【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】近日，上海交大機械與動力工程學院制冷與低溫工程研究所王如竹教授團隊在Energy & Environmental Science上發(fā)表題為“Heat pump integrated with latent heat energy storage”的綜述論文。該論文探討了熱泵-相變儲熱耦合技術(shù)在電網(wǎng)調(diào)峰及靈活匹配用戶熱能需求中的應用潛力，全面總結(jié)了熱泵和相變儲熱的耦合意義與雙邊優(yōu)勢，重點歸納了其耦合原理和多樣化的技術(shù)路徑，并介紹了該技術(shù)的最新研究進展和面臨的挑戰(zhàn)。論文的第一作者為制冷與低溫工程研究所博士后謝寶珊，通訊作者為王如竹教授。
 

　　全球范圍內(nèi)，大規(guī)模熱能存儲是解決可再生能源電力間歇性、轉(zhuǎn)移電力負荷峰值、以及匹配能源供需的有效技術(shù)。供暖和供冷占據(jù)了全球終端總能耗約50%。傳統(tǒng)電加熱和儲熱的結(jié)合在一定程度上可滿足供暖需求，然而，在熱能轉(zhuǎn)化、儲存、利用過程中，由于不可逆損失等因素，會造成熱能質(zhì)量和數(shù)量下降。如何優(yōu)化熱能利用并提高轉(zhuǎn)化效率成為亟待解決的難點。
 

熱泵制熱-相變儲熱-終端用戶用熱的溫度匹配
 

　　將熱泵與帶有相變材料(PCM)的潛熱儲熱裝置相結(jié)合，構(gòu)建熱泵-相變儲熱熱力循環(huán)系統(tǒng)，可實現(xiàn)熱能增量提質(zhì)、靈活調(diào)控、梯級利用，這一技術(shù)的突破將為全球能源系統(tǒng)的優(yōu)化提供新的解決方案。耦合系統(tǒng)通過將電能轉(zhuǎn)化為熱能，在低谷電價時存儲、用電高峰時釋放，靈活匹配用戶熱負荷供需、降低電費成本、提高電網(wǎng)安全性。另一方面，由于不同用戶的熱利用需求存在低溫、中溫、高溫的差異，熱泵根據(jù)需求調(diào)節(jié)輸出溫度，與相變材料相結(jié)合，確保不同溫度需求的高效匹配。然而，兩者之間如何實現(xiàn)匹配這一主要難點亟需通過新技術(shù)的突破來克服。
 

熱泵-相變儲熱耦合技術(shù)的雙邊優(yōu)勢
 

　　本文總結(jié)了熱泵和相變儲熱的雙邊優(yōu)勢，強調(diào)該技術(shù)的指導意義。從儲熱角度出發(fā)，熱泵提升電-熱轉(zhuǎn)化和存儲過程中的熱能品位(質(zhì)量)和熱能總量(數(shù)量)，促進熱能梯級利用；從熱泵角度出發(fā)，潛熱存儲提高熱泵制熱效率、維持熱泵高效穩(wěn)定運行、降低熱泵用電成本。該系統(tǒng)有望在全球范圍內(nèi)實現(xiàn)推廣應用，進一步推動全球能源體系的可持續(xù)發(fā)展。
 

　　本文系統(tǒng)歸納了熱泵-儲熱的耦合原理和耦合方式、以經(jīng)濟成本和能量效率為主的性能評價指標，含材料參數(shù)、結(jié)構(gòu)參數(shù)、運行參數(shù)在內(nèi)的影響因素。在應用溫度方面，目前熱泵耦合相變儲熱技術(shù)主要集中于中低溫相變儲熱 (<70 °C)；在成本方面，部分無機類相變材料(>9 kJ/€)擁有比有機類相變材料(<2 kJ/€)相對較高的單位價格儲能密度。為解決相變材料導熱系數(shù)低(0.1-0.7 W m-1 K-1)的問題，目前研究集中于從微觀層面添加高導熱粒子，或從宏觀層面優(yōu)化儲-換熱裝置結(jié)構(gòu)以強化傳熱換熱等。
 

　　本文最后介紹了相變儲熱和熱泵耦合系統(tǒng)的最新研究和應用進展。通過優(yōu)化熱轉(zhuǎn)化與儲存過程，減少能量損失，未來熱泵-相變儲熱系統(tǒng)不僅能為用戶提供更為經(jīng)濟和高效的能源解決方案，還將顯著提升其與可再生能源電網(wǎng)的兼容性。該技術(shù)有望在大規(guī)模熱能存儲、空間供暖與供冷、工業(yè)蒸汽生產(chǎn)等領(lǐng)域得到廣泛應用，為全球能源轉(zhuǎn)型帶來新的動力。該技術(shù)也面臨如何進一步優(yōu)化熱轉(zhuǎn)化與儲存過程，減少熱力學不可逆損失，以及如何在大規(guī)模應用中實現(xiàn)分時電價機制下經(jīng)濟性和高效率平衡等問題。這些問題的解決將有助于推動該技術(shù)的推廣應用。