摘要：“双碳”目标下，热电、化工、能源等高能耗类企业都将面临着巨大的挑战。储热材料直接影响着换热体系的效率和成本。因此，选择合适的相变温度、合适的储热密度，并合理考虑经济性，是相变储热技术进一步发展需要综合考虑的问题。结合实际，着重介绍了高温相变储热设备与空气源热泵的结合应用，利用峰平谷电价，计算在不同室外温度和不同空气源热泵平均性能系数下的设备运行成本，提出一种经济节能的供热运行方式。高温相变储热设备具有占地小、储热高、放热均匀等特点，在热能储存、余热回收和供热领域具有广阔的市场空间和应用前景。相变储热过程中释放潜热温度不变，因此供热平滑稳定，在市场应用中有着独特的定位。相比于常规的显热储能材料，高温相变储热材料释放的潜热更加稳定平滑，更能对极端的工艺放热进行有益补充。
随着中国“双碳”政策的落地，为了缓解能源短缺、资源枯竭、环境污染等种种问题，高温相变储热技术逐步走进企业的视野。与可再生能源的利用相比，高温相变储热技术具有传热系数高、更适合于大规模集中供热等特点，在提高能源使用效率的同时，其储热参数更加稳定，相对于可再生能源发电呈现的间歇性特点而言，高温相变储热技术在能量持续供给上表现更加稳定突出，在谷电时充热，在尖峰、高峰时放热，能快速地实现容量上的缓冲，平稳输出电力，提高能源利用效率。在塔式太阳能发电站中增加储热装置，可将能源年利用率由原本的25%提高到65%，并且无需燃料作为储备能源。然而，由于高温相变储热设备的初始建设成本过高，相变储热介质的性能会直接决定整个相变储热体系的性能和成本。现有大量资料表明，相变储热材料需要在特定的温度下才能进行稳定的相变。通过调整相变储热材料各组分的配比，使材料在指定的温度下释放和吸收潜热，完成高温相变储热设备与生产工艺的精准结合。因此，只有将生产工艺与相变储热材料配比进行精准结合，才能保证高温相变储热设备供热的精准性以及电网峰谷的平滑。本文通过对相关文献的整理和对实地项目的观察分析研究，总结了高温相变储热材料在生产中独特的定位，分析了高温相变储热所产生的经济效益和节能方向的优势，为今后高温相变储热技术的开发与应用提供准确可靠的实验数据。
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高温相变储热材料应用现状
高温相变储热材料通常以高温熔盐、金属合金及有机物为主。通常为了保证高温相变储热材料的稳定性，工作人员会加入大量的高温熔盐进行复配对比调制。在具体的调配中，工作人员一般会选择在某个固定温度段进行多种复合物的配比。根据国外高温熔盐研究成果来看，更多的是在可再生能源发电等公益项目的需求下，对3～9种复合熔盐进行混合调制。意大利和西班牙的诸多可再生能源发电站，普遍利用高温熔盐作为电站的储热材料，例如，意大利国家电力集团在西西里岛建成了世界上首座完全使用熔盐作为储热介质的太阳能光热发电站。从热性能和物理性能方面的综合要求来看，高温相变储热材料的储能效果主要依赖于应用的具体材料，采用多种复合熔盐进行调制，精准把控温度，这样才能使高温相变储能设备在工业生产中得到更加精准的应用。
应用复合熔盐的优势是通过多种配比调制，精准控制温度，配合工艺升温降温，以保证整个工艺的稳定性，尤其是可以实现热量的平滑输出，弥补可再生能源发电受天气及气候影响出现的较大波动。因此，高温相变储热设备更应具有热量平滑稳定的持续输出能力。例如，在供热上，当管线发生泄漏、应急性破裂时，仍然需要热能持续且平滑稳定地输出，以维持水温的恒定，并且通过对热损的精准计算，判断管道本身的使用寿命及破损情况。因此选择精准且稳定的相变材料是高温相变储能设备的第一要求。
文献[5]介绍的高温相变储热与中低温相变储热相比，对熔盐稳定性的要求更加严格。在分子动力学上，要尽可能地选择凝固和融化时过冷度小、融化过程中无饱和特征、相变过程中结晶快速的熔盐，并且还要充分考虑熔盐的pH值、多种材料的相容性等等，使熔盐的相变过程保持稳定，达到最佳的理化性能。只有这样，才能降低储存熔盐容器的制造成本，使高温相变储热设备具有更佳的经济性，且熔盐也符合无毒、无污染以及使用安全、可靠、绿色等要求。
