摘 要：【目的】通過梳理跨季節(jié)蓄熱的原理及分類、蓄熱介質(zhì)材料等方面的內(nèi)容，分析其研究進(jìn)展，為我國跨季節(jié)蓄熱技術(shù)應(yīng)用提供參考?！痉椒ā渴紫葯z索實(shí)際應(yīng)用項(xiàng)目，其次分析其蓄熱介質(zhì)材料、熱源、蓄熱體容積的應(yīng)用情況?！窘Y(jié)果】顯熱跨季節(jié)蓄熱技術(shù)逐漸成熟，而潛熱及熱化學(xué)跨季節(jié)蓄熱技術(shù)的研究及應(yīng)用仍相對較少。傳統(tǒng)跨季節(jié)蓄熱系統(tǒng)以太陽能作為主要熱源，而對于生物質(zhì)能和工業(yè)余熱利用較少?！窘Y(jié)論】未來應(yīng)著重提高跨季節(jié)蓄熱供暖技術(shù)的實(shí)用性，加大對于余熱等其他蓄熱熱源的研究。探索新型復(fù)合蓄熱介質(zhì)，擴(kuò)大使用規(guī)模，選用大容積蓄熱體裝置，減少有關(guān)設(shè)備與材料的生產(chǎn)成本，進(jìn)而減少單位供暖面積的投資。

關(guān)鍵詞：跨季節(jié)蓄熱；蓄熱介質(zhì)；熱源；蓄熱容積

中圖分類號：TU832" " "文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " "文章編號：1003-5168（2025）05-0090-06

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2025.05.017

Research Progress of Cross-season Heat Storage Application Technology

FU Pengwei1 LIU Yin1 DONG Suiju2 SUN Taofu2 GAO Long1 MENG Zhaofeng1

（1.School of Smart Energy amp; Environment， Zhongyuan Institute of Technology， Zhengzhou 450007，China; 2. Zhengzhou Heating Qiyuan Technology Co.，Ltd.， Zhengzhou 450052，China）

Abstract： [Purposes] By sorting out the principle and classification of cross-season heat storage and the materials of heat storage medium， the research progress is analyzed， so as to provide reference for the application of cross-season heat storage technology in China.[Methods] To begin with， the practical application items are retrieved， and then the application situation of the heat storage medium material， heat source and heat storage body volume is analyzed.[Findings] The cross-season heat storage technology is gradually mature， but the research and application of latent heat and heat chemical cross-season heat storage technology are still relatively few. The traditional cross-season heat storage system takes solar energy as the main heat source， but uses less for biomass energy and industrial waste heat.[Conclusions] In the future， measures should be made to improve the practicability of cross-season heat storage heating technology， increase the research on waste heat and other heat storage sources， explore new composite heat storage medium， expand the use scale， choose large volume heat storage device， lower the production cost of related equipment and materials， and then reduce the investment in unit heating area.

Keywords： cross-season heat storage; heat storage medium; heat source; heat storage volume

0 引言

集中供熱事業(yè)快速發(fā)展的同時(shí)，熱源不足的局面愈加凸顯。為降低供暖碳排放，跨季節(jié)蓄熱成為能源轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵。尤其在以可再生能源及各類余熱資源為基礎(chǔ)的低碳熱源供熱體系中，大規(guī)模跨季節(jié)蓄熱技術(shù)作為提高能源利用率的有效手段，能夠解決能量供求在時(shí)間和空間上不匹配的矛盾［1］。目前國內(nèi)外針對跨季節(jié)蓄熱技術(shù)展開了較為深入的試驗(yàn)研究、模擬分析和工程實(shí)踐。相較于國外，國內(nèi)對于跨季節(jié)蓄熱實(shí)際項(xiàng)目應(yīng)用及綜合分析相對較少［2］。為充分了解國內(nèi)外跨季節(jié)蓄熱技術(shù)研究及應(yīng)用進(jìn)展情況，本研究以顯熱跨季節(jié)蓄熱、潛熱跨季節(jié)蓄熱與熱化學(xué)跨季節(jié)蓄熱等3類蓄熱技術(shù)為切入點(diǎn)，分別對跨季節(jié)蓄熱的原理及分類、介質(zhì)材料、熱源、蓄熱體容積等方面進(jìn)行綜述，為我國跨季節(jié)蓄熱技術(shù)應(yīng)用提供參考。

