储热的艺术：驾驭能源，共创可持续未来

在一个能源需求日益增长、环境问题日益严峻的时代，寻求可持续的能源解决方案已变得前所未有的关键。在正在探索的各种策略中，热能储存（TES）作为一项极具潜力的技术脱颖而出，它有潜力彻底改变我们管理和利用能源的方式。本综合指南深入探讨了TES的原理、技术、应用和效益，为其在建设更可持续未来中的作用提供了全球视角。

什么是热能储存（TES）？

热能储存（TES）是一种能够储存热能（热量或冷量）以供后续使用的技术。它弥合了能源供应与需求之间的差距，使得能源可以在需求低或供应充足的时期（例如，白天的太阳能）储存起来，并在需求高或供应不足时释放。这种时间上的解耦可以显著提高能源效率、降低成本，并促进可再生能源的整合。

其核心在于，TES系统通过将热能转移到储存介质中来运作。这种介质可以是多种多样的材料，包括水、冰、岩石、土壤或专门的相变材料（PCM）。储存介质的选择取决于具体的应用、温度范围和储存时长。

热能储存技术的类型

TES技术可以根据所使用的储存介质和方法进行大致分类：

显热储存

显热储存通过升高或降低储存介质的温度来储存能量，而介质不发生相变。储存的能量与温度变化和储存材料的比热容成正比。常见的显热储存材料包括：

• 水：因其高比热容和易得性而被广泛使用。适用于供暖和制冷应用。例子包括家用热水储存和区域供冷的冷冻水储存。
• 岩石/土壤：对于大规模储存而言成本效益高。常用于地下储热（UTES）系统。
• 油：用于高温应用，如聚光太阳能（CSP）发电厂。

潜热储存

潜热储存利用相变（如熔化、凝固、沸腾、冷凝）过程中吸收或释放的热量来储存能量。与显热储存相比，这种方法提供了更高的储能密度，因为在相变过程中，大量的能量在恒定温度下被吸收或释放。用于潜热储存最常见的材料是相变材料（PCM）。

相变材料（PCM）：PCM是当它们改变相态时会吸收或释放热量的物质。例子包括：

• 冰：常用于制冷应用，尤其是在空调系统中。冰蓄冷系统在非高峰时段将水冻结成冰，在高峰时段融化冰以提供制冷。
• 水合盐：提供多种熔化温度，适用于各种供暖和制冷应用。
• 石蜡：具有良好热性能和稳定性的有机PCM。
• 共晶混合物：两种或多种物质的混合物，在恒定温度下熔化或凝固，提供定制的相变温度。

热化学储存

热化学储存通过可逆的化学反应来储存能量。这种方法提供了最高的储能密度和长期储存且能量损失最小的潜力。然而，热化学储存技术通常比显热和潜热储存更复杂、更昂贵。

热化学储存材料的例子包括金属氢化物、金属氧化物和化学盐。

热能储存的应用

TES技术在广泛的领域中得到应用，包括：

建筑供暖与制冷

TES系统可以集成到建筑的暖通空调（HVAC）系统中，以提高能源效率并减少高峰需求。例子包括：

• 冰蓄冷空调：在非高峰时段（例如，电价较低的夜间）将水冻结成冰，在高峰时段（例如，制冷需求高的白天）融化冰以提供制冷。这减少了电网的负荷并降低了能源成本。在全球范围内的商业建筑中广泛使用，如办公室、医院和购物中心。示例：日本东京的一个大型办公楼利用冰蓄冷技术，在炎热的夏季减少高峰用电量。
• 冷冻水储存：储存非高峰时段生产的冷冻水，用于高峰制冷期间。这与冰蓄冷类似，但没有相变过程。
• 热水储存：储存由太阳能集热器或其他热源产生的热水，供以后用于空间供暖或生活热水供应。常用于住宅建筑和区域供热系统。示例：在希腊和西班牙等太阳辐射强度高的地中海国家，带有储热罐的太阳能热水系统非常普遍。
• PCM增强建筑材料：将PCM融入墙壁、屋顶和地板等建筑材料中，以提高热惯性并减少温度波动。这增强了热舒适性并减少了供暖和制冷负荷。示例：德国的建筑中使用PCM增强石膏板来改善热性能和减少能源消耗。

区域供热与供冷

TES在区域供热与供冷（DHC）系统中扮演着至关重要的角色，这些系统为多个建筑或整个社区提供集中的供暖和制冷服务。TES使DHC系统能够更高效地运行，整合可再生能源，并减少高峰需求。例子包括：

• 地下储热（UTES）：将热能储存在地下含水层或地质构造中。UTES可用于热或冷的季节性储存，允许在夏季捕获多余的热量并在冬季释放，反之亦然。示例：加拿大奥科托克斯的德雷克·兰丁太阳能社区利用钻孔储热（BTES）技术，使用太阳能提供全年的空间供暖。
• 大型水箱：使用大型绝缘水箱储存热水或冷冻水，用于区域供热或供冷网络。示例：许多斯堪的纳维亚国家，如丹麦和瑞典，在其区域供热系统中使用大型热水储罐，以储存来自热电联产（CHP）工厂和工业过程的多余热量。

工业过程加热与冷却

TES可用于提高需要加热或冷却的工业过程的效率。例子包括：

• 余热回收：捕获工业过程中的余热并储存起来，供以后在其他过程中使用或用于空间供暖。示例：韩国一家钢铁制造厂使用储热系统捕获其熔炉的余热，并用其预热材料，从而减少了能源消耗和排放。
• 削峰填谷：在非高峰时段储存热能，并在高峰时段使用，以减少电力需求和成本。示例：澳大利亚一家食品加工厂使用冰蓄冷系统来减少制冷的峰值电力需求。