对于熔盐调制原料，需要考虑原料本身的稳定性。商用的高温熔盐一般指的是一些硝酸盐、氯化盐、碳酸盐以及它们的结晶体或共晶体。通常会选择热稳定性高、比热容高、使用温度高、对流传热系数高、黏度低、饱和蒸气压低、价格低的材料。一般不会选择将锂盐作为高温相变熔盐材料。实际中还会选择多种无机盐的混合熔盐。混合熔盐的优势更多地表现在适用温度范围更广，可以在较低的融化温度下进行高能量密度储能。混合熔盐的应用中，不仅可以将价格较高的原料和价格较低的原料混合使用，保证熔盐具有较好的经济性，还可以保持熔盐热容量的恒定。
当前，高温相变储能材料仍以高温熔盐为主，由于金属合金本身造价较高，很少使用金属合金。金属合金的特点是工作温度高、蒸气压低，需要克服热导系数低和固液分层等重重问题。虽然它具有热容量大的优点，但由于其高昂的成本，很难被选择使用。核电站的核反应堆会采用钠钾合金作为导热剂。由于其较高的导热系数和较低的密度，钠钾合金可以有效地将热量从核反应堆中输送到冷却器，使核反应堆的温度得到较好的控制。金属合金的导热系数，是其他相变储热材料导热系数的几十倍甚至几百倍。由于这一特点，金属合金在独特的领域具有性能优势，在高温相变储热方面具有独特优势。例如，铝基合金具有相变温度合适、腐蚀性低等特点，在高温相变储热材料中拥有良好的应用前景。
中科院广州能源所邹向等[的较早研究中，率先进行了铝硅合金的储热性能和循环稳定性研究。结果表明，Al-13Si合金经过720次热循环后，其相变潜热才会下降10.5%。相变温度基本不变，对铝硅合金结构状态的影响并不大，同时铝硅合金具有较高的稳定性。华中科技大学黄志光教授等的研究表明，铝硅镁合金储热能力最好，铝硅铜合金使用寿命最长，而综合性能最佳的依然是铝硅合金。
合金和高温熔盐由于不同的理化特征，只能在有限的范围内合理使用。由于核电工艺的开发，合金的储能特征愈发趋于完善。高温熔盐所具有的导热系数影响系统储热放热的特征，以及高温熔盐的热物性强化，都需要得到进一步研究，这是高温熔盐相变储热材料发展的关键所在。
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高温相变储热设备技术优势
高温相变储热具体的技术特征是能平滑稳定输出热能，在温度恒定的状态下能保持热量的充分释放，并且对于急剧的工艺波动变化温控稳定。在确定工艺用热的温度波动区间后，匹配相应的熔盐温控区间，当熔盐温度低于工艺用热区间，熔盐吸热相变；当熔盐温度高于工艺用热区间，熔盐释放热量，以保证整个系统与生产工艺对接的稳定。高温相变储热设备通常采用稳定的高温熔盐或金属合金。金属合金相变材料通常应用于核电工艺中，因此在熔盐易获得的情况下，通常使用复合熔盐。高温相变储热设备通过空气源热泵输出热量的工况变化自动控制熔盐吸热和放热，以完成温控的调整，保证供热过程中热量均匀平滑输出。
空气源热泵的制热效果随着室外温度的变化而发生改变，尤其在冬季极寒天气时，空气源热泵的结霜现象造成热泵制热效果极大下降，热泵只能通过增加压缩机做功来满足供热的用热需求，这将使得热泵供热的经济性大幅下降。而高温相变储热设备可以弥补空气源热泵在极寒天气下额定工况运行时制热能力不足的部分，通过设定出水温度，精准调控复合熔盐的配比，使高温相变储热设备自动参与温度调节，实现供热的平滑稳定输出。
相比于常规的空气源热泵供热，高温相变储热设备具有更加稳定的技术优势，通过对输出热量的监控，可以更好地监控整个供热体系的热量损失，可以对供热过程中管道的异常泄漏点进行精准监控，对大规模的热量损耗能及时上传上报，有利于获得第一手数据，更加容易实现冬季管道供热体系的运维。相比于常规的利用天然气等化石能源的热能补充，高温相变储热技术具有供热灵活、能耗小等特征，通过热能的传递和反馈，呈现供热效率高、能量损耗少等特点。因此，可以高效推进高温相变储热技术在供热管道泄漏等紧急事故中的应急应用，对于实时的异常热量损失，可进行分管道分工段监控，在冬季更加容易定位管道的泄漏点、保温异常点，便于整个供暖供热过程的全程全天候监控。
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高温相变储热技术在供热领域的生产效益
