陳海生等：清潔供暖儲熱技術(shù)現(xiàn)狀與趨勢
原創(chuàng)凌浩恕，陳海生等儲能科學(xué)與技術(shù)8月5日
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作者：凌浩恕
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徐玉杰
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陳海生
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單位：1.中國科學(xué)院工程熱物理研究所；2. 中國科學(xué)院
引用：凌浩恕,何京東,徐玉杰等.清潔供暖儲熱技術(shù)現(xiàn)狀與趨勢[J].儲能科學(xué)與技術(shù),2020,09(03):861-868.
DOI：10.19799/j.cnki.2095-4239.2019.0246
摘 要：推進(jìn)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(shù)種類繁多，各具特點(diǎn)，其中集成儲熱技術(shù)的清潔供暖技術(shù)是研究熱點(diǎn)。為了全面分析清潔供暖儲熱技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢，本文分析并總結(jié)了清潔供暖技術(shù)、儲熱技術(shù)的性能特點(diǎn)和發(fā)展現(xiàn)狀，并結(jié)合二者的性能，分析了典型清潔供暖儲熱技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢。結(jié)果表明，清潔供暖技術(shù)分為清潔燃煤集中供暖技術(shù)、天然氣供暖技術(shù)、電供暖技術(shù)和可再生能源等其他清潔供暖技術(shù)。其中，利用儲熱技術(shù)的電供暖技術(shù)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(guān)注。儲熱技術(shù)分為顯熱儲熱技術(shù)、潛熱儲熱技術(shù)和熱化學(xué)儲熱技術(shù)。顯熱儲熱技術(shù)具有儲熱規(guī)模大、壽命長、成本低、技術(shù)成熟度高等優(yōu)點(diǎn)，是研究最早、利用最廣泛、最成熟的技術(shù)；潛熱儲熱技術(shù)具有儲熱密度高、放熱過程溫度近乎恒定的優(yōu)點(diǎn)，是目前主要研究和應(yīng)用熱點(diǎn)；熱化學(xué)儲熱技術(shù)具有更大的能量儲存密度可實(shí)現(xiàn)長期儲存熱能等優(yōu)點(diǎn)，但處于實(shí)驗(yàn)室驗(yàn)證階段。清潔供暖儲熱技術(shù)有逐步聚焦的趨勢，主流技術(shù)包括水儲熱技術(shù)、高溫固體電儲熱技術(shù)、相變電儲熱技術(shù)等。本研究可為我國北方清潔供暖技術(shù)設(shè)計(jì)和應(yīng)用提供參考和依據(jù)。
關(guān)鍵詞：清潔供暖；儲熱；顯熱儲熱；潛熱儲熱；熱化學(xué)儲熱
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供暖能耗大、污染重一直是我國北方地區(qū)打贏“藍(lán)天保衛(wèi)戰(zhàn)”面臨的主要問題之一。數(shù)據(jù)顯示[1]，我國北方地區(qū)城鄉(xiāng)建筑取暖總面積達(dá)206億m2，且83%采用燃煤取暖，年消耗4億噸標(biāo)煤，占一次能源消費(fèi)的9.17%，其中約2億噸標(biāo)煤為污染嚴(yán)重的散燒煤，煙塵產(chǎn)生總量相當(dāng)于工業(yè)用煤的2.7倍[2]。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(jìn)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(shù)不僅可有效平衡電網(wǎng)負(fù)荷，提高電網(wǎng)的效率利用率，還可利用低谷電價(jià)政策，實(shí)現(xiàn)分布式供暖的低成本運(yùn)行，是清潔供暖技術(shù)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。目前電能儲熱的清潔供暖技術(shù)在國內(nèi)外得到了應(yīng)用。
為了分析清潔供暖儲熱技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢，本文首先對清潔供暖技術(shù)進(jìn)行分析，總結(jié)現(xiàn)有清潔供暖技術(shù)形式及其特點(diǎn)。然后全面綜述了儲熱技術(shù)的研究和發(fā)展現(xiàn)狀，并在此基礎(chǔ)上，結(jié)合清潔供暖技術(shù)和儲熱技術(shù)的特點(diǎn)，分析了典型面向清潔供暖的儲熱技術(shù)，為我國北方清潔供暖技術(shù)設(shè)計(jì)和應(yīng)用提供參考和依據(jù)。
1 清潔供暖技術(shù)
