[科普中国]-季节性储能

储能技术按储能温度分类

如果储热的温度低于60℃，那么就称之为低温储热，在储热温度较低的情况下，低温储热一般不直接用于生活采暖，如果需要采暖，可以在储热装置和用户末端之间加辅助热泵等装置来提升末端供暖温度，最终传递给用户。

如果储热的温度高于60℃，那么就称之为高温储热，此温度可以直接用于供暖，但需高温储热系统和高效的太阳能集热器，不附加热泵等装置。在储热温度达不到使用要求时，也可以辅助热泵等装置，与热泵联合运行2。

按储能方式分类(1)显热储热

显热储热是指利用储热材料自身的高热容和高热导率通过温度的升高来储存能量。显热储存过程只发生温度的变化，储热方式简单，成本低。其工作原理也很简单。为提高显热储热能力，这就要求储热介质具备较高的比热容和密度，目前普遍采用的显热储热材料为水、石块(一般用鹅卵石)和土壤等。鹅卵石的密度是水的2.5～3.5倍，而水的比热是鹅卵石的4.8倍。当然，在选择显热储能介质时，必须综合考虑黏度、腐蚀性、密度、经济性和热稳定性等很多问题。

(2)潜热储热

潜热技术利用相变材料(发生相变时的潜热进行能量的储存与释放)，所以也称为相变储能。相变储热具有储热密度大、储热/放热过程近似于恒温和储热/放热可控等优点。欧美国家20多年的研究经验表明相变储热是最具规模化应用前景的一种储热技术。由于储热介质变为固体时无法用泵输送，因此潜热储热须结合储热设备与换热器，相比显热储热，其优势在于，储热容积能力大，大概比显热储热高一个数量级，因此在储存同样的热量情况下，其储存容积要小的多。但这类储热介质的缺点是：不能持续溶解、热扩散系数小、储热和放热速度低、易老化、不能重复循环使用等。

(3)化学反应储热

化学反应热储存技术实际上就是利用物质相接触时发生化学反应而将化学能转化为热能并加以存储利用的一种技术。与前两种储热技术相比，其最大的优点是储能密度高，且储能体系可通过催化剂或反应物与产物的分离实现热能的长期储存，这样可以减少保温方面的投资，易于长距离运输，且正、逆反正可以在高温下进行，得到高品质的能量2。

对储能介质的要求(1)储热和取热的过程简单方便——例如，目前经常使用的储热水箱的储热和取热过程实质上就是蓄热介质本身的输入和输出过程；又如，储热堆积床的储热和取热过程实际上就是利用流体(主要是空气)通过堆积床时给床体加热和从床体提取热量来实现的，这些都比较简单方便。

(2)能反复使用、性能长期稳定不变——例如，水可以经过多次反复使用而性能不会发生改变；岩石在中、低温下也可经受得住多次反复使用而不会碎裂，但在高温下则经过多次反复使用后容易碎裂。至于像十水硫酸钠等无机水合盐在反复使用过程中常会出现的晶液分离现象，亟待克服。目前已有比较可行的解决办法。

(3)储能密度大——即单位质量或单位体积的储热量大。这就要求蓄热介质的比热容(或相变潜热)和密度都尽可能大，以便减小储热容器的体积并降低整个储热装置的成本。

(4)来源丰富、价格低廉一在显热储存中，一般多采用水和岩石；而在潜热储存中，则多采用无机水合盐和石蜡等有机盐。

(5)化学性质不活泼、无腐蚀性、无毒性、不易燃，安全性好——由于在一般情况下，腐蚀性随温度的升高而急速加剧，故通常在低温储热情况下，这个因素的重要性并不显著。但是在中温储热情况下就比较显著了，腐蚀现象不仅限制了储热容器的使用寿命，还因为需要采用相应的防腐蚀措施而使成本大为提高。至于在高温储热和极高温储热情况下，腐蚀现象的影响就更为严重，为了采取有效的防腐蚀措施，往往需要成倍地增加投资。因此，在选择储热材料时腐蚀性是一个相当重要的因素2。

技术原理能量储存根据储存时间的长短分为短期储存和长期储存，短期储存是能量储存中一种简单常见的形式，它的补充与释放能量循环周期比较短，最短的循环周期为24小时。一般对储存容积比较小的来说，短期储存较多。例如，现在家庭普遍使用的太阳能热水器，它所运用的热水箱就属于短期能量储存。与短期能量储存相对应，能量补充与释放循环周期比较长(一般情况为一年)，储存容积比较大的称为长期储存(也称季节性能量储存)，它的用处大多是为了平衡季节性能量需求与供给之间的矛盾。例如，在夏天，太阳能比较丰富，我们可以将其储存起来用于冬天建筑供暖或者生活热水2。

技术形式及特点(1)地下水箱

地下水箱的结构是由钢筋混泥土构成，有圆柱形和方形，通常埋在地下5—15米，为减少热量损失，其顶部和周围设有保温层，由于水的热容量比较大，所以它是一个不错的储能方式。

(2)地下沙水窖

沙水窖在地下5—15米，里面是沙石和水的混合物，顶面和周围都设有防水装置和绝热装置，能量的充放过程可以直接通过水或者铺设在砂水里面的盘管换热器来实现，由于沙水混合物的热容量小于纯水，所以储存相同的能量的话，沙水窖的容积要比水箱的容积大。