1 跨季節(jié)蓄熱技術(shù)原理及分類

1.1 跨季節(jié)蓄熱技術(shù)原理

跨季節(jié)蓄熱技術(shù)是一種利用季節(jié)性能量差異來儲(chǔ)存和釋放熱能的技術(shù)。在夏季，通過收集太陽能或其他形式熱能并儲(chǔ)存于地下水、土壤或其他媒介中；在冬季，通過地源熱泵等方式將儲(chǔ)存的熱能提取出來供暖使用。在此項(xiàng)技術(shù)中，選擇合適的蓄熱介質(zhì)是關(guān)鍵。常見的蓄熱介質(zhì)包括水、土壤、高溫熔鹽、有機(jī)相變材料等，其中以水為介質(zhì)的大型水體顯熱蓄熱技術(shù)是常用的跨季節(jié)蓄熱解決方案，包括地埋管式蓄熱技術(shù)等、含水層蓄熱技術(shù)等?？缂竟?jié)蓄熱技術(shù)原理如圖1所示。

1.2 跨季節(jié)蓄熱技術(shù)分類

目前，跨季節(jié)蓄熱技術(shù)主要以蓄熱介質(zhì)、換熱方式進(jìn)行分類，但兩者無明顯界限，相互交叉。

根據(jù)蓄熱介質(zhì)的不同，跨季節(jié)蓄熱技術(shù)又可分為顯熱蓄熱、潛熱蓄熱與熱化學(xué)蓄熱。根據(jù)換熱方式的不同，顯熱蓄熱分為以下幾種形式：換熱方式以對流為主，蓄熱介質(zhì)為水，包括罐式蓄熱和地坑蓄熱；換熱方式以導(dǎo)熱為主，蓄熱介質(zhì)為土壤，主要是地埋管蓄熱；此外，還存在對流與導(dǎo)熱的混合型換熱方式，蓄熱介質(zhì)為水和土壤，包括含水層蓄熱和砂水坑蓄熱。

其中，地坑蓄熱和砂水坑蓄熱是模擬巖洞和含水層的人造蓄熱系統(tǒng)，初始造價(jià)高。因此，常見的地下顯熱蓄熱有含水層蓄熱、地埋管蓄熱。潛熱蓄熱利用介質(zhì)在相變過程中吸收或放出的潛熱存蓄熱能，而熱化學(xué)蓄熱則依靠可逆化學(xué)反應(yīng)中化學(xué)鍵斷裂、重組實(shí)現(xiàn)蓄放熱，二者較顯熱蓄熱蓄能密度高，但蓄熱系統(tǒng)較為復(fù)雜，其按照反應(yīng)過程鍵斷裂的類型，可分為化學(xué)吸附蓄熱和化學(xué)反應(yīng)蓄熱兩種類型?；瘜W(xué)反應(yīng)蓄熱多應(yīng)用于中高溫場景，通過化學(xué)鍵的斷裂/重組實(shí)現(xiàn)熱能的存儲(chǔ)/釋放。而顯熱蓄熱原理簡單，技術(shù)較為成熟，在跨季節(jié)蓄熱工程實(shí)踐中廣泛應(yīng)用，跨季節(jié)蓄熱技術(shù)特性比較見表1。

其中，罐式蓄熱在蓄熱體積超過7 000 m3時(shí)會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)建造費(fèi)用大幅提升，因此，其不屬于嚴(yán)格意義上的跨季節(jié)蓄熱方式［5］。

2 跨季節(jié)蓄熱技術(shù)相關(guān)進(jìn)展

1960年，歐洲首次利用地下巖腔中實(shí)現(xiàn)了跨季節(jié)蓄熱。之后，丹麥、德國等其他北美國家對跨季節(jié)蓄熱技術(shù)開展了進(jìn)一步的研究，工程項(xiàng)目逐漸增加［6］。1970年，潛熱蓄熱技術(shù)開始被應(yīng)用于溫室，但由于缺乏完全商業(yè)化的相變材料，潛在的腐蝕性、可燃性和毒性限制了其應(yīng)用及發(fā)展。2012年后，丹麥轉(zhuǎn)入了對于大規(guī)模顯熱跨季節(jié)蓄熱系統(tǒng)的探索及應(yīng)用，蓄熱體的蓄熱容量不斷增加［7］。熱化學(xué)蓄熱項(xiàng)目最初是在2005年之后開始的，但其規(guī)模小，仍處于實(shí)驗(yàn)室研究階段［1］。通過對文獻(xiàn)的綜述發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)階段對于跨季節(jié)蓄熱系統(tǒng)的研究多集中在蓄熱介質(zhì)材料、熱源、蓄熱體容積等方面。