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清潔供暖技術(shù)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?zé)?、生物質(zhì)、太陽能、工業(yè)余熱、核能等清潔能源，實(shí)現(xiàn)建筑低排放、低能耗的供暖技術(shù)[1]。
根據(jù)能源種類，清潔供暖技術(shù)可以分為清潔燃煤集中供暖技術(shù)、天然氣供暖技術(shù)、電供暖技術(shù)、可再生能源及其他清潔供暖技術(shù)，見圖1。
圖1清潔供暖技術(shù)Fig.1Clean heating technologies
1.1清潔燃煤集中供暖技術(shù)
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清潔燃煤集中供暖技術(shù)是對燃煤熱電聯(lián)產(chǎn)、燃煤鍋爐房實(shí)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(zhǔn)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(shù)，具備環(huán)保排放要求高、成本優(yōu)勢大等特點(diǎn)。清潔燃煤集中供暖技術(shù)被稱為清潔供暖技術(shù)的主力軍[3]，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%[1]。
清潔燃煤集中供暖技術(shù)盡管應(yīng)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(yuǎn)、負(fù)荷密度低，因而不具備采用清潔燃煤集中供暖技術(shù)的條件。
1.2天然氣供暖技術(shù)
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天然氣供暖技術(shù)是以天然氣為燃料，采用脫氮改造后的燃?xì)忮仩t等集中式供暖設(shè)施或壁掛爐等分散式供暖設(shè)施，向建筑供暖的技術(shù)，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?cè)∨娣e11%[1]。
但是天然氣供暖技術(shù)往往受到燃?xì)夤芫W(wǎng)的限制，城市地區(qū)和城郊農(nóng)村實(shí)用性較強(qiáng)，而大多數(shù)農(nóng)村地區(qū)由于成本和安全性的限制，燃?xì)夤芫W(wǎng)敷設(shè)不完整，無法實(shí)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(shù)
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電供暖技術(shù)是以電力為能源，利用電鍋爐、熱泵等集中式供暖設(shè)備或發(fā)熱電纜、電熱膜、儲熱電供暖器等分散式供暖設(shè)備，為建筑提供熱量的技術(shù)。電供暖技術(shù)具有布置和運(yùn)行靈活等優(yōu)點(diǎn)，可廣泛應(yīng)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%[1]。
但是目前常規(guī)的直熱式電供暖技術(shù)運(yùn)行費(fèi)用較高，應(yīng)用可行性受到較大的限制。利用儲熱的電供暖技術(shù)得到了廣泛的關(guān)注，其不僅可以利用峰谷電價(jià)配合電網(wǎng)調(diào)峰，還可以解決風(fēng)電、光電等可再生能源電力波動性，促進(jìn)可再生能源消納，并逐漸成為研究和應(yīng)用熱點(diǎn)。
1.4可再生能源及其他清潔供暖技術(shù)
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可再生能源等其他清潔供暖技術(shù)包括地?zé)?、生物質(zhì)能、太陽能、工業(yè)余熱等清潔供暖技術(shù)，合計(jì)供暖面積約8億m2，占比4%[1]。
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地?zé)峁┡夹g(shù)是可再生能源清潔供暖技術(shù)應(yīng)用最廣的一種，供暖面積約5億m2[1]。地?zé)峁┡夹g(shù)是使用換熱系統(tǒng)，將地?zé)豳Y源中的熱量提取，并給建筑供暖的技術(shù)。地?zé)峁┡夹g(shù)雖然發(fā)展比較迅速，但是仍受到地?zé)豳Y源分布、冷熱負(fù)荷不平衡、地下水回灌難等問題限制。
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生物質(zhì)能清潔供暖技術(shù)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(shè)備為建筑供暖的技術(shù)，包括達(dá)到相應(yīng)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(shù)供暖面積約2億m2[1]，受到生物質(zhì)能來源和數(shù)量的限制，多應(yīng)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。
