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近日，制冷與低溫工程研究所王如竹教授團(tuán)隊(duì)在Energy & Environmental Science上發(fā)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(chǔ)熱耦合技術(shù)在電網(wǎng)調(diào)峰及靈活匹配用戶熱能需求中的應(yīng)用潛力，全面總結(jié)了熱泵和相變儲(chǔ)熱的耦合意義與雙邊優(yōu)勢(shì)，重點(diǎn)歸納了其耦合原理和多樣化的技術(shù)路徑，并介紹了該技術(shù)的最新研究進(jìn)展和面臨的挑戰(zhàn)。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(nèi)，大規(guī)模熱能存儲(chǔ)是解決可再生能源電力間歇性、轉(zhuǎn)移電力負(fù)荷峰值、以及匹配能源供需的有效技術(shù)。供暖和供冷占據(jù)了全球終端總能耗約50%。傳統(tǒng)電加熱和儲(chǔ)熱的結(jié)合在一定程度上可滿足供暖需求，然而，在熱能轉(zhuǎn)化、儲(chǔ)存、利用過程中，由于不可逆損失等因素，會(huì)造成熱能質(zhì)量和數(shù)量下降。如何優(yōu)化熱能利用并提高轉(zhuǎn)化效率成為亟待解決的難點(diǎn)。
熱泵制熱-相變儲(chǔ)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(chǔ)熱裝置相結(jié)合，構(gòu)建熱泵-相變儲(chǔ)熱熱力循環(huán)系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)熱能增量提質(zhì)、靈活調(diào)控、梯級(jí)利用，這一技術(shù)的突破將為全球能源系統(tǒng)的優(yōu)化提供新的解決方案。耦合系統(tǒng)通過將電能轉(zhuǎn)化為熱能，在低谷電價(jià)時(shí)存儲(chǔ)、用電高峰時(shí)釋放，靈活匹配用戶熱負(fù)荷供需、降低電費(fèi)成本、提高電網(wǎng)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(jù)需求調(diào)節(jié)輸出溫度，與相變材料相結(jié)合，確保不同溫度需求的高效匹配。然而，兩者之間如何實(shí)現(xiàn)匹配這一主要難點(diǎn)亟需通過新技術(shù)的突破來(lái)克服。
熱泵-相變儲(chǔ)熱耦合技術(shù)的雙邊優(yōu)勢(shì)
本文總結(jié)了熱泵和相變儲(chǔ)熱的雙邊優(yōu)勢(shì)，強(qiáng)調(diào)該技術(shù)的指導(dǎo)意義。從儲(chǔ)熱角度出發(fā)，熱泵提升電-熱轉(zhuǎn)化和存儲(chǔ)過程中的熱能品位（質(zhì)量）和熱能總量（數(shù)量），促進(jìn)熱能梯級(jí)利用；從熱泵角度出發(fā)，潛熱存儲(chǔ)提高熱泵制熱效率、維持熱泵高效穩(wěn)定運(yùn)行、降低熱泵用電成本。該系統(tǒng)有望在全球范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)推廣應(yīng)用，進(jìn)一步推動(dòng)全球能源體系的可持續(xù)發(fā)展。
本文系統(tǒng)歸納了熱泵-儲(chǔ)熱的耦合原理和耦合方式，以經(jīng)濟(jì)成本和能量效率為主的性能評(píng)價(jià)指標(biāo)，含材料參數(shù)、結(jié)構(gòu)參數(shù)、運(yùn)行參數(shù)在內(nèi)的影響因素。在應(yīng)用溫度方面，目前熱泵耦合相變儲(chǔ)熱技術(shù)主要集中于中低溫相變儲(chǔ)熱 (<70 °C)；在成本方面，部分無(wú)機(jī)類相變材料（>9 kJ/€）擁有比有機(jī)類相變材料（<2 kJ/€）相對(duì)較高的單位價(jià)格儲(chǔ)能密度。為解決相變材料導(dǎo)熱系數(shù)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(dǎo)熱粒子，或從宏觀層面優(yōu)化儲(chǔ)-換熱裝置結(jié)構(gòu)以強(qiáng)化傳熱換熱等。
本文最后介紹了相變儲(chǔ)熱和熱泵耦合系統(tǒng)的最新研究和應(yīng)用進(jìn)展。通過優(yōu)化熱轉(zhuǎn)化與儲(chǔ)存過程，減少能量損失，未來(lái)熱泵-相變儲(chǔ)熱系統(tǒng)不僅能為用戶提供更為經(jīng)濟(jì)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(wǎng)的兼容性。該技術(shù)有望在大規(guī)模熱能存儲(chǔ)、空間供暖與供冷、工業(yè)蒸汽生產(chǎn)等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，為全球能源轉(zhuǎn)型帶來(lái)新的動(dòng)力。該技術(shù)也面臨如何進(jìn)一步優(yōu)化熱轉(zhuǎn)化與儲(chǔ)存過程，減少熱力學(xué)不可逆損失，以及如何在大規(guī)模應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)分時(shí)電價(jià)機(jī)制下經(jīng)濟(jì)性和高效率平衡等問題。這些問題的解決將有助于推動(dòng)該技術(shù)的推廣應(yīng)用。
論文鏈接：https://doi.org/10.1039/D4EE02350A
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