可再生能源整合

TES对于将间歇性的可再生能源（如太阳能和风能）整合到能源网中至关重要。TES可以在可再生能源产量高的时期储存多余的能量，并在产量低时释放，确保更可靠、更稳定的能源供应。例子包括：

• 聚光太阳能（CSP）发电厂：使用熔盐或其他高温储存材料储存由太阳能集热器产生的热能。这使得CSP发电厂即使在没有阳光的情况下也能发电。示例：摩洛哥的努尔·瓦尔扎扎特太阳能发电厂利用熔盐储热技术，提供24小时不间断的电力。
• 风能储存：使用TES储存由风力涡轮机产生的多余电力。这些能量随后可用于加热水或空气，或使用热机转换回电力。示例：德国和丹麦的几个研究项目正在探索将TES与风力涡轮机结合使用。

热能储存的效益

采用TES技术带来了多方面的效益，涵盖经济、环境和社会层面：

• 降低能源成本：通过将能源消耗从高峰时段转移到非高峰时段，TES可以显著降低能源成本，尤其是在实行分时电价的地区。
• 提高能源效率：TES通过捕获和储存余热或多余能量来优化能源使用，最大限度地减少能量损失并最大化利用可用资源。
• 增强电网稳定性：TES通过在能源供应和需求之间提供缓冲，帮助稳定电网，减少对调峰电厂的需求，并最大限度地降低停电风险。
• 整合可再生能源：TES通过储存多余能量并在需要时释放，促进了太阳能和风能等间歇性可再生能源的整合，确保了更可靠、更可持续的能源供应。
• 减少温室气体排放：通过提高能源效率和促进可再生能源的整合，TES有助于减少温室气体排放和缓解气候变化。
• 提高能源安全：TES通过减少对化石燃料的依赖和多样化能源来源，增强了能源安全。
• 削峰填谷：TES转移了电力的高峰需求，减轻了电网的压力。

挑战与机遇

尽管有许多好处，但TES技术的广泛应用仍面临一些挑战：

• 高昂的初始成本：TES系统的初始投资成本可能相对较高，这可能成为某些应用的障碍。
• 空间要求：TES系统，特别是大型储罐或UTES系统，需要大量空间。
• 性能衰减：一些TES材料，如PCM，可能会因反复的相变而随着时间的推移出现性能下降。
• 热损失：储罐和管道的热损失会降低TES系统的整体效率。

然而，TES技术的进一步发展和部署也存在重大机遇：

• 技术进步：正在进行的研究和开发工作致力于提高性能、降低成本并延长TES材料和系统的使用寿命。
• 政策支持：政府的政策和激励措施，如税收抵免、补贴和法规，可以在促进TES技术采用方面发挥关键作用。
• 电网现代化：电网的现代化，包括智能电网和先进计量基础设施的部署，可以促进TES和其他分布式能源的整合。
• 提高认知度：提高消费者、企业和决策者对TES效益的认识，可以推动需求并加速其采用。

全球热能储存实施案例

TES技术正在世界各地的不同国家和地区实施，展示了其多功能性和适应性。

• 丹麦：丹麦是区域供热领域的领导者，广泛使用大型热水储罐来整合可再生能源和提高系统效率。许多城市使用海水进行热能储存。
• 德国：德国正在积极研究和开发PCM增强的建筑材料，以提高能源效率并减少供暖和制冷负荷。
• 加拿大：加拿大奥科托克斯的德雷克·兰丁太阳能社区展示了钻孔储热（BTES）在太阳能季节性储存方面的有效性。
• 摩洛哥：摩洛哥的努尔·瓦尔扎扎特太阳能发电厂利用熔盐储热技术，提供24小时不间断的电力。
• 日本：日本在商业建筑中广泛采用冰蓄冷空调系统，以减少高峰电力需求。
• 美国：美国的许多大学和医院使用冷冻水储存来减少制冷的高峰电力消耗。
• 澳大利亚：澳大利亚的一些食品加工厂和数据中心使用热能储存来减少制冷和冷却的高峰电力需求。
• 中国：中国正在积极部署UTES系统和PCM增强的建筑材料，以应对其日益增长的能源需求和改善空气质量。

热能储存的未来

热能储存有望在全球能源格局中扮演越来越重要的角色。随着能源需求的持续增长和对可持续能源解决方案需求的日益迫切，TES为提高能源效率、降低成本和整合可再生能源提供了一条引人注目的途径。正在进行的研究和开发工作致力于提高性能、降低成本和扩大TES技术的应用。随着持续的创新和政策支持，TES有潜力改变我们管理和利用能源的方式，为更可持续和更有弹性的未来铺平道路。

结论

储热的艺术在于其能够弥合能源供需之间的差距，为提高能源效率、整合可再生能源和减少我们对化石燃料的依赖提供了强大的工具。从建筑供暖制冷到区域能源系统和工业过程，TES技术正在改变我们在广泛领域内管理和利用能源的方式。在我们迈向更可持续未来的过程中，热能储存无疑将在塑造一个更清洁、更有弹性、更高效的能源体系中发挥关键作用，为子孙后代造福。拥抱TES不仅仅是一个选择，它是实现一个可持续星球的必需品。