中国北方的供热方式为“集中供暖”。这种方式下，有供热需求的部分乡村未被供热管网覆盖，导致供热循环水无法输送。随着每年供热负荷的增大、煤炭指标的逐年递减，热电厂供热能力面临巨大的挑战，供热缺口的填补、冬季工业供汽的稳定等都是当前急需解决的热点问题。而高温相变储热设备体积小、储热高，可实现分布式供热，可以很好地填补供热缺口，满足供热需求，缓解热电厂供热负荷紧张的局面，保证供热、供汽的稳定。
在“双碳”目标以及节能减排的大环境下，清洁能源供热越来越被社会各界所重视和接受，中国许多地区除采用传统的燃煤供热外，已开始应用空气源热泵技术进行供热。空气源热泵以其较高的制热效率、分布式供热的灵活特性，在供热领域发挥着极其重要的作用。但是，由于尖峰、高峰电价较高，且空气源热泵的制热效率随室外温度的降低而降低，仅仅依靠空气源热泵进行供热的经济性仍然较低。因此，可以将高温相变储热设备与空气源热泵相结合进行供热，使供热的经济性得到进一步提升。
3.1基于峰谷平电价的供热成本分析
以2021年12月威海热电集团有限公司冬季空气源热泵供热为例进行分析。威海市文登区界石镇供热面积9.2×104m2，2021年12月平均供热量34W/m2，空气源热泵平均性能系数（CoefficientofPerformance，COP）=2.12。
3.1.1空气源热泵供热
空气源热泵每小时耗电功率PK的计算：
式中：S为供热面积的数值，单位m2；Q为平均供热指标的数值，单位W/m2；Cop为空气源热泵性能系数。通过计算得出，威海市文登区界石镇空气源热泵耗电功率为1476kW，根据表1代理购电价格，2021年12月空气源热泵耗电成本约为7.9×105元。
表1 2021-12-01—31国网山东省电力公司代理购电价格
3.1.2空气源热泵与高温相变储热设备联合运行
高温相变储热设备与空气源热泵的联合运行较为灵活，是经济性好的联合运行方式。用储热设备替代空气源热泵在用电尖峰、高峰、平时段运行，并进行每种运行方式的经济分析。
a)方案一。高温相变储热设备低谷时段蓄热储能，用电尖峰、高峰、平时段放热，此时空气源热泵只需在低谷时段运行即可。
高温相变储热设备每小时储热耗电功率PC的计算：
式中：t1为放热时长的数值，单位h；t2为储热时长的数值，单位h；η为高温相变储热设备电-热转换效率。
通过式(2)计算得出，该方式高温相变储热设备每小时储热的耗电功率为5431kW。根据表1代理购电价格，2021年12月高温相变储热设备耗电成本为6.3×105元。而空气源热泵耗电功率为1476kW，仅在低谷时段运行，2021年12月空气源热泵耗电成本为1.7×105元。
因此，2021年12月方案一总耗电成本8.0×105元。
b)方案二。高温相变储热设备低谷时段蓄热储能，用电尖峰、高峰时段放热，此时空气源热泵在低谷、平时段运行。
通过式(2)计算得出，该方式高温相变储热设备每小时储热的耗电功率为3128kW。根据表1代理购电价格，2021年12月高温相变储热设备耗电成本为3.6×105元，空气源热泵耗电成本为3.6×105元。
因此，2021年12月方案二总耗电成本7.2×105元。
3.2机组应用方式比较
通过上述计算，只采用空气源热泵供热，2021年12月总耗电成本为7.9×105元，而采用高温相变储热设备与空气源热泵联合运行的方式，按方案一运行2021年12月总耗电成本为8.0×105元，按方案二运行2021年12月总耗电成本为7.2×105元。因此，方案二的运行方式是最经济的，即储热设备替代热泵尖峰、高峰用电时段耗电，总耗电成本相比单纯空气源热泵供热节约0.7×105元。
3.3空气源热泵COP对供热经济性的影响分析
空气源热泵采用逆卡诺循环原理，制热效率较高，应用场景限制较少，因而被应用于绝大多数地区。但其制热效率随室外空气温度的降低而降低以及在寒冷天气结霜的特性，是影响空气源热泵制热效率的关键因素。在空气源热泵COP下降时，如果没有其他热源补充调峰，供热的平稳性与成本会受到极大的影响。因此，在高温相变储热设备与空气源热泵的联合运行中，储热设备的介入节点尤为重要。通过计算，分析空气源热泵COP变化对系统运行成本的影响（见表2），找出储热设备较佳的介入节点。
