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[交流] 上海交大王如竹教授团队综述热泵-相变储热耦合技术已有1人参与

上海交大王如竹教授团队综述热泵-相变储热耦合技术
2024年09月11日责任编辑：陈淼卢倩
近日，上海交大机械与动力工程学院制冷与低温工程研究所王如竹教授团队在Energy & Environmental Science上发表题为“Heat pump integrated with latent heat energy storage”的综述论文。该论文探讨了热泵-相变储热耦合技术在电网调峰及灵活匹配用户热能需求中的应用潜力，全面总结了热泵和相变储热的耦合意义与双边优势，重点归纳了其耦合原理和多样化的技术路径，并介绍了该技术的最新研究进展和面临的挑战。论文的第一作者为制冷与低温工程研究所博士后谢宝珊，通讯作者为王如竹教授。

王如竹1.png

全球范围内，大规模热能存储是解决可再生能源电力间歇性、转移电力负荷峰值、以及匹配能源供需的有效技术。供暖和供冷占据了全球终端总能耗约50%。传统电加热和储热的结合在一定程度上可满足供暖需求，然而，在热能转化、储存、利用过程中，由于不可逆损失等因素，会造成热能质量和数量下降。如何优化热能利用并提高转化效率成为亟待解决的难点。

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热泵制热-相变储热-终端用户用热的温度匹配

将热泵与带有相变材料（PCM）的潜热储热装置相结合，构建热泵-相变储热热力循环系统，可实现热能增量提质、灵活调控、梯级利用，这一技术的突破将为全球能源系统的优化提供新的解决方案。耦合系统通过将电能转化为热能，在低谷电价时存储、用电高峰时释放，灵活匹配用户热负荷供需、降低电费成本、提高电网安全性。另一方面，由于不同用户的热利用需求存在低温、中温、高温的差异，热泵根据需求调节输出温度，与相变材料相结合，确保不同温度需求的高效匹配。然而，两者之间如何实现匹配这一主要难点亟需通过新技术的突破来克服。

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热泵-相变储热耦合技术的双边优势

本文总结了热泵和相变储热的双边优势，强调该技术的指导意义。从储热角度出发，热泵提升电-热转化和存储过程中的热能品位（质量）和热能总量（数量），促进热能梯级利用；从热泵角度出发，潜热存储提高热泵制热效率、维持热泵高效稳定运行、降低热泵用电成本。该系统有望在全球范围内实现推广应用，进一步推动全球能源体系的可持续发展。

本文系统归纳了热泵-储热的耦合原理和耦合方式、以经济成本和能量效率为主的性能评价指标，含材料参数、结构参数、运行参数在内的影响因素。在应用温度方面，目前热泵耦合相变储热技术主要集中于中低温相变储热 (<70 °C)；在成本方面，部分无机类相变材料（>9 kJ/€）拥有比有机类相变材料（<2 kJ/€）相对较高的单位价格储能密度。为解决相变材料导热系数低（0.1-0.7 W m-1 K-1）的问题，目前研究集中于从微观层面添加高导热粒子，或从宏观层面优化储-换热装置结构以强化传热换热等。

本文最后介绍了相变储热和热泵耦合系统的最新研究和应用进展。通过优化热转化与储存过程，减少能量损失，未来热泵-相变储热系统不仅能为用户提供更为经济和高效的能源解决方案，还将显著提升其与可再生能源电网的兼容性。该技术有望在大规模热能存储、空间供暖与供冷、工业蒸汽生产等领域得到广泛应用，为全球能源转型带来新的动力。该技术也面临如何进一步优化热转化与储存过程，减少热力学不可逆损失，以及如何在大规模应用中实现分时电价机制下经济性和高效率平衡等问题。这些问题的解决将有助于推动该技术的推广应用。

论文链接：https://doi.org/10.1039/D4EE02350A

作者：制冷与低温工程研究所
供稿单位：机械与动力工程学院

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