新世纪跨季节显热储热项目发展现状与分析

  中国储能网讯：发展跨季节储热技术对实现我国供热领域的绿色低碳转型具有重要意义。本文从跨季节储热项目角度出发，分别对跨季节储热的原理及分类、国内外发展现状、项目统计与参数分析等方面进行了综述。重点对所统计的44个国内外跨季节显热储热项目进行了典型技术经济参数分析、热源分析与材料分析。最后指出国内外跨季节储热项目数量增多、储热规模持续扩大，发展大容量跨季节水体储热、实现跨季节储热热源多能互补、规模化应用热泵、进一步开发适用于跨季节储热系统的新型材料可能是未来跨季节储热发展的重要方向。

引言

  在“双碳”目标背景下，建筑部门作为直接与间接碳排放的主要责任领域之一，正在积极探索减少建筑碳排放的路径。2021年我国北方城镇供暖的碳排放量为4.9亿t（CO2），占建筑运行过程中碳排放总量的约22%，是建筑相关碳排放中最主要的部分之一。为降低供暖碳排放，进而实现供热领域碳中和，传统的建筑能源供应—输送—需求系统应向源—网—荷—储—用的综合能源系统转型，储能成为能源转型中的关键。尤其在以可再生能源及各类余热资源为基础的低碳热源供热体系中，大规模跨季节储热的应用在实现低碳热源的可靠供热方面发挥着重要作用。

  跨季节储热技术可以将非供暖季收集的太阳能、余热等热能储存在储热介质中供供暖季利用。它能够有效解决太阳能、余热资源等在时间、空间上供需不匹配的问题，是提高可再生能源利用率、实现建筑节能效益的关键技术。在我国条件适宜的供暖地区，大规模推广应用太阳能跨季节水体储热，以及尝试利用大容量的储热水体充分回收各类余热资源、建设热量共享系统是未来清洁供热最有前景的技术路径之一。

  目前国外已针对跨季节储热技术展开了较为深入的研究与实践，国内同样已有部分学者在跨季节储热方面开展了许多实验与模拟研究，但国内外实际建成的跨季节储热项目并不多，对其进行综合分析的研究也较少。Yang等人通过对全球60个跨季节储热项目进行技术经济参数分析来探究跨季节储热的发展，但其中涉及的国内项目较少。为充分了解国内项目建设情况，本文广泛搜集国内已建跨季节储能项目，并与所统计的2000年以来的国外项目汇总，对其发展和技术经济等参数进行分析，为我国跨季节储热项目建设提供参考。

  1 跨季节显热储热项目发展

  1.1原理及分类

  根据储热介质的不同，跨季节储热技术可分为显热储热、潜热储热与热化学储热3种类型。潜热储热利用介质在相变过程中吸收或放出的潜热来实现热能存储，而热化学储热则依靠可逆化学反应或吸/脱附过程中的反应焓实现储放热，二者均具有较高的储能密度，但由于其储热系统较为复杂，技术尚不成熟，目前仍未进行大规模的工程实践。而显热储热原理简单，技术较为成熟，仍是目前跨季节储热工程实践中应用最广泛的储热方式之一，也是本次收集项目的重点。

  如图1所示，跨季节显热储热技术大体上包括4种类型：罐式储热（tank thermal energy storage，TTES）、池式储热（pit thermal energy storage，PTES）、地埋管储热（borehole thermal energy storage，BTES）与含水层储热（aquifer thermal energy storage，ATES）。

图1 跨季节显热储热原理

  罐式储热与池式储热统称为水体储热，主要利用储罐、地下水池或水坑（如既有矿坑或者新建矿坑等）来储存热量。与其他储热技术相比，水体储热具有储热温度高、储热效率高、受水文地质条件影响小、安装灵活等优点，但投资成本相对较高、设计较为复杂。影响其储热性能的关键技术要素是储热体的几何形状、尺寸、材料等。

