2.6 储热技术应用与新进展
2.6.1 储热技术在提高热能综合效率中的应用及新进展
2.6.1.1 提高热能综合效率的意义
目前，许多能源利用系统中都存在着能量供应和需求不匹配的矛盾，造成能量利用不合理和大量浪费。如太阳能、工业余热等能源利用效率较低，不仅浪费资源，也对大气环境造成不可忽视的热污染。为此，提高能源转换和利用率就成为各国实施可持续发展战略必须优先考虑的重大课题，而发展储热技术进行热能的综合有效利用至关重要。
2.6.1.2 提高热能综合效率的新进展
1.提高太阳热能的利用效率
太阳能是可再生能源中最重要的基本能源，它“取之不尽、用之不竭”且分布广泛、无污染，是经济型的清洁能源。太阳每时每刻都在释放巨大的能量，是一座巨大的“宝库”。现在的太阳热能科技将阳光聚合，并运用其能量产生热水、蒸汽和电力。除了运用适当的科技来收集太阳能外，建筑物亦可通过设计时增加适当的装备利用太阳的光和热能，例如巨型的向南窗户或使用能吸收并缓慢释放太阳热的材料，以提高太阳热能的利用效率。
2.干热岩利用技术
随着传统化石能源的日渐短缺，干热岩（HDR）作为一种清洁的可再生地热资源，符合现代化工业社会的需求，对干热岩资源特征及开发利用的研究越来越得到人们的重视，成为新能源开发和研究的热点。干热岩热能提取和利用的研究可以追溯到1970年，其概念首先由美国科学家提出，采用人工压裂的方式，在干热岩体中产生连通的裂隙，打一口井到目标岩层，注入冷水流经岩层，储存在干热岩岩体的热量转移到注入的冷水中，将这些载热液体收集到生产井，用于发电或者其他用途，排出的液体冷却以后又可以注入井中循环利用。干热岩代表着一个庞大的潜在能源，据报道，在美国地面以下3～10km深度，干热岩总热量超过了14×106EJ。中国处于全球欧亚板块的东南边缘，在东部和南部分别与太平洋板块和印度洋板块连接，是地热资源较丰富的国家之一。东南沿海受菲律宾板块碰撞挤压，在台湾、海南和东沿海形成一个高地温地区；东部受太平洋板块挤压，形成长白山、五大连池等休眠火山或火山喷发区，以及京津、胶东半岛等高地温梯度区。这些热异常区存在着丰富的高温地热资源，是干热岩地热资源的优先开发区。不同研究者的评估显示，我国大陆3～10km深度处的干热岩所蕴藏的热量为（20.9～25）×106EJ。其热量可以提供电能，替代原油辅助采油，以及用采暖等。利用干热岩可满足快速增长的能源要求，是一个重要的能源策略。目前，世界各地积极研究开发干热岩的技术，创建了多个干热岩技术开发示范点。中国也在积极参与干热岩技术开发工作，但在热储计算、技术应用等多方面还存在不足。
3.低温余热利用技术
低温余热是系统即使进行优化改造仍较难利用的低温位热能资源，如炼油厂低温余热是指炼油生产过程中产生的高于油品储存温度或工艺本身需要温度但未被回收利用的热量。利用低温余热的新技术有热泵技术、制冷技术、余热发电技术、热管技术及变热器技术。这五种技术的比较见表2.10。
表2.10 常见低温余热利用技术比较［17］
2.6.2 太阳能储热技术及新进展
太阳能资源具有取之不尽、用之不竭且易得的特性，世界各国越来越重视太阳能的热利用。但太阳能存在辐射时间的间断性，因此需要有效地将热能储存起来，以提高太阳能的热利用效率。太阳能储热最主要的方式为显热储热以及相变储热。采用相变储热材料的相变储热技术是最有效的热能储存方式之一，其最常见的应用领域有太阳能热发电、太阳能热泵、太阳能热水系统、太阳能节能建筑等。
1.相变储热材料在太阳能热发电系统中的应用
太阳能热发电系统（CSP）的基本原理是通过聚光装置产生高热密度的太阳能来加热热流体（空气、水、导热油、熔盐、金属Na等），再由热流体直接或间接地把热能输送到发电系统发电，从而实现“光—热—电”的能量转化过程（图2.30）。CSP系统一般由5大部件组成，即聚光装置、吸收/接收器、传热/储热系统、发电系统、控制系统。CSP系统有多种分类形式，按聚焦方式来分，可分为点聚焦和线聚焦两种；按聚光装置和吸收/接收器来分，可分为槽式、碟式、塔式、菲涅尔式等。
图2.30 太阳能热发电系统［52］
注：图片来源于网络。
