产业报告2024丨五、跨季节储热技术；六、多能互补技术

五、跨季节储热技术

跨季节储热是克服太阳能“夏盈冬亏”特性，通过合理有效的蓄存技术，实现夏热冬用，提高太阳能供热系统运行效率及经济性，实现太阳能规模化利用的关键技术。

蓄热技术根据换热原理可分为显热蓄热、潜热蓄热以及热化学蓄热。显热蓄热主要有地上水箱蓄热和地下蓄热两大类，相比其它两种蓄热方式蓄热能量密度相对较小。潜热蓄热是通过介质的相变来达到对热能的蓄存和释放，因此能量密度大于显热蓄热。化学蓄热则通过化学能转化热能来实现，主要有吸附和化学反应两种类型，其蓄存能量密度更大。但化学蓄热技术是一种较新型的技术，距大规模使用还有一定距离。显热蓄热技术无需相变就能升温，易控制、环境友好，并且材料费远低于其他两个，因此也是近几十年来应用最广泛的一项技术。但是由于能量密度低，需要更大的蓄热体空间。

由于显热蓄热能量密度相对较小而需要更大的蓄热体空间。地下空间较少受地面空间影响，近年来被大规模开发利用。采用地下蓄热也成为一种现实可行的方法，蓄热性能和投资成本与地上空间相比有了明显的优势。通过不同的蓄热介质以及换热方式使收集的热量储存到地下的方式叫地下蓄热系统(Underground Thermal Energy Storage，UTES)。这种蓄热方式与传统的供热相比，因为高效和充分利用地下空间来蓄存可再生能源的方式，展现出很强的经济性和可持续环境友好型，并成为最常用的跨季节蓄热技术。目前，常见的跨季节蓄热技术主要包括地下水箱蓄热（WTES）、人工水体蓄热（GWTS）、地下含水层蓄热（ATES）和地埋管蓄热（BTES）。

1．地下水箱蓄热

水箱蓄热系统通常为地下设置不锈钢或钢筋混凝土制成的槽（坑），并在槽（坑）周围和顶部采取较厚的保温隔热层以减少系统的热损失，地下水箱蓄热系统示意图如图3-15所示。

图3-15 地下水箱蓄热系统原理示意图

在蓄热和取热过程中，水箱中的水在垂直方向上有明显的温度分层。这种自然温度分层现象在蓄热和取热过程中有利于提高换热和用热性能。但地下水箱蓄热系统在长期运行中容易出现水箱腐蚀和泄漏等现象，也直接影响到该系统的运行寿命和维护费用，且为减少水槽热损失和防漏做防护措施大大增加成本。

2．人工水体蓄热

人工水体蓄热也称砾石-水蓄热，系统如图3-16所示。与地下水箱蓄热相似，在地下设置槽，并对槽周围和顶部进行保温，槽最里面设置防水塑料衬底，并将水和砾石等混合物作为蓄热介质装在防水塑料衬外的槽里。因此该系统也可看成是地下水箱吸热和地下含水层蓄热的结合。该系统与特定的水文地质条件无关，但是该系统中，槽的密封、保温绝热和防漏防潮相关建设费用较高。

图3-16 人工水体蓄热系统原理与结构示意图

3．地下含水层蓄热

地下含水层蓄热是通过钻井将收集的热量蓄到地下含水层结构中。含水层是地下介质（沙、砾石、岩石等）和空隙中充满水的特殊地质结构，含水层上下一般为不透水层。因此，地下含水层蓄热的蓄热介质是地下水、砾石/岩石/沙等材料的混合。这种蓄热方法要求地质条件的要求非常高。地下含水层蓄热根据地下井设置的不同分为双井和单井系统，如图3-17所示。单井地下含水层蓄热系统初始成本相对较低，但是由于冷热在竖直方向上分层，不利于用冷、易受到热干扰，因此单井地下含水层蓄热系统对较厚的含水层较适用，且主要用于高温蓄热。双井地下含水层蓄热系统中热井和冷井分别打在含水层中，通过水泵抽取和回灌地下水来完成热交换。地下含水层蓄热的打井深度根据含水层的地下位置而定，浅层深度为10~100米，中层深度为100~500米，深层深度大500米，在已有的众多含水层蓄热项目中以20~260米较为多见。

图3-17 双井含水层蓄热系统及原理（左图）和单井含水层蓄热系统（右图）

4．地埋管蓄热

如图3-18所示，地埋管蓄热系统主要由闭环埋管换热器管路、埋管内的循环流体、钻孔填料和钻孔周围岩土（土壤、岩石等地下材料）4部分组成。

图3-18 地埋管蓄热系统原理示意图

地埋管蓄热系统从组成构建上与地源热泵系统的源端相同，从换热原理上也很相近，均是通过埋管换热器内的循环流体与周围岩土进行换热。但是从系统运行原理上则大不相同。对于地源热泵系统，地下岩土主要作为热源和冷源的功能，通过埋管换热器把建筑的冷和热散到地下。而地埋管蓄热系统把地下当做热“电池”，而不是散热器，当建筑末端需要热/冷的时候热“电池”释放蓄存的能量。地埋管蓄热系统在蓄热阶段的运行条件也与地源热泵系统完全不同，在取热供暖阶段根据不同工作模式其运行条件和性能也与传统地源热泵系统大不相同。