  地埋管储热利用埋地管道将热量储存在周围土壤中。由于土壤的储热密度较低，就需要通过增加储热体积来满足储热量的要求。含水层储热通过注入与抽取地下水将热量储存在包含地下水的地下沙土、石灰岩层等结构中。这2种储热类型的建造成本较低，并且能够灵活应用于供热与供冷，但是均对地质条件要求较高，也存在储能密度低、热损失大等问题。而且这2种方式一般与地源热泵结合起来应用。

  如图1所示，有时为了拉大储热温差，跨季节水体储热也可以利用大型水源热泵提升供水温度，以满足末端的用热需求。

  从总体上来看，不论哪种储热方式，都有限制其发展的因素。因此，对储热系统进行技术经济参数分析，探究减小储热系统热损失、提高储热效率、降低储热成本的途经就变得十分关键。

  1.2国外发展现状

  从全球范围来看，欧洲最早对跨季节储热展开研究并进行工程实践。早在20世纪60年代，便首次在地下岩石腔中进行了季节性储存热能的技术尝试。1978年与1980年，瑞典相继建成了第一个800 m³的埋地水池季节性储热系统和一个10000 m³的跨季节水池储热系统。20世纪80年代之后，随着季节性存储太阳能加热装置的发展及储热技术的进步，北美、丹麦、德国等开展了进一步的研究与应用，跨季节储热的建设项目有所增加。

  2012年以后，丹麦再次建造新系统，大规模的季节性热能存储在欧洲迎来了建设高潮，其蓄热设备存储容量、系统规模及安装数量不断增加。特别是以丹麦、德国等为代表的国家，跨季节储热供暖发展飞速。

  就罐式储热而言，其几何形状灵活，对位置依赖性小，在许多大规模季节性储热项目中得到了应用。早期规模较大的罐式储热系统，如德国1996年Friedrichshafen地区的太阳能跨季节储热项目、2000年Hannover的跨季节罐式储热项目等，均实现了一定范围的区域供热。如今，罐式储热仍是很有发展前景的储热技术之一，相关的跨季节储热项目也在不断增加。2017年，韩国在镇川市建设了节能小镇跨季节储热项目，其系统通过800㎡平板集热器与800㎡真空管集热器收集太阳能并储存在总容量为4 161 m³的储罐中，用于冬季20000㎡的区域供热。

  池式储热发展起步较早，并且由于其具有高储热密度与储热效率的优势而广泛应用于大型跨季节储热系统中。丹麦在跨季节池式蓄热建设方面处于领先地位，建设有全球最早(Marstal）及最大（Vojens，储热容积205 000 m³）的太阳能跨季节储热区域供热系统。如图2所示，2022年丹麦Copenhagen又建设了一座热容量为3 300 MW·h的跨季节池式储热项目，其储热水池长180 m、深14.5 m、宽52~72 m，总储热容积达70 000 m³，存储热电联产的热量，为当地区域供热系统供热，满足500 000用户的供热需求。

图2 丹麦Copenhagen跨季节储热水池

  地埋管储热的研究开始于20世纪70年代，瑞典、荷兰等开展了许多相关的应用实践与技术研究。地埋管储热一般与地源热泵联合使用，跨季节储热也作为地源热泵可持续健康运行的关键之一。据统计，全球有超过1 000 000个系统正在运行。2020年，对挪威Drammen市一项跨季节地埋管光伏储能项目开展了测试，系统主要利用1 000㎡的光伏板组件为以二氧化碳为工质的热泵提供电力，以空气为热源产生热量，并在春、夏、秋季存储在地埋管系统中，为附近学校建筑供暖，系统热容量约为350 MW·h/a。

  同样，关于含水层储热的研究也开始于20世纪70年代，集中在北美与欧洲。目前，全球有近3 500个含水层储热系统正在运行，其中大约85%的系统安装在荷兰，10%的系统在瑞典、比利时与丹麦等国。荷兰2018年在代尔夫特理工大学Deltares校区投入运行了一项跨季节含水层储热系统。夏季将2栋建筑50 MW·h的余热与120根真空管太阳能集热器收集的25 MW·h的热量储存在含水层中，冬季通过地下水源热泵承担实验楼100 MW·h的供暖需求。

