近日，上海交通大學(xué)制冷與低溫工程研究所王如竹教授ITEWA創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)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(zhǔn)兩級(jí)熱泵耦合的中間儲(chǔ)熱方案，使單一相變儲(chǔ)熱裝置同時(shí)實(shí)現(xiàn)冬季儲(chǔ)熱與夏季儲(chǔ)冷。研究結(jié)果表明了該系統(tǒng)在全球范圍內(nèi)的規(guī)模化應(yīng)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(jiǎn)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(nèi)溫度調(diào)節(jié)也因此成為必然之舉。據(jù)統(tǒng)計(jì)，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(dāng)下，將相變儲(chǔ)熱技術(shù)與熱泵相結(jié)合的研究，正持續(xù)受到關(guān)注。然而，現(xiàn)有方法在試圖同時(shí)滿足供熱和制冷雙重要求時(shí)，往往不得不聯(lián)用多個(gè)定制化的儲(chǔ)能裝置。這不僅會(huì)加重經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)，還會(huì)在大規(guī)模應(yīng)用中，因材料定制問題而遭遇阻礙，限制了該技術(shù)的廣泛推廣。

　　【論文簡(jiǎn)介】

　　該文提出了一種用于雙季節(jié)使用的中間相變儲(chǔ)熱解決方案。結(jié)合雙效能準(zhǔn)兩級(jí)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(shí)作為冬季儲(chǔ)熱與夏季儲(chǔ)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(shù)據(jù)庫(kù)。針對(duì)全球有季節(jié)性供熱和制冷需求的地區(qū)，該文為 51 個(gè)國(guó)家/地區(qū)和 95 個(gè)省/州/自治區(qū)選擇了具有顯著優(yōu)勢(shì)的中間相變儲(chǔ)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(shì)。在阿肯色州、北京、明尼蘇達(dá)州和上海，通過部署該系統(tǒng)，以需求為導(dǎo)向的能源供應(yīng)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(shù)提高了 11.73% 至 21.99%，與單獨(dú)的儲(chǔ)熱與儲(chǔ)冷系統(tǒng)相比，年性能系數(shù)提高了 51.31%。這種集成系統(tǒng)克服了成本障礙，同時(shí)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(yīng)能力。

圖1 現(xiàn)有的季節(jié)性供暖和供冷方法以及相應(yīng)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(chǔ)熱與雙效準(zhǔn)兩級(jí)熱泵耦合思路

　　簡(jiǎn)化系統(tǒng)配置并增強(qiáng)其多功能性是推動(dòng)熱泵與熱能儲(chǔ)存耦合系統(tǒng)朝著季節(jié)性熱能供應(yīng)方向發(fā)展的關(guān)鍵要素。實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，需提升熱泵和熱能儲(chǔ)存這兩個(gè)組件的通用性與靈活性。通過深入探究熱能儲(chǔ)存溫度、環(huán)境溫度以及熱能供應(yīng)溫度之間的內(nèi)在關(guān)聯(lián)可以發(fā)現(xiàn)，處于特定相變溫度區(qū)間的相變儲(chǔ)熱材料能夠兼顧冬季儲(chǔ)熱與夏季儲(chǔ)冷的功能。當(dāng)與雙效準(zhǔn)兩級(jí)熱泵集成時(shí)，中間相變儲(chǔ)熱解決方案能夠削弱熱能儲(chǔ)存溫度與熱源溫度、熱能利用溫度之間的溫度關(guān)聯(lián)，進(jìn)而為全球同時(shí)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(shí)際運(yùn)行中，第一級(jí)熱泵在用電低谷期將熱能儲(chǔ)存于中間相變儲(chǔ)熱裝置內(nèi)，第二級(jí)熱泵則在用電高峰期調(diào)節(jié)熱能輸出的功率與溫度，也就是實(shí)現(xiàn)熱能輸出在量與質(zhì)上的調(diào)控，達(dá)成以需求為導(dǎo)向的熱能供應(yīng)模式。這種策略賦予了系統(tǒng)可控的熱能儲(chǔ)存能力與靈活的熱能供應(yīng)能力，有力地推動(dòng)了季節(jié)性熱能供應(yīng)系統(tǒng)的優(yōu)化升級(jí)。由于采用一臺(tái)熱泵單一工質(zhì)雙段溫區(qū)工作，可以實(shí)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(zhǔn)兩級(jí)熱泵耦合的冷熱雙用中間熱能儲(chǔ)存系統(tǒng)運(yùn)行

　　02、評(píng)估中間儲(chǔ)熱系統(tǒng)應(yīng)用潛力工具集

　　該文結(jié)合地理空間工具建立了中間儲(chǔ)熱系統(tǒng)全球可實(shí)施性評(píng)估模型。通過供熱度日數(shù)和冷卻度日數(shù)，對(duì)比每日室外溫度與標(biāo)準(zhǔn)溫度，收集237個(gè)國(guó)家 / 地區(qū)及7個(gè)國(guó)家的下屬區(qū)域的數(shù)據(jù)，確定63個(gè)國(guó)家 / 地區(qū)和112個(gè)下屬區(qū)域?yàn)闈撛谀繕?biāo)區(qū)，主要集中在南北溫帶，包含主要人口密集區(qū)域。針對(duì)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(zhǔn)兩級(jí)熱泵模型、熱泵與儲(chǔ)熱耦合模型評(píng)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(biāo)準(zhǔn)涵蓋相變溫度、熱導(dǎo)率增強(qiáng)程度等。經(jīng)過多層評(píng)估，綜合考量初始投資和年度性能系數(shù)，通過競(jìng)爭(zhēng)分析優(yōu)選出相變儲(chǔ)熱材料。