在地埋管蓄热系统的设计中对井深与井间距的要求与地源热泵系统的设计要求有所不同。地源热泵系统需要较高的换热性能和热扩散性能，因此在地下空间允许的情况下井间距较大，井深较深有利于换热。此外较大的地下水渗流也有利于地源热泵系统换热以及地下温度场的恢复。而对于地埋管蓄热系统，一方面要求埋管与岩土在蓄热和取热阶段有较好换热性能，另一方面则需要收集的热量蓄积在岩土蓄热体中，尽量减少向周围岩土的热扩散。因此，在地埋管蓄热系统的设计中太小或太大的井深和井间距均不利于蓄热体的换热和蓄热性能。此外，在设计初期很小的或无渗流的地质条件才能满足地埋管蓄热系统建设要求，一般要求水渗流小于1m/a。

六、多能互补技术

以多能互补集成方面，目前应用整体处于示范推广阶段。国际上以分布式为主，大型能源综合基地的示范与应用则主要集中在我国。在面向终端用户的多能互补集成应用系统方面，多种能源构成的微电网、微能源网是主要应用形式，在北美、欧洲、日本及我国都建立了大量示范工程，包括离网型、并网型，逐步从单纯的微电网转向含冷、热、电的微能源网，也均整体处于示范推广阶段。北欧的多能互补集成应用为社区能源站，在满足以社区供暖为主的同时采用热电联产技术实现了冷热电联供，开麦、德国瑞典等国家由于当地政策环境的支持实现了冷热电联供商业应用。我国在产业园区、大型公共建筑等方面也开展了不同形式的多能互补集成应用，满足了部分冷热电的用能需求。

2001年，美国能源部首次提出了综合能源系统（integrated energy system，IES）发展计划，目标是提高清洁能源供应与利用比重，进一步提高社会供能系统的可靠性和经济性，而重点是促进对分布式能源（DER）和冷热电联供（CCHP）技术进步和推广应用。2021年，美国能源部发布《综合能源系统（HES）：协同研究机遇》中对综合能源进行定义，即综合能源系统是通过总体控制或物理方式集成多种能源生产、存储和/或转换技术，以实现节约成本、增强能效和环境效益的能源系统。

多能互补系统是传统分布式能源应用的拓展，是一体化整合理念在能源系统工程领域的具象化，它是指可包容多种能源资源输入，并具有多种产出功能和输运形式的“区域能源互联网”系统。它不是多种能源的简单叠加，而是在系统高度上按照不同能源品位的高低进行综合互补利用，并统筹安排好各种能量之间的配合关系与转换使用，以取得最合理能源利用效果与效益。系统需结合能源生产、转换、储备、使用等环节间的相互承接关系，以及冷、热、电等多形式能源的交互耦合，系统设计优化遵循系统使用率最大化和能源利用效率最大化两个原则，即科学合理的系统容量配置与冷、热、电等能源间良好的匹配关系，以保证能源利用效率达到较高水平。

多能互补的分布式能源系统，是由分布式冷热电联产系统与可再生能源相结合而构建，可协同解决区域能源与环境问题，是对传统分布式能源系统的衍生和拓展，将电力、燃气、太阳能、风能等各种形式能源耦合输入，通过能源与技术协同优化整合，最终以较高的综合能效向用户提供冷能、热能以及电能等，是一种具有多项产出供能和多种输能形式的能源系统，如图3-19所示。

图3-19 多能互补分布式能源系统

可再生能源包括太阳能、水能、风能、生物质能、波浪能、潮汐能、海洋温差能、

地热能等。可再生能源的特点是分布广、能量密度低、不稳定、无污染等，缺陷是不连续、不稳定、低密度，随时间、季节以及气候等变化而变化等。主要的可再生能源系统耦合技术有：太阳能、热泵耦合的多能互补供热系统，太阳能与地热能耦合的多能互补系统、风氢耦合的多能互补系统等。其中风光氢耦合的多能互补系统统包括装有大量风力发电机的大型风电场、制氢站、储氢设备、氢能发电站等，如图3-20所示。风氢耦合的多能互补发电系统的基础是“削峰”“填谷”，即将风力发电高峰期多余的电能用于制氢储氢，再将储存的氢能发电来补充风力发电低谷期不足的电能。

图3-20 风氢耦合的多能互补系统示意图

近年来，风电和光伏装机容量与日俱增，与此同时，弃风和弃光比例居高不下。此外，氢储能作为一种新兴电力系统储能方式，相比传统储能，具有清洁绿色、能量密度高、储存容量大、运行寿命长、便于储存和传输等优点。因此，耦合氢储能综合开发利用将成为风电和光伏高效运行的优选方案之一。

2017 年，我国首批多能互补集成优化示范工程项目具有较好的典型示范作用。如，大同经济开发区多能互补集成优化示范工程，项目采用风电、光伏与天然气冷热电三联供模式，为科技园区、开发区提供电能与冷热能综合供应，取得了较好的示范效果；青岛中德生态园泛能网项目，面向青岛市中德生态园用能需求，能源站建设与园区发展同步，打造供热、供冷、供工业蒸汽为一体的泛能站，并且园区建筑采用被动房等节能技术。