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上海交大王如竹ITEWA团队EES：中间温度储热技术为冬季储热及夏季储冷提供全球化解决方案

能源学人 · 公众号 · · 2025-01-27 14:44

正文

近日，上海交通大学机械与动力工程学院王如竹ITEWA创新团队在Energy & Environmental Science上发表了题为“Fewer temperature ties: scalable integration and broad selection of phase change materials for both heating and cooling”的研究论文。该论文提出了与双效能准两级热泵耦合的中间储热方案，使单一相变储热装置同时实现冬季储热与夏季储冷。研究结果表明了该系统在全球范围内的规模化应用潜力，首次揭示了全球季节性供暖和制冷策略，并为全球供暖和制冷普惠提供了启示。上海交通大学博士生寇小雪为论文第一作者，上海交通大学王如竹教授为通讯作者。

【背景简介】

在冬夏交替的自然节律里，追求热舒适度是人类的基本诉求，室内温度调节也因此成为必然之举。据统计，全球约三分之一的人口面临冬季取暖和夏季制冷的需求。在大力推行可再生能源战略的当下，将相变储热技术与热泵相结合的研究，正持续受到关注。然而，现有方法在试图同时满足供热和制冷双重要求时，往往不得不联用多个定制化的储能装置。这不仅会加重经济负担，还会在大规模应用中，因材料定制问题而遭遇阻碍，限制了该技术的广泛推广。

【论文简介】

该文提出了一种用于双季节使用的中间相变储热解决方案。结合双效能准两级热泵，相变温度介于环境温度与供能温度之间的相变材料可以同时作为冬季储热与夏季储冷。该文建立了包含相变温度在10-30 ℃区间的90种中间相变材料数据库。针对全球有季节性供热和制冷需求的地区，该文为 51 个国家/地区和 95 个省/州/自治区选择了具有显著优势的中间相变储热材料。通过高通量筛选，研究确定了选用相变温度在 10.5-22 ℃ 之间的材料具有显著优势。在阿肯色州、北京、明尼苏达州和上海，通过部署该系统，以需求为导向的能源供应策略可以得到显著性能提升。与非集成热泵相比，年性能系数提高了 11.73% 至 21.99%，与单独的储热与储冷系统相比，年性能系数提高了 51.31%。这种集成系统克服了成本障碍，同时最大限度地减少了土地占用，并在全球气候变化中表现出很好的适应能力。

图1 现有的季节性供暖和供冷方法以及相应的热力循环温-熵图以及该文提出的解决方案（e）。

【文章解读】

1．中间相变储热与双效准两级热泵耦合思路

简化系统配置并增强其多功能性是推动热泵与热能储存耦合系统朝着季节性热能供应方向发展的关键要素。实现这一目标，需提升热泵和热能储存这两个组件的通用性与灵活性。通过深入探究热能储存温度、环境温度以及热能供应温度之间的内在关联可以发现，处于特定相变温度区间的相变储热材料能够兼顾冬季储热与夏季储冷的功能。当与双效准两级热泵集成时，中间相变储热解决方案能够削弱热能储存温度与热源温度、热能利用温度之间的温度关联，进而为全球同时有供热和制冷需求的地区提供多样化的相变材料选择。在实际运行中，第一级热泵在用电低谷期将热能储存于中间相变储热装置内，第二级热泵则在用电高峰期调节热能输出的功率与温度，也就是实现热能输出在量与质上的调控，达成以需求为导向的热能供应模式。这种策略赋予了系统可控的热能储存能力与灵活的热能供应能力，有力地推动了季节性热能供应系统的优化升级。由于采用一台热泵单一工质双段温区工作，可以实现热泵供热或制冷双效能，并显著提升系统供热或供冷性能。

图2 与双效能准两级热泵耦合的冷热双用中间热能储存系统运行。

2．评估中间储热系统应用潜力工具集

该文结合地理空间工具建立了中间储热系统全球可实施性评估模型。通过供热度日数和冷却度日数，对比每日室外温度与标准温度，收集 237 个国家 / 地区及 7 个国家的下属区域的数据，确定 63 个国家 / 地区和 112 个下属区域为潜在目标区，主要集中在南北温带，包含主要人口密集区域。针对这些有供热制冷需求的区域，从 90 种潜在相变材料里筛选出合适的中间相变材料。通过建立双效准两级热泵模型、热泵与储热耦合模型评估不同相变材料与热泵的兼容性。采用高通量筛选法确定适合本地化部署的相变材料，筛选标准涵盖相变温度、热导率增强程度等。经过多层评估，综合考量初始投资和年度性能系数，通过竞争分析优选出相变储热材料。

图3 评估中间储热系统应用潜力工具集。

3．中间热能存储系统的区域适用性分析

通过高通量筛选过程，针对存在季节性供热与制冷需求的51个国家/地区以及95个下属区域该文筛选出31种优选相变材料。研究发现，所选材料的相变温度随纬度升高而呈现下降趋势。平衡中间相变材料在环境温度与供能温度间的温差，能够有效提升准两级热泵的年度性能系数。除了相变温度，在制冷需求与供热需求差异较小的地区，技术可行性、系统实用性和初始投资成本等关键因素，对相变材料的竞争优势起着决定性作用。考虑到当地气候条件变化，筛选出的相变材料相变温度处于10.5 - 22°C之间，中间储热温度平均值为供热和制冷期平均环境温度之和的0.57倍。