  1.3国内发展现状

  我国跨季节储热技术发展起步较晚，20世纪90年代我国首次提出太阳能系统结合地源热泵与跨季节储热的思路，以解决冷热负荷不平衡的问题。近年来，随着全球跨季节储热技术的发展与实践经验的积累，以及其在解决能源与热需求之间“季节性不匹配”问题方面的优势突显，我国对跨季节储热技术的关注度越来越高，陆续开展了一些相关的项目实践。

  2013年河北经贸大学建成了太阳能跨季节储热供暖及热水综合利用项目。该项目采用1 380组全玻璃真空管集热器。在非供暖季捕集太阳能，并利用228个89 t碳钢板水箱进行蓄热，以保障供暖季30 000㎡图书馆的供暖及寒假期间20余栋宿舍楼供暖管道的保温防冻，同时兼顾30 000多名学生的洗浴热水供应。系统总集热面积为1.16万㎡，平均集热效率为39.3%，总蓄热容量达2万余t。

  图3为2019年张家口黄帝城小镇建立的太阳能跨季节池式储热示范项目。该项目分为太阳能塔式集热、跨季节储热和供热3个子系统，由760㎡的塔式集热场及吸收器、容积为3 000 m³的跨季节储热水池、热循环管道等组成，为小镇某酒店3 000~5 000㎡的区域供暖。储热水池储水量和热分层的实验与模拟研究表明，第一年总热损失为98 MW·h，储热效率为62%。

  如图4所示，2016年内蒙古自治区赤峰市建设了跨季节蓄热式太阳能-工业废热集中供暖项目。在原有工业余热回收网络的基础上，采用地埋管跨季节蓄热技术，以金剑铜厂铜冶炼过程中部分制酸工艺及冶炼炉冲渣过程中产生的废热为主要热源，并辅以集热面积超过1000㎡的太阳能集热系统，实现100 000㎡的区域供热。该项目的储热体共包括468口深度为80 m的地埋井，地埋井内安装单U形换热器，总储热体积达50万m³，年储热量为1.5万GJ，综合储热效率达85%。

图4 赤峰市跨季节蓄热式地埋管项目

  除此之外，西藏仲巴县、西藏浪卡子、北京延庆区等地也建设了跨季节储热项目。在含水层储热方面，2013年上海崇明岛国家设施农业中心建成了我国第一个新一代含水层储热系统，为20 000㎡的温室供热。跨季节储热技术在我国的应用与实践还在不断增加。

  2 新世纪跨季节显热储热项目统计与分析

  2.1项目统计

  本文共收集2000年以来国内外跨季节显热储热项目44个，其中国外项目30个，国内项目14个，如表1所示。这些项目的数据主要来源于在中国知网（利用“跨季节储热”关键词检索）、Web of Science（利用“STES”、“seasonal thermal energy storage project”等关键词检索）、国际能源署及其他国内外能源机构检索得到的项目报告。图5按照4种储热类型分别对国内外项目进行了统计，其中罐式储热项目最多，占比30%。

表1 跨季节储热项目基本参数

图5 国内外跨季节储热项目分类统计

  2.2项目分析

  2.2.1典型技术经济参数分析

  图6对项目储热容积与最高储热温度、储热效率进行了统计。在已建成的项目中，水体储热的最高储热温度一般可以达到70~95℃，而含水层储热与地埋管储热的最高储热温度基本在70℃以下。含水层储热与地埋管储热都是直接在土壤或其水体中进行，热耗散发生在整个地下空间，储热温度过高会造成较大的热损失。

图6 最高储热温度、储热效率与储热容积

  项目的储热容积集中在1 000~200 000 m³。一方面是由于在案例收集时更侧重于2000年以来的大型储热项目，未对小型项目进行逐个统计；另一方面，2000年以后国内外跨季节储热项目的储热规模不断扩大，尤其是池式储热，因其在储能密度、建造成本、运行特性等方面的优势，储热容量在100 000 m³以上的项目不断增加。

  此外，由图6中的储热效率来看，整体上，罐式储热与池式储热项目的储热效率比另外2种储热方式高，基本在60%以上。但储热效率与储热容积、储热温度的关系并不明显，可能是由于不同项目储热体的储热温度、几何结构、保温性能等参数存在差异。

