跨季節蓄熱應用技術研究進展

摘 要：【目的】通過梳理跨季節蓄熱的原理及分類、蓄熱介質材料等方面的內容，分析其研究進展，為我國跨季節蓄熱技術應用提供參考。【方法】首先檢索實際應用項目，其次分析其蓄熱介質材料、熱源、蓄熱體容積的應用情況。【結果】顯熱跨季節蓄熱技術逐漸成熟，而潛熱及熱化學跨季節蓄熱技術的研究及應用仍相對較少。傳統跨季節蓄熱系統以太陽能作為主要熱源，而對于生物質能和工業余熱利用較少。【結論】未來應著重提高跨季節蓄熱供暖技術的實用性，加大對于余熱等其他蓄熱熱源的研究。探索新型復合蓄熱介質，擴大使用規模，選用大容積蓄熱體裝置，減少有關設備與材料的生產成本，進而減少單位供暖面積的投資。

關鍵詞：跨季節蓄熱；蓄熱介質；熱源；蓄熱容積

中圖分類號：TU832" " "文獻標志碼：A" " "文章編號：1003-5168（2025）05-0090-06

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2025.05.017

Research Progress of Cross-season Heat Storage Application Technology

FU Pengwei1 LIU Yin1 DONG Suiju2 SUN Taofu2 GAO Long1 MENG Zhaofeng1

（1.School of Smart Energy amp; Environment， Zhongyuan Institute of Technology， Zhengzhou 450007，China; 2. Zhengzhou Heating Qiyuan Technology Co.，Ltd.， Zhengzhou 450052，China）

Abstract： [Purposes] By sorting out the principle and classification of cross-season heat storage and the materials of heat storage medium， the research progress is analyzed， so as to provide reference for the application of cross-season heat storage technology in China.[Methods] To begin with， the practical application items are retrieved， and then the application situation of the heat storage medium material， heat source and heat storage body volume is analyzed.[Findings] The cross-season heat storage technology is gradually mature， but the research and application of latent heat and heat chemical cross-season heat storage technology are still relatively few. The traditional cross-season heat storage system takes solar energy as the main heat source， but uses less for biomass energy and industrial waste heat.[Conclusions] In the future， measures should be made to improve the practicability of cross-season heat storage heating technology， increase the research on waste heat and other heat storage sources， explore new composite heat storage medium， expand the use scale， choose large volume heat storage device， lower the production cost of related equipment and materials， and then reduce the investment in unit heating area.

Keywords： cross-season heat storage; heat storage medium; heat source; heat storage volume

0 引言

集中供熱事業快速發展的同時，熱源不足的局面愈加凸顯。為降低供暖碳排放，跨季節蓄熱成為能源轉型的關鍵。尤其在以可再生能源及各類余熱資源為基礎的低碳熱源供熱體系中，大規模跨季節蓄熱技術作為提高能源利用率的有效手段，能夠解決能量供求在時間和空間上不匹配的矛盾［1］。目前國內外針對跨季節蓄熱技術展開了較為深入的試驗研究、模擬分析和工程實踐。相較于國外，國內對于跨季節蓄熱實際項目應用及綜合分析相對較少［2］。為充分了解國內外跨季節蓄熱技術研究及應用進展情況，本研究以顯熱跨季節蓄熱、潛熱跨季節蓄熱與熱化學跨季節蓄熱等3類蓄熱技術為切入點，分別對跨季節蓄熱的原理及分類、介質材料、熱源、蓄熱體容積等方面進行綜述，為我國跨季節蓄熱技術應用提供參考。

1 跨季節蓄熱技術原理及分類

1.1 跨季節蓄熱技術原理

跨季節蓄熱技術是一種利用季節性能量差異來儲存和釋放熱能的技術。在夏季，通過收集太陽能或其他形式熱能并儲存于地下水、土壤或其他媒介中；在冬季，通過地源熱泵等方式將儲存的熱能提取出來供暖使用。在此項技術中，選擇合適的蓄熱介質是關鍵。常見的蓄熱介質包括水、土壤、高溫熔鹽、有機相變材料等，其中以水為介質的大型水體顯熱蓄熱技術是常用的跨季節蓄熱解決方案，包括地埋管式蓄熱技術等、含水層蓄熱技術等。跨季節蓄熱技術原理如圖1所示。

