热能资源实现供热的一种新型储能技术，具有储热容量大、设备简单、运行稳定可靠等特点，在大型供热项目中具有广泛应用前景。其主要可分为显热、潜热和热化学储热，其中显热储热又可分为水箱储热、地下含水层储热、地埋管储热和砾石−水储热。图1为跨季节储热系统流程图。

图1 跨季节储热系统流程

2.1 显热储热技术

显热储热（SHS）是利用某些介质温度升高或降低过程进行热量存储，凭借运行方式简单、成本低廉等优点已大规模商用。

水箱储热。水箱跨季节储热技术是一种利用水箱储存热能，实现季节性能源储备的技术，因具有单位体积热容量大、流动性好、存取热量快捷等优点被应用于大规模季节储热示范项目中，如图2所示。但该储热技术建设成本较高，需进行较大规模设备安装和管道布置，同时水箱维护和管理也需要较高技术水平和人力成本。

图2 地下水箱储热示意

地下含水层储热。地下含水层跨季节储热技术主要利用地下含水层作为热储存介质，将夏季余热储存到地下含水层，冬季再利用地下含水层热能进行供暖，其主要包括热源井、热泵、换热器等设备，如图3所示。该储热系统造价较低，但对地质条件要求较高。地下含水层储热技术具有储存容量大、储能效率高等优点，能够满足大规模供暖需求，但该技术建设成本较高，同时地下含水层的开采和利用需严格遵守环境保护要求。

图3 地下含水层储热示意

3）地埋管储热。地埋管储热主要利用单U、双U或螺旋形管与地下土壤进行换热，埋管深度大概在地下30~100 m，在非供暖季将热源能量通过水等介质储存在地下土壤和岩石中，供热季又将热量交换出来供给用户端，如图4所示。因具有稳定性好、寿命长等优点已被广泛应用于建筑物采暖、制冷等领域。该技术对地质要求较高，岩石和饱和水土壤地质类型较为适宜，目前已经成功应用于国内外区域供热示范项目中。

图4 地埋管储热示意

4）砾石−水储热。砾石−水储热的储热介质由砾石和水组成，该技术通过在地下挖掘一个深度为数十米的圆形坑穴，在坑穴中铺设一层砾石，再将水泵入坑穴中，使砾石和水体形成热储库，如图5所示。该技术具有储存效率高、使用寿命长、环保节能等优点，可有效降低建筑物能耗和碳排放。

图5 砾石−水储热示意

2.2 潜热储热技术

潜热储热技术是以相变材料为储能介质的一种热能储存技术，主要利用相变材料的相变温度与相变潜热之间差异，将其应用于热能储存，如图6所示。潜热储热应用领域十分广泛。单一材料往往难以满足性能要求，故制备复合相变材料成为潜热储热的研究重点。该技术主要目标为降低材料生产成本、增加产能、提高材料使用年限和可靠性。

图6 相变储热示意

2.3 热化学储热技术

热化学储热材料的储能密度通常是显热材料的8~10倍，是潜热材料的2倍以上，并且长期储存热损失小，因此被认为是未来最有前景的储热方式之一。该技术通过夏季将太阳能或其他可再生能源转化为化学能并储存在化学反应物中，冬季通过逆向反应释放出储存热能（图7）。常见热化学跨季节储热技术包括氨合成、硅酸盐合成、碳酸盐合成等。其中氨合成是应用最广泛的一种技术。热化学跨季节储热主要处于研究阶段，目前针对吸附/吸收热化学跨季节储热系统，国内外研究学者已经展开了广泛的研究。

图7 热化学储热示意

03、跨季节储热技术对比

与潜热和热化学技术相比，显热储热因其运行方式简单、成本低廉、技术成熟等优点成为最商用技术，但其储热量受限。显热储能利用水或熔融盐等物质作为介质储能，应用领域包含工业窑炉和电采暖、居民采暖、光热发电等领域。目前显热技术规模化应用主要集中在光热电站，表4为4种显热储热技术比较，潜热储热根据相变温度可分为低温和高温。低温潜热储热主要用于废热回收、太阳能储存及供暖和空调系统。高温潜热储热可用于热机、太阳能电站、磁流体发电以及人造卫星等方面。热化学储热涉及某种与热化学材料的可逆放热/吸热化学反应，该技术尚处于实验室研究阶段，实际工程应用中存在诸多技术问题，故此类项目案例较少。

表4 显热储热技术对比

相比其他2种技术，热化学储热因其具有能量密度高、长期储存热损失小等特点被认为是潜力最大，如果技术瓶颈突破，投资成本降低后，将被大规模应用。表5为3种跨季节储热技术对比。

表5 3种跨季节储热技术对比

近年来，中国跨季节储热技术发展迅猛，通过对跨季节储热技术领域专利分析，近10年该领域专利量总体呈上升趋势，尤其是2015年后该领域创新热度大幅提升。

04、结论

跨季节储热技术不仅是一种低碳技术，更是未来城市能源系统主要调节手段，不仅可以满足城市采暖需求，也可调节热需求与余热源之间在空间与时间上不同步。

跨季节储热技术研究和应用已经进入实际落地阶段，未来具有较大发展空间和潜力。随着物联网、云计算等技术发展，跨季节储热技术也逐渐通过智能控制系统实现更加高效的热能储存和使用；因地制宜选择热源及储热方式，利用跨季节储热技术时应充分考虑地区环境因素影响，选择合适储热形式以及清洁能源实现能源最大化储存和利用；跨季节储热在国外发展时间较早，发展速度较快，而国内该技术工程应用较少，在学习国外先进技术同时应开展关键技术攻关，提升中国自主研发能力。