  图7统计了池式储热典型项目的蓄热体表面积比。可以看出，增大蓄热体的尺度有利于减小热损失。若跨季节储热项目的各参数保持一致，则随着蓄热容积的增加，蓄热体表面积比减小，即蓄热体热损失减小，储热效率可呈现增大趋势。

图7 蓄热体表面积比与储热容积的关系

  除储热容积、储热温度、储热效率等技术参数外，经济参数对于跨季节储热项目也至关重要。图8对项目的储热成本进行了统计。从图8来看，项目的储热成本随储热规模的增加有明显下降趋势，这一定程度上体现出建设大容量跨季节储热项目的经济可行性。同时，在4种显热储热方式中，罐式储热的储热成本最高，基本均在700元/m³以上，其次是池式储热，含水层储热与地埋管储热成本最低。

  注：图中跨季节储热项目的储热成本按照项目始建年份的平均汇率换算成人民币，跨季节储热成本曲线按照国际能源署SHC任务52的项目报告发布年（2016年）的平均汇率换算。

图8 蓄热成本与储热容积的关系

  根据图8中罐式储热、池式储热与地埋管储热的成本曲线可以看出，对于大型池式储热项目，其储热成本明显降低，在储热容积超过43 000 m³以后，单位容量的投资成本最低。

  2.2.2热源分析

  跨季节储热的主要热源形式多为可再生能源，且配有辅助热源。如图9所示，通过对项目的热源形式进行分类统计可以看出，在已建成的跨季节储热项目中，热源以太阳能为主，占77%，而工业余热跨季节储热国内外应用项目仅有4个。事实上，一方面，全球余热资源存量大，仅欧盟的余热总量就达到约2 860 TW·h/a，余热再利用潜力巨大；另一方面，相较于太阳能，工业余热具有更稳定的供给特性和更低的价格，发展跨季节储热会带来可观的节能和经济效益。

图9 跨季节储热项目热源形式统计

  为探究制约余热跨季节储热发展的因素，对这4个工业余热跨季节储热项目开展了进一步的分析。位于瑞典Emmaboda市的跨季节蓄热项目将铸造厂的废热储存在330 000 m³的地埋管系统中，其2016年的运行数据显示，储热温度为44℃，与设计储热温度60℃相差较大，同时储热量与取热量分别为2 250 MW·h和430 MW·h，储热效率仅为19%。

  主要原因在于，实际可用于热回收的工艺热量低于估计值，从而使实际储热温度降低，再加上温度品位损失较大，系统储热效率偏低。荷兰Eindhoven与德国Neubrandenburg的跨季节储热项目均采用含水层储能系统回收电厂余热，但是运行中存在储热量不满足供热需求的问题，同时德国Neubrandenburg项目的冷井细菌腐蚀严重，井泵更换频繁。同样，我国内蒙古赤峰市地埋管跨季节储热系统也存在温度品味损失大的问题。

  由此来看，余热与跨季节储热相结合时，一方面需准确估计余热的数量与温度；另一方面，储热方式的选择及储热热量的输送距离也制约着系统效率与经济性。此外，余热资源大多分散比较分布，将各类余热资源统筹应用于建设大规模余热储热系统，其技术难度较太阳能跨季节储热大得多。这些问题在一定程度上制约了余热热源在跨季节储热中的广泛利用。

  此外，为保证储热系统的供热可靠性，大多数项目均设置了辅助热源。需要说明的是，部分项目有多种辅助热源形式，如“热泵+锅炉”，为统计项目中热泵的应用情况，均归为热泵类。如图10所示，项目的辅助热源大多为锅炉、热泵及电加热器，其中应用热泵的项目共16个，约占总项目的36%。热泵替代锅炉或直接电加热来补充跨季节储热系统因储水温度降低而不能满足的供热需求，既可以提高存储效率，又可以减少调峰热源的使用及其带来的碳排放，因而在新建项目中应用频率逐渐增高。