表2空气源热泵COP变化对系统运行成本的影响
根据表2空气源热泵COP变化对系统运行成本的影响可知：a)当空气源热泵COP≥2.5时，使用空气源热泵全天供热所用耗电成本最低；b)当空气源热泵COP<2.5时，使用高温相变储热设备与空气源热泵联合运行供热所用耗电成本最低。
通过上述结论，不难看出，当空气源热泵COP<2.5时，就需要介入高温相变储热设备。但上述计算是以2021年12月的平均供热量34W/m2为标准。在实际运行中，室外温度随时发生变化，每平方米供热量也随着室外温度的变化而变化，因此需要根据室外实际温度调整空气源热泵与储热设备的联合运行。
3.4室外温度变化对供热经济性的影响分析
空气源热泵COP随室外温度波动而发生明显变化。在室外温度较高时，其COP可达3～4，在室外温度较低时，其COP可降至1.5～2.0。因此，高温相变储热设备与空气源热泵的联合运行，必须根据室外温度以及空气源热泵COP进行调整。取几个典型温度进行计算。
根据室外温度计算供热每小时的实际热量需求Q实：
式中：Q设计为建筑设计热负荷的数值，按节能建筑40W/m2取值；tn为室内设计温度的数值，取22℃；tw为采暖期室外温度的数值，单位℃；twj为采暖期室外计算温度的数值，取-5.6℃。
不同的室外温度对应的实际热量需求如表3所示。
表3不同的室外温度对应的实际热量需求
根据表3，使用式(1)和式(2)计算出因室外温度的不同，仅空气源热泵供热和高温相变储热设备与空气源热泵联合运行的耗电成本。不同室外温度的耗电成本如表4所示。
表4不同室外温度的耗电成本
根据表4不同室外温度的耗电成本可知：a)无论室外温度如何变化，当空气源热泵COP<2.5时，空气源热泵与高温相变储热设备联合运行，耗电成本最低；b)无论室外温度如何变化，当空气源热泵COP≥2.5时，仅使用空气源热泵供热耗电成本最低。
上述计算是不同室外温度在固定的空气源热泵COP工况下的对比，但根据实际运行情况，当供热量为40W/m2时，室外温度低于7℃，空气源热泵COP一般小于2.5。因此，高温相变储热设备和空气源热泵的联合运行一定要进行设备的智能控制，根据室外实际温度和空气源热泵COP的综合情况，调整高温相变储热设备的介入节点及运行时长。
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高温相变储热设备的填谷能力
目前，随着光伏发电和风力发电等清洁能源的大量发展，电网消纳能力问题成为用电供需的问题之一[9]。中午时段，光伏发电量大，而用户用电量小，极易造成弃光弃电；夜晚时段，尤其在冬季供暖期，晚上风力较大，风力发电量大，而用户用电量小，同样极易造成弃风弃电。高温相变储热设备仅在每天低谷电价时段充电储热，因此可以消纳大量的过剩谷电。高温相变储热设备与空气源热泵联合运行，每天可消纳的低谷电量如表5所示。
表5高温相变储热设备可消纳的低谷电量
根据表5高温相变储热设备可消纳的低谷电量可知，当空气源热泵COP不变时，室外温度越低，高温相变储热设备每天消纳的低谷电量越多。
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结束语
高温相变储热技术不但在供暖供热、节能减排等方面具有优势，而且在工艺稳定性控制上也有着独特的优势。在工艺恒定、温度恒定的状态下，对温度的精准控制能更加高效地保证高温相变储热设备在实际应用中与生产工艺的精准结合，在降低能耗的同时，提高生产的经济性。虽然在高温相变储热技术路线上，工艺段早已有了成熟的应用，但高温相变材料的理化性能仍是制约高温相变储热技术发展的重要瓶颈，开发成本更低、高温相变理化性能更优良的高温相变材料是高温相变储热技术重要的研究方向之一。对高温相变储热简易技术路线进行总结，希望可以通过初步应用和进一步延伸开发，将高温相变储热技术的优势进行充分扩展，保证高温相变储热技术在未来得到进一步发展。
本文转自《能源与节能》。
作者简介：凌宇，硕士，工程师，主要从事清洁能源供暖、储能、节能改造、余热回收等方面的工作。
