【儀表網 研發快訊】近日，上海交大機械與動力工程學院制冷與低溫工程研究所王如竹教授團隊在Energy & Environmental Science上發表題為“Heat pump integrated with latent heat energy storage”的綜述論文。該論文探討了熱泵-相變儲熱耦合技術在電網調峰及靈活匹配用戶熱能需求中的應用潛力，全面總結了熱泵和相變儲熱的耦合意義與雙邊優勢，重點歸納了其耦合原理和多樣化的技術路徑，并介紹了該技術的最新研究進展和面臨的挑戰。論文的第一作者為制冷與低溫工程研究所博士后謝寶珊，通訊作者為王如竹教授。
全球范圍內，大規模熱能存儲是解決可再生能源電力間歇性、轉移電力負荷峰值、以及匹配能源供需的有效技術。供暖和供冷占據了全球終端總能耗約50%。傳統電加熱和儲熱的結合在一定程度上可滿足供暖需求，然而，在熱能轉化、儲存、利用過程中，由于不可逆損失等因素，會造成熱能質量和數量下降。如何優化熱能利用并提高轉化效率成為亟待解決的難點。
熱泵制熱-相變儲熱-終端用戶用熱的溫度匹配
將熱泵與帶有相變材料(PCM)的潛熱儲熱裝置相結合，構建熱泵-相變儲熱熱力循環系統，可實現熱能增量提質、靈活調控、梯級利用，這一技術的突破將為全球能源系統的優化提供新的解決方案。耦合系統通過將電能轉化為熱能，在低谷電價時存儲、用電高峰時釋放，靈活匹配用戶熱負荷供需、降低電費成本、提高電網安全性。另一方面，由于不同用戶的熱利用需求存在低溫、中溫、高溫的差異，熱泵根據需求調節輸出溫度，與相變材料相結合，確保不同溫度需求的高效匹配。然而，兩者之間如何實現匹配這一主要難點亟需通過新技術的突破來克服。
熱泵-相變儲熱耦合技術的雙邊優勢
本文總結了熱泵和相變儲熱的雙邊優勢，強調該技術的指導意義。從儲熱角度出發，熱泵提升電-熱轉化和存儲過程中的熱能品位(質量)和熱能總量(數量)，促進熱能梯級利用；從熱泵角度出發，潛熱存儲提高熱泵制熱效率、維持熱泵高效穩定運行、降低熱泵用電成本。該系統有望在全球范圍內實現推廣應用，進一步推動全球能源體系的可持續發展。
本文系統歸納了熱泵-儲熱的耦合原理和耦合方式、以經濟成本和能量效率為主的性能評價指標，含材料參數、結構參數、運行參數在內的影響因素。在應用溫度方面，目前熱泵耦合相變儲熱技術主要集中于中低溫相變儲熱 (<70 °C)；在成本方面，部分無機類相變材料(>9 kJ/€)擁有比有機類相變材料(<2 kJ/€)相對較高的單位價格儲能密度。為解決相變材料導熱系數低(0.1-0.7 W m-1 K-1)的問題，目前研究集中于從微觀層面添加高導熱粒子，或從宏觀層面優化儲-換熱裝置結構以強化傳熱換熱等。
本文最后介紹了相變儲熱和熱泵耦合系統的最新研究和應用進展。通過優化熱轉化與儲存過程，減少能量損失，未來熱泵-相變儲熱系統不僅能為用戶提供更為經濟和高效的能源解決方案，還將顯著提升其與可再生能源電網的兼容性。該技術有望在大規模熱能存儲、空間供暖與供冷、工業蒸汽生產等領域得到廣泛應用，為全球能源轉型帶來新的動力。該技術也面臨如何進一步優化熱轉化與儲存過程，減少熱力學不可逆損失，以及如何在大規模應用中實現分時電價機制下經濟性和高效率平衡等問題。這些問題的解決將有助于推動該技術的推廣應用。
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