图10 跨季节储热项目辅助热源形式统计

  热泵作为一种广泛应用的节能减碳技术，主要以2种形式与跨季节储热系统结合，如图1所示。一种是热泵作为独立的辅助热源加入储热系统，通过提取外界热量来提高供水温度；另一种则是利用热泵提取跨季节储热体的热量以提升供水温度。在应用热泵的16个项目中，大多数为提取储热体的热量，从而实现储热体热量的充分利用，有效减少锅炉等辅助热源的投入。

  要实现热泵替代锅炉作为跨季节储热项目辅助加热设备的首选，还必须充分考虑热泵性能与储热系统的适应性。图11分析了太阳能跨季节储热项目中热泵的性能系数（COP）随储热容积与太阳能集热面积比的变化关系。显然，随着储热容积与太阳能集热面积比的增加，太阳能贡献率减小，也意味着储热温度降低，热泵COP增大，此时热泵作为辅助热源提供的热量更多，说明热泵作为辅助加热设备在需补偿更多热能的情况下性能更好。

图11 COP与储热容积/太阳能集热面积的关系

  2.2.3材料分析

  目前跨季节显热储热技术主要应用于空间供暖与生活热水供应，其所需温度范围为40~80℃，水、岩石类材料（如砾石、鹅卵石和砖块）及土壤是其储热介质的热门材料[94]。其中，罐式储热、池式储热与含水层储热大多以水作为储热介质，而地埋管储热则是以土壤作为储热介质。

  为保证跨季节储热项目高效可靠运行，除适合的储热形式与储热介质外，储热体的结构材料、保温隔热及防水也同样至关重要。对于罐式储热与池式储热，主要在储热体的顶部与侧壁设置隔热层进行保温，并在其内部设置防水层以防止水分渗透与蒸汽扩散；地埋管储热则一般会在其顶面设置一层隔热层，以减少从表面向环境中散失的热量；而对于含水层储热，目前为其储热体安装隔热材料仍较为困难。

  图12对项目所用结构材料、隔热材料与防水材料进行了统计。可以看到，罐式储热的储热体一般由混凝土或钢制容器制成，地埋管储热的管道材料通常由高密度聚乙烯等合成材料制成，而池式储热因大多建设在地下，相较于罐式储热对结构材料的稳定性要求降低。同时，还可以看到，泡沫玻璃、膨胀黏土、挤塑聚苯乙烯泡沫、聚乙烯泡沫等材料被广泛用于跨季节储热项目的隔热，而高密度聚乙烯、钢制内衬等材料则用于储热项目的防水。随着潜在隔热材料、自愈合防水材料等新型材料的开发与应用，跨季节储热系统的效率会有所提高。

图12 储热项目所用结构材料、隔热材料与防水材料

  3 结论

  1）2000年以来，国内外跨季节储热项目数量逐渐增多，并且储热规模也在持续扩大。在4种跨季节显热储热技术中，罐式储热与池式储热的最高储热温度基本可以达到70~95℃，储热效率整体在60%以上，其在储热温度、储热效率等方面具有显著优势，而地埋管储热与含水层储热则可以灵活应用于供暖与供冷。

  2）跨季节储热系统的热损失与储热成本随储热容积的增加而降低。建设大容量的跨季节储热系统是减小跨季节储热热损失、提高储热经济性的有效途径。尤其是跨季节池式储热，在建设大容量储热系统时表现出良好的技术经济性能。因此，发展大容量池式储热系统有利于进一步凸显跨季节储热的优势。

  3）以太阳能为主要热源的跨季节储热系统仍占主导地位，利用工业余热、生物质能等其他热源形式的项目仅占23%左右。未来应着力解决限制余热利用的关键问题，充分发挥余热资源可用量大、供给稳定等优势，实现跨季节储热热源多能互补利用。

  4）在44个跨季节储热项目中，有36%的项目应用热泵作为辅助加热设备，且其性能随着补偿热量的增加而提升，对储热系统表现出良好的适应性，应进一步在新建项目中推广应用热泵作为辅助加热设备。

  5）高性能的储热介质、储热体结构材料、保温隔热材料及防水材料对于跨季节储热项目同样至关重要。未来应进一步开发适用于跨季节储热的新型材料，从而不断提高跨季节储热系统的可靠性。