1.2 跨季節蓄熱技術分類

目前，跨季節蓄熱技術主要以蓄熱介質、換熱方式進行分類，但兩者無明顯界限，相互交叉。

根據蓄熱介質的不同，跨季節蓄熱技術又可分為顯熱蓄熱、潛熱蓄熱與熱化學蓄熱。根據換熱方式的不同，顯熱蓄熱分為以下幾種形式：換熱方式以對流為主，蓄熱介質為水，包括罐式蓄熱和地坑蓄熱；換熱方式以導熱為主，蓄熱介質為土壤，主要是地埋管蓄熱；此外，還存在對流與導熱的混合型換熱方式，蓄熱介質為水和土壤，包括含水層蓄熱和砂水坑蓄熱。

其中，地坑蓄熱和砂水坑蓄熱是模擬巖洞和含水層的人造蓄熱系統，初始造價高。因此，常見的地下顯熱蓄熱有含水層蓄熱、地埋管蓄熱。潛熱蓄熱利用介質在相變過程中吸收或放出的潛熱存蓄熱能，而熱化學蓄熱則依靠可逆化學反應中化學鍵斷裂、重組實現蓄放熱，二者較顯熱蓄熱蓄能密度高，但蓄熱系統較為復雜，其按照反應過程鍵斷裂的類型，可分為化學吸附蓄熱和化學反應蓄熱兩種類型。化學反應蓄熱多應用于中高溫場景，通過化學鍵的斷裂/重組實現熱能的存儲/釋放。而顯熱蓄熱原理簡單，技術較為成熟，在跨季節蓄熱工程實踐中廣泛應用，跨季節蓄熱技術特性比較見表1。

其中，罐式蓄熱在蓄熱體積超過7 000 m3時會導致系統建造費用大幅提升，因此，其不屬于嚴格意義上的跨季節蓄熱方式［5］。

2 跨季節蓄熱技術相關進展

1960年，歐洲首次利用地下巖腔中實現了跨季節蓄熱。之后，丹麥、德國等其他北美國家對跨季節蓄熱技術開展了進一步的研究，工程項目逐漸增加［6］。1970年，潛熱蓄熱技術開始被應用于溫室，但由于缺乏完全商業化的相變材料，潛在的腐蝕性、可燃性和毒性限制了其應用及發展。2012年后，丹麥轉入了對于大規模顯熱跨季節蓄熱系統的探索及應用，蓄熱體的蓄熱容量不斷增加［7］。熱化學蓄熱項目最初是在2005年之后開始的，但其規模小，仍處于實驗室研究階段［1］。通過對文獻的綜述發現，現階段對于跨季節蓄熱系統的研究多集中在蓄熱介質材料、熱源、蓄熱體容積等方面。

2.1 蓄熱介質材料

顯熱蓄熱作為傳統蓄熱方式，通過自身溫度的變化進行熱能的儲存和釋放，其蓄熱系統的蓄熱量與介質的比熱容、密度和容積等成正比［8］。為保證跨季節蓄熱項目高效運行，需要綜合考慮蓄熱介質的輸運特性、熱穩定性及傳熱性能參數等。氣體易于輸送，但低比熱容和受限的導熱系數限制了其推廣應用，因此，顯熱蓄熱介質通常在液態和固態材料中進行篩選［9］。相較于固態蓄熱介質，液態蓄熱介質質量比熱容更大，傳熱性能更好，但存在成本高和難以實現高溫熱量長期穩定儲存等問題［1，10］。

潛熱蓄熱即相變蓄熱，物質從一種相態變化到另一種相態，形式有三種：固-液相變、液-氣相變、固-氣相變。目前，最常見的是固-液相變材料見表2。

在高溫相變蓄熱材料領域，Birchenall等［11］于1976年首次提出利用金屬的熔化實現中高溫蓄熱。在此基礎上，Farkas和Gasanaliev等［11-13］對部分金屬及合金的物理性質進行測試，指出金屬及合金具有較高的蓄熱密度、熔化溫度和導熱系數等，其相變潛熱最高可達中溫相變材料（主要是無機水合鹽）的5倍。國內對金屬及合金進行相變蓄熱的研究較晚，但也取得了一定成果［14］。近年來出現了10～300 ℃液態低熔點合金，主要由低熔點金屬（如鉛、鎘、鉍、錫和銦）組成。潛熱蓄熱材料種類逐漸多元化。江蘇金合能源公司率先實現了復合型相變蓄熱/冷材料的工業化生產［15］。國內外對于高溫多元熔鹽也進行了大量研究，但多數熔鹽導熱系數低于1 W/（m·K），這制約了其作為相變蓄熱材料的發展［16］。針對該問題，Yang等［17］提出利用金屬材料較高導熱系數的特性，制備金屬+熔融鹽復合相變材料，進而增強熔融鹽的蓄熱性能。