(3)地下含水层

含水层储能是一种供冷供热工艺，相比传统来说，有着节能优势，其基本原理是利用地下岩层的隙溶、孔隙裂、洞穴等储水构造以及地下水温变化小和流速慢特点，用管井回灌的方法，夏季将大气环境中丰富的热或冬季不需要的冷，季节性地储存在地下含水层中。由于含水层中的热水或冷水有压力，就会推动原来的地下水而聚集在井周围含水层里。随着灌入地下含水层的水量增加，灌入的热水或冷水不断地向周围转移，最终形成了地下热水库以及地下冷水库3。

(4)地埋管

在地埋管储存方式中，热能直接储存在地下土壤中。许多U型管竖直插入到地下30-200米，形成一个庞大的地下换热器。地下换热器周围一般是地下水，或者膨润土、石英砂、渣滓等。热量的存取过程通过U型管换热器的介质水来实现。周围被加热或冷却的土壤形成能量储存的容积。在储存容积上方通常设有一层绝热层来减少热量的损失。这种储存方式的一个优势就是它可以实现模块化设计，它的模块的多少可以随着住宅的大小而变化。但是与地下水箱相比，储存相同的能量，它的容积要比水箱容积大到三到五倍。由于热量的存取能力较低，所以在系统设计时通常结合缓冲存储器(例如，水箱)2。

发展历程用地下水箱将自然界冷热量进行季节性储存，不仅涉及到水文学、地质学、地下资源开发工程学以及建筑供热技术、太阳能集热、建筑能源与技术，而且还与多孔介质的流体动力学、传热传质、工程热力学(土壤热物理性质)等有关，涉及到多学科领域的交叉。

（1）国外

七十年代西方能源危机迫使人们节约和有效利用能源，并开发新能源。地下热能储存作为一种新的可再生能源技术，受到了广泛的关注，荷兰、加拿大、美国、德国等国相继开展这方面的研究，并建立了一些试验基地，定期出版国际储能杂志和召开学术会议，发展很快。

1956年，Penrod首次提出太阳能集热器和埋入地下盘管组合的设想。

1975年，丹麦哥本哈根市郊外的零能耗房利用的大型储热水箱埋在地下，这座太阳房不要其它辅助热源。

1995年，Schmidt等人研究了将地下储热水箱与太阳能和热泵相结合，其中地下储热水箱为600立方米，同年，在德国汉堡建成了4500立方米的地下水箱，研究结果表明：系统运行没有很大技术问题。Melil和Spate在亚梁大学提出利用季节性储热系统区域供暖的概念，他们所研究的地下水箱容积是2500立方米。美国布鲁克海文国家实验室对带圆柱型地下储热水箱太阳能系统进行了研究，结果表明：在冬季供暖运行下，地下储热水箱可以克服太阳能局限性，使太阳能热利用稳定，而且可以减小辅助热源装置的容量4。

早在1995年，意大利卡拉布里亚大学机械工程系的Cucum0和Olivert等人就建立了一个小型CSHPSS系统，用于实验研究，该系统共计采用了91.2m2的热管集热器，与之配套的建筑冬季采暖负荷约为111GJ。系统蓄热采用一个500m3的圆柱形水箱；顶部为半球形，采用混凝土浇注而成，内壁用20mm厚的泡沫玻璃进行隔热。计算模拟结果表明，当集热器平均效率为55%时，蓄热装置的年平均效率为58%，整个系统年平均效率为31%。2

（2）国内

地下热能储存可以追溯到30年前，当时上海纺织厂夏季需要解决空调冷源问题，因此就利用了地下含水层储能。

1965年该含水层技术进行了较大规模推广，据统计，上海24座纺织厂在1965年至1979年夏季抽取水量为7670万t，冬季回灌水量达1亿t，这样既节约了空调冷源用需要的能量，又减缓了上海地面沉降。

六十年代中期，该含水层技术己在西安、天津、杭州、北京、南昌等十多个城市进行推广应用。据统计，八十年初期，已有二十多个城市在我国推广使用含水层储能技术，蓄热井150口，夏增量5.5×105m3，蓄冷井约500口，冬增量30×106m3，这些推广不仅节省了常规能源的消耗，而且取得了非常可观的经济效益。

再后来等到90年代，由于受到地下水资源限制以及地下水质问题，该技术的推广应用受到了很大的限制，发展非常缓慢5。天津大学机械工程学院刘雪玲对井抽灌模式的热泵耦合地下含水层反季节储能效果进行研究。结果表明对井采灌热泵耦合储能系统能够实现冬灌夏用和夏灌冬用的反季节储能作用，充分利用浅层地能资源，节约了常规能源。河北工业大学王恩宇利用能耗模拟软件，模拟分析了天津郊区别墅类建筑的冷热负荷状况，设计将夏季丰富的太阳能储存起来，供冬季建筑供暖，这一系统是利用地下土壤储热实现夏季太阳能的季节性储存，冬季采用利用热泵或太阳能热水提取土壤储存的热量，进行建筑空调的供热，实现了热泵系统与季节性储热的联合运行.北京工业大学底冰提出采用地下土壤蓄热体对太阳能季节性储能，并设计建立了结合热泵与太阳能季节性储能一体的新型太阳能热泵季节性供暖系统，这一系统可以缓解非供暖季太阳能系统中集热器温度过高的问题，可以提高系统运行的可靠性。内蒙古工业大学唐汝宁教授研究了太阳能季节性储热系统，对太阳房建立了地埋储热水箱的物理和数学模型，根据太阳房所需辅助热负荷，计算出地埋水箱容积大小为100立方米，然后模拟了该地埋水箱全年的散热量以及其温度变化规律Il引。上海交通大学船舶海洋与建筑工程学院张建栋对地下含水层储能进行了实验分析与模拟2。