近日，上海交通大學制冷與低溫工程研究所王如竹教授ITEWA創(chuàng)新團隊在Energy & Environmental Science上發(fā)表了題為“Fewer temperature ties: scalable integration and broad selection of phase change materials for both heating and cooling”的研究論文。該論文提出了與雙效能準兩級熱泵耦合的中間儲熱方案，使單一相變儲熱裝置同時實現(xiàn)冬季儲熱與夏季儲冷。研究結果表明了該系統(tǒng)在全球范圍內的規(guī)模化應用潛力，首次揭示了全球季節(jié)性供暖和制冷策略，并為全球供暖和制冷普惠提供了啟示。制冷與低溫工程研究所博士生寇小雪為論文第一作者，王如竹教授為通訊作者。

　　【背景簡介】

　　在冬夏交替的自然節(jié)律里，追求熱舒適度是人類的基本訴求，室內溫度調節(jié)也因此成為必然之舉。據統(tǒng)計，全球約三分之一的人口面臨冬季取暖和夏季制冷的需求。在大力推行可再生能源戰(zhàn)略的當下，將相變儲熱技術與熱泵相結合的研究，正持續(xù)受到關注。然而，現(xiàn)有方法在試圖同時滿足供熱和制冷雙重要求時，往往不得不聯(lián)用多個定制化的儲能裝置。這不僅會加重經濟負擔，還會在大規(guī)模應用中，因材料定制問題而遭遇阻礙，限制了該技術的廣泛推廣。

　　【論文簡介】

　　該文提出了一種用于雙季節(jié)使用的中間相變儲熱解決方案。結合雙效能準兩級熱泵，相變溫度介于環(huán)境溫度與供能溫度之間的相變材料可以同時作為冬季儲熱與夏季儲冷。該文建立了包含相變溫度在10-30 ℃區(qū)間的90種中間相變材料數據庫。針對全球有季節(jié)性供熱和制冷需求的地區(qū)，該文為 51 個國家/地區(qū)和 95 個省/州/自治區(qū)選擇了具有顯著優(yōu)勢的中間相變儲熱材料。通過高通量篩選，研究確定了選用相變溫度在 10.5-22 ℃ 之間的材料具有顯著優(yōu)勢。在阿肯色州、北京、明尼蘇達州和上海，通過部署該系統(tǒng)，以需求為導向的能源供應策略可以得到顯著性能提升。與非集成熱泵相比，年性能系數提高了 11.73% 至 21.99%，與單獨的儲熱與儲冷系統(tǒng)相比，年性能系數提高了 51.31%。這種集成系統(tǒng)克服了成本障礙，同時最大限度地減少了土地占用，并在全球氣候變化中表現(xiàn)出很好的適應能力。

圖1 現(xiàn)有的季節(jié)性供暖和供冷方法以及相應的熱力循環(huán)溫-熵圖以及該文提出的解決方案（e）

　　【文章解讀】

　　01、中間相變儲熱與雙效準兩級熱泵耦合思路

　　簡化系統(tǒng)配置并增強其多功能性是推動熱泵與熱能儲存耦合系統(tǒng)朝著季節(jié)性熱能供應方向發(fā)展的關鍵要素。實現(xiàn)這一目標，需提升熱泵和熱能儲存這兩個組件的通用性與靈活性。通過深入探究熱能儲存溫度、環(huán)境溫度以及熱能供應溫度之間的內在關聯(lián)可以發(fā)現(xiàn)，處于特定相變溫度區(qū)間的相變儲熱材料能夠兼顧冬季儲熱與夏季儲冷的功能。當與雙效準兩級熱泵集成時，中間相變儲熱解決方案能夠削弱熱能儲存溫度與熱源溫度、熱能利用溫度之間的溫度關聯(lián)，進而為全球同時有供熱和制冷需求的地區(qū)提供多樣化的相變材料選擇。在實際運行中，第一級熱泵在用電低谷期將熱能儲存于中間相變儲熱裝置內，第二級熱泵則在用電高峰期調節(jié)熱能輸出的功率與溫度，也就是實現(xiàn)熱能輸出在量與質上的調控，達成以需求為導向的熱能供應模式。這種策略賦予了系統(tǒng)可控的熱能儲存能力與靈活的熱能供應能力，有力地推動了季節(jié)性熱能供應系統(tǒng)的優(yōu)化升級。由于采用一臺熱泵單一工質雙段溫區(qū)工作，可以實現(xiàn)熱泵供熱或制冷雙效能，并顯著提升系統(tǒng)供熱或供冷性能。

圖2 與雙效能準兩級熱泵耦合的冷熱雙用中間熱能儲存系統(tǒng)運行

　　02、評估中間儲熱系統(tǒng)應用潛力工具集

　　該文結合地理空間工具建立了中間儲熱系統(tǒng)全球可實施性評估模型。通過供熱度日數和冷卻度日數，對比每日室外溫度與標準溫度，收集237個國家 / 地區(qū)及7個國家的下屬區(qū)域的數據，確定63個國家 / 地區(qū)和112個下屬區(qū)域為潛在目標區(qū)，主要集中在南北溫帶，包含主要人口密集區(qū)域。針對這些有供熱制冷需求的區(qū)域，從90種潛在相變材料里篩選出合適的中間相變材料。通過建立雙效準兩級熱泵模型、熱泵與儲熱耦合模型評估不同相變材料與熱泵的兼容性。采用高通量篩選法確定適合本地化部署的相變材料，篩選標準涵蓋相變溫度、熱導率增強程度等。經過多層評估，綜合考量初始投資和年度性能系數，通過競爭分析優(yōu)選出相變儲熱材料。