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工業(yè)余熱供暖技術(shù)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(jìn)行換熱提質(zhì)，為建筑供暖的技術(shù)。我國工業(yè)余熱供暖面積約1億m2[1]。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(yuǎn)離生活區(qū)、供暖系復(fù)雜、投資較高等缺點(diǎn)限制了工業(yè)余熱供暖技術(shù)的發(fā)展。
太陽能供暖技術(shù)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(shù)。由于太陽能具有間歇性和不穩(wěn)定性，單獨(dú)利用太陽能供暖技術(shù)需要大面積的太陽能集熱裝置，成本高、維護(hù)復(fù)雜，因此，太陽能供暖技術(shù)主要以輔助供暖形式存在，配合其它供暖技術(shù)共同使用，目前供暖面積較小。
2 儲熱技術(shù)
集成儲熱的電供暖技術(shù)可以降低供暖的運(yùn)行成本、調(diào)節(jié)電網(wǎng)負(fù)荷，促進(jìn)風(fēng)電、光電等可再生能源電力的消納，逐漸成為研究和應(yīng)用熱點(diǎn)。但是，集成儲熱的供暖技術(shù)的應(yīng)用效果與儲熱有直接關(guān)系。
儲熱技術(shù)是以儲熱材料為媒介，將太陽能光熱、電制熱、地?zé)帷⒐I(yè)余熱、低品位廢熱等熱能進(jìn)行儲存，并在需要時(shí)進(jìn)行釋放利用，力圖解決熱能供給與需求間在時(shí)間、空間或強(qiáng)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(shù)。儲熱技術(shù)根據(jù)儲熱原理可以分為顯熱儲熱技術(shù)、潛熱儲熱技術(shù)和熱化學(xué)儲熱技術(shù)，見圖2。
圖2儲熱技術(shù)Fig.2Thermal energy storage technologies
2.1顯熱儲熱技術(shù)
顯熱儲熱技術(shù)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(shí)現(xiàn)熱量儲存或釋放的技術(shù)，是研究最早、利用最廣泛、最成熟的技術(shù)，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(diǎn)，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。
[4,5,6]
根據(jù)儲熱材料的相態(tài)，常用的顯熱儲熱技術(shù)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(dǎo)熱油、液態(tài)金屬等，固體儲熱材料包括巖石、復(fù)合混凝土等。不同顯熱儲熱材料特點(diǎn)見表1[4,5,6]。其中，水、導(dǎo)熱油、巖石、混凝土等是最常見的低溫（<120 ℃）顯熱儲熱材料，導(dǎo)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(shù)尚不成熟，處于研究階段。
表1顯熱儲熱材料特點(diǎn)Table 1Characteristics of sensible heat storage materials
2.2潛熱儲熱技術(shù)
潛熱儲熱技術(shù)，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(shí)現(xiàn)熱量儲存和釋放的技術(shù)，具有儲熱密度高、放熱過程溫度近乎恒定的優(yōu)點(diǎn)。
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(yán)重等缺點(diǎn)，相關(guān)研究和實(shí)際應(yīng)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(yīng)用對象。
[7,8]
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(jī)物及無機(jī)水合鹽，中高溫相變材料主要包括無機(jī)鹽、金屬和合金等。不同的相變材料特點(diǎn)見表2[7,8]。從表中可以看出，石蠟、無機(jī)水合物等低溫相變材料技術(shù)成熟度相對較高，已實(shí)現(xiàn)部分材料的示范應(yīng)用，但是仍存在導(dǎo)熱系數(shù)低、腐蝕性、過冷度和相分離等問題；無機(jī)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(diǎn)，但是相關(guān)材料腐蝕性、過冷度等問題仍需要進(jìn)一步研究，目前技術(shù)成熟度較低，仍處于實(shí)驗(yàn)室研究階段。
表2相變材料特點(diǎn)Table 2Characteristics of phase change materials
2.3熱化學(xué)儲熱技術(shù)