2.1 蓄熱介質(zhì)材料

顯熱蓄熱作為傳統(tǒng)蓄熱方式，通過自身溫度的變化進(jìn)行熱能的儲(chǔ)存和釋放，其蓄熱系統(tǒng)的蓄熱量與介質(zhì)的比熱容、密度和容積等成正比［8］。為保證跨季節(jié)蓄熱項(xiàng)目高效運(yùn)行，需要綜合考慮蓄熱介質(zhì)的輸運(yùn)特性、熱穩(wěn)定性及傳熱性能參數(shù)等。氣體易于輸送，但低比熱容和受限的導(dǎo)熱系數(shù)限制了其推廣應(yīng)用，因此，顯熱蓄熱介質(zhì)通常在液態(tài)和固態(tài)材料中進(jìn)行篩選［9］。相較于固態(tài)蓄熱介質(zhì)，液態(tài)蓄熱介質(zhì)質(zhì)量比熱容更大，傳熱性能更好，但存在成本高和難以實(shí)現(xiàn)高溫?zé)崃块L期穩(wěn)定儲(chǔ)存等問題［1，10］。

潛熱蓄熱即相變蓄熱，物質(zhì)從一種相態(tài)變化到另一種相態(tài)，形式有三種：固-液相變、液-氣相變、固-氣相變。目前，最常見的是固-液相變材料見表2。

在高溫相變蓄熱材料領(lǐng)域，Birchenall等［11］于1976年首次提出利用金屬的熔化實(shí)現(xiàn)中高溫蓄熱。在此基礎(chǔ)上，F(xiàn)arkas和Gasanaliev等［11-13］對部分金屬及合金的物理性質(zhì)進(jìn)行測試，指出金屬及合金具有較高的蓄熱密度、熔化溫度和導(dǎo)熱系數(shù)等，其相變潛熱最高可達(dá)中溫相變材料（主要是無機(jī)水合鹽）的5倍。國內(nèi)對金屬及合金進(jìn)行相變蓄熱的研究較晚，但也取得了一定成果［14］。近年來出現(xiàn)了10～300 ℃液態(tài)低熔點(diǎn)合金，主要由低熔點(diǎn)金屬（如鉛、鎘、鉍、錫和銦）組成。潛熱蓄熱材料種類逐漸多元化。江蘇金合能源公司率先實(shí)現(xiàn)了復(fù)合型相變蓄熱/冷材料的工業(yè)化生產(chǎn)［15］。國內(nèi)外對于高溫多元熔鹽也進(jìn)行了大量研究，但多數(shù)熔鹽導(dǎo)熱系數(shù)低于1 W/（m·K），這制約了其作為相變蓄熱材料的發(fā)展［16］。針對該問題，Yang等［17］提出利用金屬材料較高導(dǎo)熱系數(shù)的特性，制備金屬+熔融鹽復(fù)合相變材料，進(jìn)而增強(qiáng)熔融鹽的蓄熱性能。

2.2 熱源

本研究收集了13個(gè)國內(nèi)蓄熱項(xiàng)目和42個(gè)國外蓄熱項(xiàng)目，項(xiàng)目信息見表3。通過分析發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)跨季節(jié)蓄熱系統(tǒng)以太陽能作為主要熱源，占比達(dá)92.7%，對于生物質(zhì)能和工業(yè)余熱利用較少，二者占比僅為5.45%。主要熱源分布如圖2所示。由圖2可知，傳統(tǒng)顯熱跨季節(jié)蓄熱傾向于使用太陽能，潛熱及熱化學(xué)跨季節(jié)蓄熱系統(tǒng)亦是如此。

太陽能作為清潔能源，雖能夠?qū)崿F(xiàn)跨季節(jié)蓄熱的目標(biāo)，但在實(shí)際應(yīng)用中也存在著熱源不穩(wěn)定、應(yīng)用場地限制、投資運(yùn)營及維護(hù)成本高等局限性［7-9，28］。

為利用工業(yè)余熱及其他形式熱源，學(xué)者進(jìn)行了大量研究。到2050年，我國預(yù)計(jì)將有39億GJ的余熱量［29］。如果能夠充分利用余熱供給特性穩(wěn)定、價(jià)格低等特點(diǎn)，掌握余熱準(zhǔn)確的數(shù)量、溫度，促進(jìn)四散分布的余熱資源統(tǒng)籌應(yīng)用，發(fā)展跨季節(jié)蓄熱會(huì)帶來可觀的節(jié)能和經(jīng)濟(jì)效益。