圖3 評(píng)估中間儲(chǔ)熱系統(tǒng)應(yīng)用潛力工具集

　　03、中間熱能存儲(chǔ)系統(tǒng)的區(qū)域適用性分析

　　通過高通量篩選過程，針對(duì)存在季節(jié)性供熱與制冷需求的51個(gè)國(guó)家/地區(qū)以及95個(gè)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(shì)。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(zhǔn)兩級(jí)熱泵的年度性能系數(shù)。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(shù)可行性、系統(tǒng)實(shí)用性和初始投資成本等關(guān)鍵因素，對(duì)相變材料的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)起著決定性作用。考慮到當(dāng)?shù)貧夂驐l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(chǔ)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(chǔ)存系統(tǒng)的潛在全球部署方案

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

　　以美國(guó)阿肯色州、北京、美國(guó)明尼蘇達(dá)州和上海為案例，對(duì)比熱泵與中間儲(chǔ)熱系統(tǒng)、獨(dú)立熱冷存儲(chǔ)系統(tǒng)及傳統(tǒng)非集成熱泵。獨(dú)立熱冷存儲(chǔ)系統(tǒng)受限于存儲(chǔ)材料固定相變溫度，難以主動(dòng)適應(yīng)負(fù)荷波動(dòng)，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(chǔ)熱功能。中間儲(chǔ)熱系統(tǒng)能在非高峰時(shí)段儲(chǔ)能，第二級(jí)熱泵按需提供熱冷。在四個(gè)地區(qū)，中間儲(chǔ)熱系統(tǒng)日性能系數(shù)（COP）比非集成熱泵分別高 14.86%、18.16%、21.99% 和 11.73%，比獨(dú)立熱冷存儲(chǔ)系統(tǒng)全年分別高 24.6%、31.19%、55.31% 和 33.54% ，冬季優(yōu)勢(shì)更為明顯。分析三種系統(tǒng)在四個(gè)地區(qū)的初始投資成本和年度成本效益，中間儲(chǔ)熱系統(tǒng)準(zhǔn)兩級(jí)熱泵壓比和運(yùn)行功率低，且通過篩選經(jīng)濟(jì)相變材料，初始投資成本比傳統(tǒng)熱泵在多地更低，存儲(chǔ)單元成本也因容量小和材料經(jīng)濟(jì)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(shí)電價(jià)。

圖5 中間儲(chǔ)熱系統(tǒng)與傳統(tǒng)系統(tǒng)的比較分析

　　05、系統(tǒng)的長(zhǎng)期可行性和可持續(xù)性

　　鑒于全球氣候變化加劇，需要進(jìn)一步探究中間儲(chǔ)熱系統(tǒng)長(zhǎng)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(dāng)前氣候條件下，全球范圍內(nèi)最優(yōu)中間儲(chǔ)熱系統(tǒng)年性能系數(shù)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(dá)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(dǎo)致平均冬夏季溫度升高 2℃的情景模擬中，全球年性能系數(shù)僅下降 3%，顯示出該系統(tǒng)具備一定的穩(wěn)定性。面對(duì)極端天氣狀況，當(dāng)夏季平均環(huán)境溫度升高 10℃時(shí)，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(nèi)；而當(dāng)冬季平均環(huán)境溫度降低 10℃時(shí)，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(chǔ)熱系統(tǒng)的年度性能系數(shù)

　　【總 結(jié)】

　　為了解決冬季供暖和夏季制冷地區(qū)熱能儲(chǔ)存和供應(yīng)的難題，作者提出了一種與雙效能準(zhǔn)兩級(jí)熱泵耦合的中間熱能儲(chǔ)存解決方案，采用了適用于全球的儲(chǔ)存溫度為 10.5-22℃的中間相變材料，實(shí)現(xiàn)了能源成本的最佳權(quán)衡。與阿肯色州、北京、明尼蘇達(dá)州和上海的非集成熱泵相比，它的年度性能系數(shù)增益高達(dá) 21.99%。與熱泵相比，前期資本支出預(yù)計(jì)將下降 15.7%-22.8%。盡管分時(shí)電價(jià)各不相同，但在能效和電價(jià)波動(dòng)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(jié)果證明了該系統(tǒng)在全球范圍內(nèi)的規(guī)模化應(yīng)用潛力。此外，這項(xiàng)研究還強(qiáng)調(diào)了該系統(tǒng)在全球氣候變化中的較強(qiáng)適應(yīng)力。總之，該解決方案為實(shí)現(xiàn)全球供暖和制冷普惠提供了一種新方法，促進(jìn)人類獲得更加平等便捷的基本能源服務(wù)。