熱化學(xué)儲熱技術(shù)是利用儲熱材料相接觸時(shí)發(fā)生可逆化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行熱量儲存和釋放的技術(shù)，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(diǎn)，但也存在技術(shù)成熟度不足、反應(yīng)速率難以控制等問題。
根據(jù)反應(yīng)特點(diǎn)，熱化學(xué)儲熱技術(shù)可分為化學(xué)反應(yīng)、吸附和吸收3種儲熱技術(shù)。其中，化學(xué)反應(yīng)儲熱技術(shù)是基于不同化學(xué)物質(zhì)的可逆反應(yīng)；吸附儲熱技術(shù)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(shù)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(xué)儲熱材料可分為中低溫?zé)峄瘜W(xué)儲熱材料和高溫?zé)峄瘜W(xué)儲熱材料。其中，中低溫?zé)峄瘜W(xué)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?zé)峄瘜W(xué)儲熱材料可以分為金屬氫化物體系、有機(jī)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。
圖3中低溫?zé)峄瘜W(xué)儲熱材料Fig.3Medium and low temperature thermochemical heat storage materials
圖4高溫?zé)峄瘜W(xué)儲熱材料Fig.4High temperature thermochemical heat storage materials
整體而言，不同的儲熱技術(shù)特點(diǎn)和技術(shù)成熟度見表3和表4。從表中可以看出，顯熱儲熱技術(shù)在儲熱規(guī)模、效率、壽命、成本、技術(shù)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(yīng)用發(fā)展，特別是一些儲熱體積限制較大的應(yīng)用場合。潛熱儲熱技術(shù)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(jìn)一步改善，其技術(shù)成熟度也需要進(jìn)一步提高，以達(dá)到商業(yè)應(yīng)用的要求。熱化學(xué)儲熱技術(shù)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(shù)成熟度需要進(jìn)一步改善，且相關(guān)研究仍處于實(shí)驗(yàn)室驗(yàn)證階段，需要大量的時(shí)間和經(jīng)費(fèi)進(jìn)行基礎(chǔ)研究以推進(jìn)實(shí)際應(yīng)用。
表3儲熱技術(shù)特點(diǎn)Table 3Characteristics of thermal energy storage technologies
表4儲熱技術(shù)成熟度Table 4Maturity of thermal energy storage technologies
3 面向清潔供暖的典型儲熱技術(shù)
正如第2部分提到的顯熱儲熱技術(shù)和潛熱儲熱技術(shù)基本成熟，已應(yīng)用于清潔供暖系統(tǒng)，熱化學(xué)儲熱技術(shù)仍處于實(shí)驗(yàn)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(shù)有逐步聚焦的趨勢，目前占主導(dǎo)地位的儲熱技術(shù)包括水儲熱技術(shù)、高溫固體電儲熱技術(shù)、相變電儲熱技術(shù)等。
3.1水儲熱技術(shù)
水儲熱技術(shù)是最早應(yīng)用于清潔供暖系統(tǒng)的技術(shù)之一，其結(jié)構(gòu)原理圖見圖5，主要是在谷值電價(jià)時(shí)利用電鍋爐進(jìn)行熱水加熱，儲于儲水罐；在峰值電價(jià)時(shí)利用儲水罐熱水供暖。水儲熱技術(shù)具有熱效率高、運(yùn)行費(fèi)用低、運(yùn)行安全穩(wěn)定、維修方便等優(yōu)點(diǎn)，在國內(nèi)外都有很多應(yīng)用實(shí)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(shù)原理圖Fig.5Schematic diagram of water storage heating technology
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在20世紀(jì)80年代初，歐洲已成功開發(fā)和運(yùn)行水儲熱技術(shù)的電力供暖系統(tǒng)，以解決冬季供暖高峰負(fù)荷問題，美國也采用上述相關(guān)技術(shù)，并取得了很大成效[9]。Verda等[10]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[11]設(shè)計(jì)并建造了護(hù)國寺中醫(yī)院水儲熱供暖系統(tǒng)，經(jīng)過實(shí)際運(yùn)行發(fā)現(xiàn)，鍋爐出水溫度可達(dá)到70 ℃，保證用戶在室外溫度較低時(shí)的采暖，鍋爐房各項(xiàng)指標(biāo)基本達(dá)到設(shè)計(jì)要求。