2.6 儲熱技術應用與新進展
2.6.1 儲熱技術在提高熱能綜合效率中的應用及新進展
2.6.1.1 提高熱能綜合效率的意義
目前，許多能源利用系統中都存在著能量供應和需求不匹配的矛盾，造成能量利用不合理和大量浪費。如太陽能、工業余熱等能源利用效率較低，不僅浪費資源，也對大氣環境造成不可忽視的熱污染。為此，提高能源轉換和利用率就成為各國實施可持續發展戰略必須優先考慮的重大課題，而發展儲熱技術進行熱能的綜合有效利用至關重要。
2.6.1.2 提高熱能綜合效率的新進展
1.提高太陽熱能的利用效率
太陽能是可再生能源中最重要的基本能源，它“取之不盡、用之不竭”且分布廣泛、無污染，是經濟型的清潔能源。太陽每時每刻都在釋放巨大的能量，是一座巨大的“寶庫”。現在的太陽熱能科技將陽光聚合，并運用其能量產生熱水、蒸汽和電力。除了運用適當的科技來收集太陽能外，建筑物亦可通過設計時增加適當的裝備利用太陽的光和熱能，例如巨型的向南窗戶或使用能吸收并緩慢釋放太陽熱的材料，以提高太陽熱能的利用效率。
2.干熱巖利用技術
隨著傳統化石能源的日漸短缺，干熱巖（HDR）作為一種清潔的可再生地熱資源，符合現代化工業社會的需求，對干熱巖資源特征及開發利用的研究越來越得到人們的重視，成為新能源開發和研究的熱點。干熱巖熱能提取和利用的研究可以追溯到1970年，其概念首先由美國科學家提出，采用人工壓裂的方式，在干熱巖體中產生連通的裂隙，打一口井到目標巖層，注入冷水流經巖層，儲存在干熱巖巖體的熱量轉移到注入的冷水中，將這些載熱液體收集到生產井，用于發電或者其他用途，排出的液體冷卻以后又可以注入井中循環利用。干熱巖代表著一個龐大的潛在能源，據報道，在美國地面以下3～10km深度，干熱巖總熱量超過了14×106EJ。中國處于全球歐亞板塊的東南邊緣，在東部和南部分別與太平洋板塊和印度洋板塊連接，是地熱資源較豐富的國家之一。東南沿海受菲律賓板塊碰撞擠壓，在臺灣、海南和東沿海形成一個高地溫地區；東部受太平洋板塊擠壓，形成長白山、五大連池等休眠火山或火山噴發區，以及京津、膠東半島等高地溫梯度區。這些熱異常區存在著豐富的高溫地熱資源，是干熱巖地熱資源的優先開發區。不同研究者的評估顯示，我國大陸3～10km深度處的干熱巖所蘊藏的熱量為（20.9～25）×106EJ。其熱量可以提供電能，替代原油輔助采油，以及用采暖等。利用干熱巖可滿足快速增長的能源要求，是一個重要的能源策略。目前，世界各地積極研究開發干熱巖的技術，創建了多個干熱巖技術開發示范點。中國也在積極參與干熱巖技術開發工作，但在熱儲計算、技術應用等多方面還存在不足。
3.低溫余熱利用技術
低溫余熱是系統即使進行優化改造仍較難利用的低溫位熱能資源，如煉油廠低溫余熱是指煉油生產過程中產生的高于油品儲存溫度或工藝本身需要溫度但未被回收利用的熱量。利用低溫余熱的新技術有熱泵技術、制冷技術、余熱發電技術、熱管技術及變熱器技術。這五種技術的比較見表2.10。
表2.10 常見低溫余熱利用技術比較［17］
2.6.2 太陽能儲熱技術及新進展
太陽能資源具有取之不盡、用之不竭且易得的特性，世界各國越來越重視太陽能的熱利用。但太陽能存在輻射時間的間斷性，因此需要有效地將熱能儲存起來，以提高太陽能的熱利用效率。太陽能儲熱最主要的方式為顯熱儲熱以及相變儲熱。采用相變儲熱材料的相變儲熱技術是最有效的熱能儲存方式之一，其最常見的應用領域有太陽能熱發電、太陽能熱泵、太陽能熱水系統、太陽能節能建筑等。
1.相變儲熱材料在太陽能熱發電系統中的應用
太陽能熱發電系統（CSP）的基本原理是通過聚光裝置產生高熱密度的太陽能來加熱熱流體（空氣、水、導熱油、熔鹽、金屬Na等），再由熱流體直接或間接地把熱能輸送到發電系統發電，從而實現“光—熱—電”的能量轉化過程（圖2.30）。CSP系統一般由5大部件組成，即聚光裝置、吸收/接收器、傳熱/儲熱系統、發電系統、控制系統。CSP系統有多種分類形式，按聚焦方式來分，可分為點聚焦和線聚焦兩種；按聚光裝置和吸收/接收器來分，可分為槽式、碟式、塔式、菲涅爾式等。
圖2.30 太陽能熱發電系統［52］
注：圖片來源于網絡。