图4 中间热能储存系统的潜在全球部署方案。

4．中间储热系统与传统系统的比较分析

以美国阿肯色州、北京、美国明尼苏达州和上海为案例，对比热泵与中间储热系统、独立热冷存储系统及传统非集成热泵。独立热冷存储系统受限于存储材料固定相变温度，难以主动适应负荷波动，需特定相变温度的相变材料满足供热制冷需求。传统热泵虽能灵活供能，但无储热功能。中间储热系统能在非高峰时段储能，第二级热泵按需提供热冷。在四个地区，中间储热系统日性能系数（COP）比非集成热泵分别高 14.86%、18.16%、21.99% 和 11.73%，比独立热冷存储系统全年分别高 24.6%、31.19%、55.31% 和 33.54% ，冬季优势更为明显。分析三种系统在四个地区的初始投资成本和年度成本效益，中间储热系统准两级热泵压比和运行功率低，且通过筛选经济相变材料，初始投资成本比传统热泵在多地更低，存储单元成本也因容量小和材料经济而降低。在年度成本效益上，不同地区表现主要取决于区域热能利用模式和分时电价。

图5 中间储热系统与传统系统的比较分析。

5．系统的长期可行性和可持续性

鉴于全球气候变化加剧，需要进一步探究中间储热系统长期的可行性和可持续性。以南北纬20°-40°的低纬度带和40°-60°的高纬度带为研究区域，在当前气候条件下，全球范围内最优中间储热系统年性能系数在2.68 - 5.25区间，平均值为3.96。其中，低纬度地区的平均值达到 4.35，显著高于高纬度地区的 3.51。低纬度区平均4.35 高于高纬度区的3.51。在全球变暖导致平均冬夏季温度升高 2℃的情景模拟中，全球年性能系数仅下降 3%，显示出该系统具备一定的稳定性。面对极端天气状况，当夏季平均环境温度升高 10℃时，低纬度地区的系统性能虽有所下滑，但降幅控制在 30% 以内；而当冬季平均环境温度降低 10℃时，系统展现出突出的抗寒能力，特别是在低纬度地区。

图6 不同气候条件下世界各地中间储热系统的年度性能系数。

【总结】

为了解决冬季供暖和夏季制冷地区热能储存和供应的难题，作者提出了一种与双效能准两级热泵耦合的中间热能储存解决方案，采用了适用于全球的储存温度为 10.5-22℃的中间相变材料，实现了能源成本的最佳权衡。与阿肯色州、北京、明尼苏达州和上海的非集成热泵相比，它的年度性能系数增益高达 21.99%。与热泵相比，前期资本支出预计将下降 15.7%-22.8%。尽管分时电价各不相同，但在能效和电价波动的相互作用下，该系统每年仍能节省大量成本。这些研究结果证明了该系统在全球范围内的规模化应用潜力。此外，这项研究还强调了该系统在全球气候变化中的较强适应力。总之，该解决方案为实现全球供暖和制冷普惠提供了一种新方法，促进人类获得更加平等便捷的基本能源服务。

作者简介

第一作者 —寇小雪上海交通大学博士，导师为王如竹教授。主要从事热泵与储热耦合系统热力学分析、仿真、多尺度能源分析等相关研究，以第一作者在Energy & Environmental Science、Matter、Energy Conversion and Management以及Energy等期刊发表论文。

通讯作者 —王如竹上海交通大学讲席教授，全球高被引学者、国家基金委创新群体及重大和重点项目负责人，入选多项国家级人才。主持完成的科研成果获2010国家技术发明二等奖、2014国家自然科学二等奖、2023国家科技进步二等奖，个人获2022何梁何利基金科学与技术创新奖等奖励；因在国际能源及热科学与制冷相关领域的突出贡献，荣获2013英国制冷学会J&E Hall金牌、2018日本传热学会Nukiyama热科学纪念奖、2019国际制冷学会最高学术奖Gustav Lorentzen Medal、2021国际能源署Rittinger国际热泵奖、2023全球能源奖(Global Energy Prize)。王如竹教授现任Energy主编。

王如竹教授领衔的能源-水-空气创新团队（ITEWA）长期致力于解决能源、水、空气交叉领域的前沿基础性科学问题和关键技术，旨在通过学科交叉实现材料-器件-系统层面的整体解决方案，推动相关领域取得突破性进展。团队近5年来在Science, Nature Reviews Materials, Nature Water, Nature Communications, Joule, Energy and Environmental Sciences, Advanced Materials等高水平期刊上发表一系列跨学科交叉论文。

阅读原文： Xiaoxue Kou , Jiatong Jiang , Baoshan Xie , He Shan , Primož Poredoš and Ruzhu Wang *. Fewer temperature ties: scalable integration and broad selection of phase change materials for both heating and cooling, Energy Environ. Sci. , 2025. https://doi.org/10.1039/D4EE04223A

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