麻延等[12]采用水儲熱技術(shù)為北京市建筑質(zhì)量監(jiān)督總站進(jìn)行供暖，運(yùn)行結(jié)果表明，水儲熱技術(shù)供暖系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)用可較燃?xì)忮仩t省52%，且供暖效果佳，運(yùn)行時(shí)間靈活。王昆[13]對比唐山地區(qū)1萬平米建筑采用120天供暖時(shí)間的燃?xì)狻⒌卦礋岜?、市政、水蓄熱等供暖技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益，發(fā)現(xiàn)水蓄熱供暖技術(shù)綜合經(jīng)濟(jì)效益最佳，見表5。張旭等[14]分析了賓館水蓄熱供暖技術(shù)技術(shù)可行性，發(fā)現(xiàn)水蓄熱技術(shù)的投資回收期為1.3年，運(yùn)行成本低于燃油鍋爐和燃?xì)忮仩t。
表5不同供暖技術(shù)的經(jīng)濟(jì)效益Table 5Economic benefits of different heating technologies
3.2高溫固體電儲熱技術(shù)
高溫固體電儲熱技術(shù)是在谷值電價(jià)時(shí)利用電加熱設(shè)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(jià)時(shí)與供暖系統(tǒng)熱水進(jìn)行換熱，進(jìn)而為建筑供暖的技術(shù)，其技術(shù)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(diǎn)，不但克服液體儲熱技術(shù)的缺點(diǎn)，而且兼具環(huán)保、高效、節(jié)能、安全等多項(xiàng)優(yōu)勢。
圖6高溫固體電儲熱供暖技術(shù)原理圖Fig.6Schematic diagram of high temperature solid electric storage heating technology
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國外對高溫固體電儲熱技術(shù)的研究始于20世紀(jì)70年代，到80年代初，歐洲部分發(fā)達(dá)國家已開始進(jìn)行實(shí)際應(yīng)用。Sorour[15]對高溫固體電儲熱器進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，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[16]開發(fā)了高溫混凝土蓄熱示范模塊，驗(yàn)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(shù)應(yīng)用已達(dá)到國際領(lǐng)先水平，但是目前研究多為應(yīng)用形式的設(shè)計(jì)和經(jīng)濟(jì)性的分析，對于技術(shù)涉及的傳熱傳質(zhì)過程等基礎(chǔ)研究缺乏深入的探討。劉曉東[17]設(shè)計(jì)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[18]提出了一種帶預(yù)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(xiǎn)。葛維春等[19]針對固體電制熱儲熱供暖機(jī)組，利用室內(nèi)溫度需求、建筑物耗熱量、建筑物熱指標(biāo)、采暖季熱負(fù)荷、儲熱機(jī)組加熱功率與蓄熱量等5個(gè)指標(biāo)提出一種經(jīng)濟(jì)性配置方法。苗常海等[20]通過臨界電價(jià)法分析水儲熱、高溫固體儲熱、市政供暖技術(shù)、相變電儲熱技術(shù)的經(jīng)濟(jì)性，發(fā)現(xiàn)水儲熱、高溫固體儲熱技術(shù)相比市政供暖更具經(jīng)濟(jì)可行性，且前者的經(jīng)濟(jì)性最好。曲弘等[21]驗(yàn)證了高溫固體電儲熱供暖技術(shù)對于實(shí)行峰谷電價(jià)地區(qū)的非居民項(xiàng)目具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益。陳彬等[22]分析了高溫固體電儲熱供暖技術(shù)不僅具有一定的經(jīng)濟(jì)效益，更可產(chǎn)生環(huán)境效益，增大低谷段的風(fēng)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(jì)性對比[23]，從表中可以看出高溫固體電儲熱技術(shù)的經(jīng)濟(jì)性優(yōu)于水儲熱技術(shù)，且采用花崗巖為固體儲熱介質(zhì)的經(jīng)濟(jì)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(shù)的經(jīng)濟(jì)效益Table 6Economic benefits of different heating technologies
3.3相變電儲熱技術(shù)