2.3 蓄熱容積及考慮因素

目前，跨季節(jié)蓄熱項(xiàng)目應(yīng)用主要集中在我國和德國、丹麥等歐洲國家。在顯熱蓄熱技術(shù)中，蓄熱體容積逐漸擴(kuò)大，含水層蓄熱與地埋管蓄熱的蓄熱容積集中在1 500～20萬m3，蓄熱最高溫度在70 ℃，

而罐式蓄熱與坑式蓄熱最高可以達(dá)90 ℃以上。在實(shí)際工程應(yīng)用中，容積超過10萬m3的人為構(gòu)造蓄熱體的項(xiàng)目較少，現(xiàn)存最大規(guī)模為2016年丹麥Vojens建設(shè)的20萬m3坑式蓄熱體［30-32］，其建設(shè)成本約為235元/m3，并且丹麥預(yù)計(jì)建造超過100萬m3的超大容積坑式蓄熱體［33］。

丹麥地理?xiàng)l件復(fù)雜，冬季和夏季能源需求差異明顯，其氣候常年平均氣溫在8 ℃，采暖期近8個(gè)月。而我國西藏、內(nèi)蒙古等地區(qū)的氣候、區(qū)域面積占比等條件與丹麥總體相差不大，發(fā)展區(qū)域供暖所面臨的部分障礙和困難也是類似的，因此，未來在我國實(shí)現(xiàn)大規(guī)?？邮叫顭峁┡到y(tǒng)是可行的。

通過對跨季節(jié)蓄熱技術(shù)進(jìn)行相關(guān)對比發(fā)現(xiàn)，在提高跨季節(jié)蓄熱供暖技術(shù)的適用時(shí)，需要從以下兩個(gè)方面考慮：首先，應(yīng)根據(jù)各地的氣候條件、采暖面積及區(qū)域面積等其他情況采用合適的跨季節(jié)蓄熱技術(shù)，并盡量擴(kuò)大使用規(guī)模。例如，我國華東地區(qū)人口密度相對西部較高，土地資源占比較少；南部地區(qū)和北部區(qū)域相比，氣候差異較大。因此，在我國偏西部區(qū)域，可以將坑式跨季節(jié)蓄熱系統(tǒng)作為冬季供暖的主要方式；在東部及其他夏熱冬冷區(qū)域，優(yōu)先選用地埋管跨季節(jié)蓄熱系統(tǒng)。其次，跨季節(jié)蓄熱的首次建造及使用需要大量資金投入，因此，選用大容積蓄熱體裝置，減少有關(guān)設(shè)備與材料的生產(chǎn)成本，進(jìn)而減少單位供暖面積的投資，是提高其經(jīng)濟(jì)性的關(guān)鍵。

3 結(jié)論

本研究通過梳理國內(nèi)外顯熱跨季節(jié)蓄熱、潛熱跨季節(jié)蓄熱與熱化學(xué)跨季節(jié)蓄熱發(fā)展現(xiàn)狀，對跨季節(jié)蓄熱的原理及分類、蓄熱介質(zhì)材料、熱源、蓄熱體容積等方面進(jìn)行分析，得出以下結(jié)論。

①國內(nèi)外跨季節(jié)蓄熱項(xiàng)目數(shù)量及規(guī)模逐漸擴(kuò)大，其中潛熱和熱化學(xué)蓄熱技術(shù)的研究及應(yīng)用較顯熱跨季節(jié)蓄熱仍不足。

②傳統(tǒng)跨季節(jié)蓄熱系統(tǒng)以太陽能作為主要熱源，而對于生物質(zhì)能和工業(yè)余熱利用較少。

③復(fù)合型蓄熱材料（合金、多元熔鹽）的熱穩(wěn)定性、熔點(diǎn)、相變潛熱等熱物性較單一材料優(yōu)越。

④未來我國西藏、內(nèi)蒙古等地區(qū)可以參照丹麥的大容積跨季節(jié)坑式蓄熱體進(jìn)行采暖季供暖。

⑤通過考慮各地氣候、采暖面積等提高跨季節(jié)蓄熱供暖系統(tǒng)的實(shí)用性時(shí)，盡量擴(kuò)大使用規(guī)模。

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