目前，塔式和槽式太陽能光熱發電系統可以實現商業化運營，但蝶式系統尚處于示范階段。其中槽式熱發電系統最成熟，成本也最低。儲熱材料及儲熱系統是CSP系統中的重要組成部分。研究性能可靠、高效、低成本的儲熱材料及儲熱系統一直是該領域的研究方向和目標。儲熱材料在CSP系統中的應用一般有導熱油、水/水蒸氣、空氣、金屬Na、油/巖石、熔鹽、陶瓷、混凝土等。此外，在很多CSP系統中，儲熱材料要起到儲熱的作用以及熱量輸送和傳遞的介質——熱流體（HTF）的作用。在CSP系統中，熔鹽、高溫混凝土、金屬合金這三類高溫儲熱材料具有較為廣闊的應用前景。
2.相變儲熱材料在太陽能熱泵中的應用
根據儲熱器在太陽能熱泵供熱系統中的位置，可以分為低溫儲熱器和高溫儲熱器。在如圖2.31所示的太陽能空氣源熱泵系統流程中，與集熱器直接相連的為低溫儲熱器，因儲熱溫度較低，熱損失較小，故對于隔熱措施的要求不高，結構也比較簡單；與房間供熱設備直接相連的為高溫儲熱器，為了使所儲存的熱量在整個儲熱時間內能保持所需的熱級，就必須采用良好的隔熱措施，造價也相應提升。在太陽能熱泵中，由于成本問題，很少使用高溫儲熱器，一般通過變頻技術和電子膨脹閥控制壓縮機制冷劑的循環量和進入室內換熱器的制冷劑的流量來調節熱泵對房間的供熱量。在熱泵供熱不能滿足房間負荷要求時，使用電加熱補充。所以這里重點介紹只有低溫儲熱器的太陽能熱泵儲熱工作流程。為了保證供暖系統運行的穩定性和連續性，綜合考慮各種氣候條件、太陽輻射情況、電網電價等因素，主要工作模式如下：
（1）冬季晴朗白天，載熱介質在集熱器中獲取太陽輻射能后，流入儲熱器，通過箱內的換熱盤管將部分熱量傳遞給儲熱介質，然后進入蒸發器與制冷劑換熱，并通過熱泵循環系統進行供熱，降溫后的集熱介質在管道泵的作用下又流回太陽能集熱器，由此完成一次循環。
（2）夜間（或陰雨天），從蒸發器流出的載熱介質不流經太陽能集熱器，而是通過三通閥直接流入儲熱器，從儲熱介質中吸取熱量后流回蒸發器，再通過熱泵循環進行供熱。
（3）當無太陽能可利用，且儲熱器中的儲熱量不充足，不能使熱泵滿足供熱需要時，調整系統為儲熱器及電加熱模式供熱，即從冷凝器出來的熱水經電加熱至供熱溫度后供給用戶。
圖2.31 太陽能空氣源熱泵系統流程
3.相變儲熱材料在太陽能熱水系統中的應用
相變無水箱式太陽能熱水器是一種集集熱器、儲熱裝置為一體的新型真空集熱管的太陽能熱水器。這種新型真空集熱管內部一般填充相變材料，就如何將相變儲熱材料應用于太陽能熱水器的問題，研究者們提出了不同形式的太陽能相變儲熱結構，比如常見的一體式太陽能熱水儲熱裝置、帶螺旋換熱盤管的相變儲熱裝置、適用于間接強制循環系統的儲熱裝置、平板集熱器改裝式相變儲熱裝置、熱管式太陽能熱水相變蓄熱裝置，以及大量的圓柱體堆積型太陽能熱水相變儲熱裝置和球體堆積床相變儲熱裝置等。
相變無水箱式太陽能熱水器如圖2.32所示。最普遍的結構類型為相變儲熱材料封裝在真空管內，同時管路分布在相變儲熱材料中，利用真空管涂層對相變儲熱材料加熱，取熱時利用水壓或自來水流提供動力，管內流入冷水進行取熱。該類型太陽能熱水器具有以下特點：①無水箱，結構緊湊，外形美觀，安裝簡便且不受樓層限制；②水質新鮮、健康、水溫恒定、操作簡單；③熱水器承壓，直接走水工作，運行耗能低；④熱水器性能優良，抗凍能力強，適用于北方嚴寒地區。相變儲熱材料應用于太陽能儲熱領域具有很大的潛力，無水箱太陽能熱水器潛在市場廣闊。
圖2.32 相變無水箱式太陽能熱水器
注：圖片來源于網絡。
4.相變儲熱材料在太陽能節能建筑中的應用
相變儲熱材料作為一類高效的儲能物質與傳統的建筑材料復合既可以提升建筑材料功能、降低建筑能耗和調整建筑室內環境舒適度，又能夠將可利用的熱能以相變潛熱的形式進行儲存，從而實現可利用的熱能在不同時間和不同空間的儲存與轉換。相變儲熱材料與傳統的建筑材料復合主要包括相變儲能石膏板、相變儲能混凝土、建筑保溫隔熱材料、相變儲能地板或天花板以及相變儲能砂漿等，目前在建筑節能中得到了日益增多的應用并具有良好的發展前景，其研究、應用也一直是能源領域中的熱點之一。相變墻體的出現將對儲能材料的建筑用途有很大的推動作用。武漢市開始推行的節能房，就是將一些保溫材料放于墻體和屋頂，可以節能43%，相信相變儲熱材料應用于節能房之后，將會更加節能，也會更受歡迎。