相變電儲熱技術(shù)是近些年開始發(fā)展的技術(shù)，具有儲熱密度高、儲釋熱過程溫度恒定等優(yōu)點(diǎn)。目前，相變電儲熱技術(shù)結(jié)構(gòu)主要有兩種：一種是類似于水儲熱技術(shù)，將相變儲熱裝置替代儲水罐，在電價(jià)谷值時(shí)，開啟電鍋爐制熱，并利用相變儲熱裝置將熱量進(jìn)行儲存，在電價(jià)峰值時(shí)，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(shù)，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(jià)谷值時(shí)直接儲存電加熱裝置的熱量，在電價(jià)峰值時(shí)為建筑供暖。
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Brousseau等[24]通過模擬證明，相變電儲熱裝置在家用電采暖領(lǐng)域具有很大的應(yīng)用價(jià)值。與高溫固體電儲熱技術(shù)類似，我國相變電儲熱技術(shù)領(lǐng)域的研究也多為應(yīng)用形式的設(shè)計(jì)和經(jīng)濟(jì)性的分析，需要加強(qiáng)對相變電儲熱傳熱機(jī)理等基礎(chǔ)內(nèi)容的研究。丁玉龍等[25]設(shè)計(jì)了一種集產(chǎn)熱、儲熱、供熱于一體的復(fù)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[26]還提出一種油浸式相變儲熱電暖器，利用導(dǎo)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(dǎo)熱性能不高等問題。童敏等[27]設(shè)計(jì)了一種相變儲熱峰谷供暖系統(tǒng)，利用電加熱管在谷電時(shí)為相變儲熱裝置儲熱，在峰電時(shí)為用戶端供暖。何淋等[28]也設(shè)計(jì)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(shí)段輸出并提供持續(xù)穩(wěn)定的熱水。相虎昌等[29]在天津某商業(yè)建筑應(yīng)用相變電儲熱技術(shù)，并發(fā)現(xiàn)該技術(shù)運(yùn)行費(fèi)用僅為燃?xì)忮仩t供暖系統(tǒng)的84.5%。張繼皇等[30]開發(fā)了一種相變電儲熱裝置，并應(yīng)用于天津水游城，應(yīng)用結(jié)果顯示，該系統(tǒng)運(yùn)行效率為97.5%，較原采暖系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)用可節(jié)省64%。賀鑫等[31對比了水蓄熱技術(shù)和相變蓄熱技術(shù)的區(qū)別，發(fā)現(xiàn)相變蓄熱技術(shù)多為恒溫放熱，熱穩(wěn)定性優(yōu)于水蓄熱技術(shù)。盡管如此，但是相變蓄熱材料成本較高，相變蓄熱技術(shù)初投資高于其他技術(shù)，投資回報(bào)期也高于其他技術(shù)，如表6所示。
4 結(jié)論
（1）清潔供暖技術(shù)可以分為清潔燃煤集中供暖技術(shù)、天然氣供暖技術(shù)、電供暖技術(shù)和可再生能源等其他清潔供暖技術(shù)。其中，集成儲熱技術(shù)的電供暖技術(shù)由于可以利用峰谷電價(jià)配合電網(wǎng)調(diào)峰，解決風(fēng)電、光電等可再生能源電力波動性，促進(jìn)可再生能源消納，受到了廣泛的關(guān)注，并逐漸成為研究和應(yīng)用熱點(diǎn)。
（2）儲熱技術(shù)可分為顯熱儲熱技術(shù)、潛熱儲熱技術(shù)和熱化學(xué)儲熱技術(shù)。顯熱儲熱技術(shù)具有儲熱規(guī)模大、壽命長、成本低、技術(shù)成熟度高等優(yōu)點(diǎn)，是研究最早、利用最廣泛、最成熟的技術(shù)；潛熱儲熱技術(shù)具有儲熱密度高、放熱過程溫度近乎恒定的優(yōu)點(diǎn)，是目前主要研究和應(yīng)用熱點(diǎn)；熱化學(xué)儲熱技術(shù)具有更大的能量儲存密度可實(shí)現(xiàn)長期儲存熱能等優(yōu)點(diǎn)，但處于實(shí)驗(yàn)室驗(yàn)證階段。
（3）清潔供暖的典型儲熱技術(shù)有逐步聚焦的趨勢，主流技術(shù)包括水儲熱技術(shù)、高溫固體電儲熱技術(shù)、相變電儲熱技術(shù)等。水儲熱技術(shù)是最早應(yīng)用于清潔供暖系統(tǒng)的技術(shù)之一，運(yùn)行成本低于燃油鍋爐和燃?xì)忮仩t；高溫固體電儲熱技術(shù)的經(jīng)濟(jì)性優(yōu)于水儲熱技術(shù)，且采用花崗巖為固體儲熱介質(zhì)的經(jīng)濟(jì)性明顯好于以鎂鐵磚為固體儲熱介質(zhì)；相變電儲熱技術(shù)可恒溫放熱，熱穩(wěn)定性優(yōu)于水蓄熱技術(shù)。
第一作者：凌浩恕（1988—），男，博士，助理研究員，從事蓄熱蓄冷等儲能技術(shù)研究，E-mail：linghaoshu@iet.cn;
通訊作者：徐玉杰，研究員，研究方向?yàn)榇笠?guī)模物理儲能技術(shù)研究,E-mail：xuyujie@iet.cn。
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