2.2 熱源

本研究收集了13個國內蓄熱項目和42個國外蓄熱項目，項目信息見表3。通過分析發現，傳統跨季節蓄熱系統以太陽能作為主要熱源，占比達92.7%，對于生物質能和工業余熱利用較少，二者占比僅為5.45%。主要熱源分布如圖2所示。由圖2可知，傳統顯熱跨季節蓄熱傾向于使用太陽能，潛熱及熱化學跨季節蓄熱系統亦是如此。

太陽能作為清潔能源，雖能夠實現跨季節蓄熱的目標，但在實際應用中也存在著熱源不穩定、應用場地限制、投資運營及維護成本高等局限性［7-9，28］。

為利用工業余熱及其他形式熱源，學者進行了大量研究。到2050年，我國預計將有39億GJ的余熱量［29］。如果能夠充分利用余熱供給特性穩定、價格低等特點，掌握余熱準確的數量、溫度，促進四散分布的余熱資源統籌應用，發展跨季節蓄熱會帶來可觀的節能和經濟效益。

2.3 蓄熱容積及考慮因素

目前，跨季節蓄熱項目應用主要集中在我國和德國、丹麥等歐洲國家。在顯熱蓄熱技術中，蓄熱體容積逐漸擴大，含水層蓄熱與地埋管蓄熱的蓄熱容積集中在1 500～20萬m3，蓄熱最高溫度在70 ℃，

而罐式蓄熱與坑式蓄熱最高可以達90 ℃以上。在實際工程應用中，容積超過10萬m3的人為構造蓄熱體的項目較少，現存最大規模為2016年丹麥Vojens建設的20萬m3坑式蓄熱體［30-32］，其建設成本約為235元/m3，并且丹麥預計建造超過100萬m3的超大容積坑式蓄熱體［33］。

丹麥地理條件復雜，冬季和夏季能源需求差異明顯，其氣候常年平均氣溫在8 ℃，采暖期近8個月。而我國西藏、內蒙古等地區的氣候、區域面積占比等條件與丹麥總體相差不大，發展區域供暖所面臨的部分障礙和困難也是類似的，因此，未來在我國實現大規模坑式蓄熱供暖系統是可行的。

通過對跨季節蓄熱技術進行相關對比發現，在提高跨季節蓄熱供暖技術的適用時，需要從以下兩個方面考慮：首先，應根據各地的氣候條件、采暖面積及區域面積等其他情況采用合適的跨季節蓄熱技術，并盡量擴大使用規模。例如，我國華東地區人口密度相對西部較高，土地資源占比較少；南部地區和北部區域相比，氣候差異較大。因此，在我國偏西部區域，可以將坑式跨季節蓄熱系統作為冬季供暖的主要方式；在東部及其他夏熱冬冷區域，優先選用地埋管跨季節蓄熱系統。其次，跨季節蓄熱的首次建造及使用需要大量資金投入，因此，選用大容積蓄熱體裝置，減少有關設備與材料的生產成本，進而減少單位供暖面積的投資，是提高其經濟性的關鍵。

3 結論

本研究通過梳理國內外顯熱跨季節蓄熱、潛熱跨季節蓄熱與熱化學跨季節蓄熱發展現狀，對跨季節蓄熱的原理及分類、蓄熱介質材料、熱源、蓄熱體容積等方面進行分析，得出以下結論。

①國內外跨季節蓄熱項目數量及規模逐漸擴大，其中潛熱和熱化學蓄熱技術的研究及應用較顯熱跨季節蓄熱仍不足。

②傳統跨季節蓄熱系統以太陽能作為主要熱源，而對于生物質能和工業余熱利用較少。

③復合型蓄熱材料（合金、多元熔鹽）的熱穩定性、熔點、相變潛熱等熱物性較單一材料優越。

④未來我國西藏、內蒙古等地區可以參照丹麥的大容積跨季節坑式蓄熱體進行采暖季供暖。

⑤通過考慮各地氣候、采暖面積等提高跨季節蓄熱供暖系統的實用性時，盡量擴大使用規模。

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