圖3 評估中間儲熱系統(tǒng)應用潛力工具集

　　03、中間熱能存儲系統(tǒng)的區(qū)域適用性分析

　　通過高通量篩選過程，針對存在季節(jié)性供熱與制冷需求的51個國家/地區(qū)以及95個下屬區(qū)域該文篩選出31種優(yōu)選相變材料。研究發(fā)現(xiàn)，所選材料的相變溫度隨緯度升高而呈現(xiàn)下降趨勢。平衡中間相變材料在環(huán)境溫度與供能溫度間的溫差，能夠有效提升準兩級熱泵的年度性能系數。除了相變溫度，在制冷需求與供熱需求差異較小的地區(qū)，技術可行性、系統(tǒng)實用性和初始投資成本等關鍵因素，對相變材料的競爭優(yōu)勢起著決定性作用。考慮到當地氣候條件變化，篩選出的相變材料相變溫度處于10.5 - 22°C之間，中間儲熱溫度平均值為供熱和制冷期平均環(huán)境溫度之和的0.57倍。

圖4 中間熱能儲存系統(tǒng)的潛在全球部署方案

　　04、中間儲熱系統(tǒng)與傳統(tǒng)系統(tǒng)的比較分析

　　以美國阿肯色州、北京、美國明尼蘇達州和上海為案例，對比熱泵與中間儲熱系統(tǒng)、獨立熱冷存儲系統(tǒng)及傳統(tǒng)非集成熱泵。獨立熱冷存儲系統(tǒng)受限于存儲材料固定相變溫度，難以主動適應負荷波動，需特定相變溫度的相變材料滿足供熱制冷需求。傳統(tǒng)熱泵雖能靈活供能，但無儲熱功能。中間儲熱系統(tǒng)能在非高峰時段儲能，第二級熱泵按需提供熱冷。在四個地區(qū)，中間儲熱系統(tǒng)日性能系數（COP）比非集成熱泵分別高 14.86%、18.16%、21.99% 和 11.73%，比獨立熱冷存儲系統(tǒng)全年分別高 24.6%、31.19%、55.31% 和 33.54% ，冬季優(yōu)勢更為明顯。分析三種系統(tǒng)在四個地區(qū)的初始投資成本和年度成本效益，中間儲熱系統(tǒng)準兩級熱泵壓比和運行功率低，且通過篩選經濟相變材料，初始投資成本比傳統(tǒng)熱泵在多地更低，存儲單元成本也因容量小和材料經濟而降低。在年度成本效益上，不同地區(qū)表現(xiàn)主要取決于區(qū)域熱能利用模式和分時電價。

圖5 中間儲熱系統(tǒng)與傳統(tǒng)系統(tǒng)的比較分析

　　05、系統(tǒng)的長期可行性和可持續(xù)性

　　鑒于全球氣候變化加劇，需要進一步探究中間儲熱系統(tǒng)長期的可行性和可持續(xù)性。以南北緯20°-40°的低緯度帶和40°-60°的高緯度帶為研究區(qū)域，在當前氣候條件下，全球范圍內最優(yōu)中間儲熱系統(tǒng)年性能系數在2.68 - 5.25區(qū)間，平均值為3.96。其中，低緯度地區(qū)的平均值達到 4.35，顯著高于高緯度地區(qū)的 3.51。低緯度區(qū)平均4.35 高于高緯度區(qū)的3.51。在全球變暖導致平均冬夏季溫度升高 2℃的情景模擬中，全球年性能系數僅下降 3%，顯示出該系統(tǒng)具備一定的穩(wěn)定性。面對極端天氣狀況，當夏季平均環(huán)境溫度升高 10℃時，低緯度地區(qū)的系統(tǒng)性能雖有所下滑，但降幅控制在 30% 以內；而當冬季平均環(huán)境溫度降低 10℃時，系統(tǒng)展現(xiàn)出突出的抗寒能力，特別是在低緯度地區(qū)。

圖6 不同氣候條件下世界各地中間儲熱系統(tǒng)的年度性能系數

　　【總 結】

　　為了解決冬季供暖和夏季制冷地區(qū)熱能儲存和供應的難題，作者提出了一種與雙效能準兩級熱泵耦合的中間熱能儲存解決方案，采用了適用于全球的儲存溫度為 10.5-22℃的中間相變材料，實現(xiàn)了能源成本的最佳權衡。與阿肯色州、北京、明尼蘇達州和上海的非集成熱泵相比，它的年度性能系數增益高達 21.99%。與熱泵相比，前期資本支出預計將下降 15.7%-22.8%。盡管分時電價各不相同，但在能效和電價波動的相互作用下，該系統(tǒng)每年仍能節(jié)省大量成本。這些研究結果證明了該系統(tǒng)在全球范圍內的規(guī)模化應用潛力。此外，這項研究還強調了該系統(tǒng)在全球氣候變化中的較強適應力。總之，該解決方案為實現(xiàn)全球供暖和制冷普惠提供了一種新方法，促進人類獲得更加平等便捷的基本能源服務。