目前，塔式和槽式太阳能光热发电系统可以实现商业化运营，但蝶式系统尚处于示范阶段。其中槽式热发电系统最成熟，成本也最低。储热材料及储热系统是CSP系统中的重要组成部分。研究性能可靠、高效、低成本的储热材料及储热系统一直是该领域的研究方向和目标。储热材料在CSP系统中的应用一般有导热油、水/水蒸气、空气、金属Na、油/岩石、熔盐、陶瓷、混凝土等。此外，在很多CSP系统中，储热材料要起到储热的作用以及热量输送和传递的介质——热流体（HTF）的作用。在CSP系统中，熔盐、高温混凝土、金属合金这三类高温储热材料具有较为广阔的应用前景。
2.相变储热材料在太阳能热泵中的应用
根据储热器在太阳能热泵供热系统中的位置，可以分为低温储热器和高温储热器。在如图2.31所示的太阳能空气源热泵系统流程中，与集热器直接相连的为低温储热器，因储热温度较低，热损失较小，故对于隔热措施的要求不高，结构也比较简单；与房间供热设备直接相连的为高温储热器，为了使所储存的热量在整个储热时间内能保持所需的热级，就必须采用良好的隔热措施，造价也相应提升。在太阳能热泵中，由于成本问题，很少使用高温储热器，一般通过变频技术和电子膨胀阀控制压缩机制冷剂的循环量和进入室内换热器的制冷剂的流量来调节热泵对房间的供热量。在热泵供热不能满足房间负荷要求时，使用电加热补充。所以这里重点介绍只有低温储热器的太阳能热泵储热工作流程。为了保证供暖系统运行的稳定性和连续性，综合考虑各种气候条件、太阳辐射情况、电网电价等因素，主要工作模式如下：
（1）冬季晴朗白天，载热介质在集热器中获取太阳辐射能后，流入储热器，通过箱内的换热盘管将部分热量传递给储热介质，然后进入蒸发器与制冷剂换热，并通过热泵循环系统进行供热，降温后的集热介质在管道泵的作用下又流回太阳能集热器，由此完成一次循环。
（2）夜间（或阴雨天），从蒸发器流出的载热介质不流经太阳能集热器，而是通过三通阀直接流入储热器，从储热介质中吸取热量后流回蒸发器，再通过热泵循环进行供热。
（3）当无太阳能可利用，且储热器中的储热量不充足，不能使热泵满足供热需要时，调整系统为储热器及电加热模式供热，即从冷凝器出来的热水经电加热至供热温度后供给用户。
图2.31 太阳能空气源热泵系统流程
3.相变储热材料在太阳能热水系统中的应用
相变无水箱式太阳能热水器是一种集集热器、储热装置为一体的新型真空集热管的太阳能热水器。这种新型真空集热管内部一般填充相变材料，就如何将相变储热材料应用于太阳能热水器的问题，研究者们提出了不同形式的太阳能相变储热结构，比如常见的一体式太阳能热水储热装置、带螺旋换热盘管的相变储热装置、适用于间接强制循环系统的储热装置、平板集热器改装式相变储热装置、热管式太阳能热水相变蓄热装置，以及大量的圆柱体堆积型太阳能热水相变储热装置和球体堆积床相变储热装置等。
相变无水箱式太阳能热水器如图2.32所示。最普遍的结构类型为相变储热材料封装在真空管内，同时管路分布在相变储热材料中，利用真空管涂层对相变储热材料加热，取热时利用水压或自来水流提供动力，管内流入冷水进行取热。该类型太阳能热水器具有以下特点：①无水箱，结构紧凑，外形美观，安装简便且不受楼层限制；②水质新鲜、健康、水温恒定、操作简单；③热水器承压，直接走水工作，运行耗能低；④热水器性能优良，抗冻能力强，适用于北方严寒地区。相变储热材料应用于太阳能储热领域具有很大的潜力，无水箱太阳能热水器潜在市场广阔。
图2.32 相变无水箱式太阳能热水器
注：图片来源于网络。
4.相变储热材料在太阳能节能建筑中的应用
相变储热材料作为一类高效的储能物质与传统的建筑材料复合既可以提升建筑材料功能、降低建筑能耗和调整建筑室内环境舒适度，又能够将可利用的热能以相变潜热的形式进行储存，从而实现可利用的热能在不同时间和不同空间的储存与转换。相变储热材料与传统的建筑材料复合主要包括相变储能石膏板、相变储能混凝土、建筑保温隔热材料、相变储能地板或天花板以及相变储能砂浆等，目前在建筑节能中得到了日益增多的应用并具有良好的发展前景，其研究、应用也一直是能源领域中的热点之一。相变墙体的出现将对储能材料的建筑用途有很大的推动作用。武汉市开始推行的节能房，就是将一些保温材料放于墙体和屋顶，可以节能43%，相信相变储热材料应用于节能房之后，将会更加节能，也会更受欢迎。