季節性儲能:儲能技術,按儲能溫度分類,按儲能方式分類,對儲能介質的要求,技術原理,

季節性儲能是提高能源綜合利用效率的有效方法，所謂季節性儲能，指長期蓄能，蓄能容積較大，充分熱循環周期較長（一般為 1 年）的儲能方式。季節性儲能技術有很大潛力，可以高效利用可再生能源太陽能和自然界冷熱量，減少電能和礦物燃料消耗，同時對生態環境影響小，綠色環保。

季節性大規模儲熱系統可以儲存工業廢熱，太陽能熱輻射能，冬季自然界冷量；它可以利用地下湖泊、含水層、地埋水箱、具有濃度梯度的鹽水池、冰、土地、岩石以及化學可逆反應等進行能量的儲存。這種儲熱方式占地少，成本低，是很有發展前途的。

基本介紹

中文名：季節性儲能
外文名：seasonal energy storage
能量來源：工業廢熱，太陽能熱輻射能等
特點：蓄能容積大、周期長、時間長

儲能技術,按儲能溫度分類,按儲能方式分類,對儲能介質的要求,技術原理,技術形式及特點,發展歷程,

儲能技術

按儲能溫度分類

如果儲熱的溫度低於60℃，那么就稱之為低溫儲熱，在儲熱溫度較低的情況下，低溫儲熱一般不直接用於生活採暖，如果需要採暖，可以在儲熱裝置和用戶末端之間加輔助熱泵等裝置來提升末端供暖溫度，最終傳遞給用戶。

如果儲熱的溫度高於60℃，那么就稱之為高溫儲熱，此溫度可以直接用於供暖，但需高溫儲熱系統和高效的太陽能集熱器，不附加熱泵等裝置。在儲熱溫度達不到使用要求時，也可以輔助熱泵等裝置，與熱泵聯合運行。

按儲能方式分類

(1)顯熱儲熱

顯熱儲熱是指利用儲熱材料自身的高熱容和高熱導率通過溫度的升高來儲存能量。顯熱儲存過程只發生溫度的變化，儲熱方式簡單，成本低。其工作原理也很簡單。為提高顯熱儲熱能力，這就要求儲熱介質具備較高的比熱容和密度，目前普遍採用的顯熱儲熱材料為水、石塊(一般用鵝卵石)和土壤等。鵝卵石的密度是水的2.5～3.5倍，而水的比熱是鵝卵石的4.8倍。當然，在選擇顯熱儲能介質時，必須綜合考慮黏度、腐蝕性、密度、經濟性和熱穩定性等很多問題。

(2)潛熱儲熱

潛熱技術利用相變材料(發生相變時的潛熱進行能量的儲存與釋放)，所以也稱為相變儲能。相變儲熱具有儲熱密度大、儲熱/放熱過程近似於恆溫和儲熱/放熱可控等優點。歐美國家20多年的研究經驗表明相變儲熱是最具規模化套用前景的一種儲熱技術。由於儲熱介質變為固體時無法用泵輸送，因此潛熱儲熱須結合儲熱設備與換熱器，相比顯熱儲熱，其優勢在於，儲熱容積能力大，大概比顯熱儲熱高一個數量級，因此在儲存同樣的熱量情況下，其儲存容積要小的多。但這類儲熱介質的缺點是：不能持續溶解、熱擴散係數小、儲熱和放熱速度低、易老化、不能重複循環使用等。

(3)化學反應儲熱

化學反應熱儲存技術實際上就是利用物質相接觸時發生化學反應而將化學能轉化為熱能並加以存儲利用的一種技術。與前兩種儲熱技術相比，其最大的優點是儲能密度高，且儲能體系可通過催化劑或反應物與產物的分離實現熱能的長期儲存，這樣可以減少保溫方面的投資，易於長距離運輸，且正、逆反正可以在高溫下進行，得到高品質的能量。

對儲能介質的要求

(1)儲熱和取熱的過程簡單方便——例如，目前經常使用的儲熱水箱的儲熱和取熱過程實質上就是蓄熱介質本身的輸入和輸出過程；又如，儲熱堆積床的儲熱和取熱過程實際上就是利用流體(主要是空氣)通過堆積床時給床體加熱和從床體提取熱量來實現的，這些都比較簡單方便。

(2)能反覆使用、性能長期穩定不變——例如，水可以經過多次反覆使用而性能不會發生改變；岩石在中、低溫下也可經受得住多次反覆使用而不會碎裂，但在高溫下則經過多次反覆使用後容易碎裂。至於像十水硫酸鈉等無機水合鹽在反覆使用過程中常會出現的晶液分離現象，亟待克服。目前已有比較可行的解決辦法。

(3)儲能密度大——即單位質量或單位體積的儲熱量大。這就要求蓄熱介質的比熱容(或相變潛熱)和密度都儘可能大，以便減小儲熱容器的體積並降低整個儲熱裝置的成本。

(4)來源豐富、價格低廉一在顯熱儲存中，一般多採用水和岩石；而在潛熱儲存中，則多採用無機水合鹽和石蠟等有機鹽。

(5)化學性質不活潑、無腐蝕性、無毒性、不易燃，安全性好——由於在一般情況下，腐蝕性隨溫度的升高而急速加劇，故通常在低溫儲熱情況下，這個因素的重要性並不顯著。但是在中溫儲熱情況下就比較顯著了，腐蝕現象不僅限制了儲熱容器的使用壽命，還因為需要採用相應的防腐蝕措施而使成本大為提高。至於在高溫儲熱和極高溫儲熱情況下，腐蝕現象的影響就更為嚴重，為了採取有效的防腐蝕措施，往往需要成倍地增加投資。因此，在選擇儲熱材料時腐蝕性是一個相當重要的因素。

技術原理

能量儲存根據儲存時間的長短分為短期儲存和長期儲存，短期儲存是能量儲存中一種簡單常見的形式，它的補充與釋放能量循環周期比較短，最短的循環周期為24小時。一般對儲存容積比較小的來說，短期儲存較多。例如，現在家庭普遍使用的太陽能熱水器，它所運用的熱水箱就屬於短期能量儲存。與短期能量儲存相對應，能量補充與釋放循環周期比較長(一般情況為一年)，儲存容積比較大的稱為長期儲存(也稱季節性能量儲存)，它的用處大多是為了平衡季節性能量需求與供給之間的矛盾。例如，在夏天，太陽能比較豐富，我們可以將其儲存起來用於冬天建築供暖或者生活熱水。

技術形式及特點

(1)地下水箱

地下水箱的結構是由鋼筋混泥土構成，有圓柱形和方形，通常埋在地下5—15米，為減少熱量損失，其頂部和周圍設有保溫層，由於水的熱容量比較大，所以它是一個不錯的儲能方式。

(2)地下沙水窖

沙水窖在地下5—15米，裡面是沙石和水的混合物，頂面和周圍都設有防水裝置和絕熱裝置，能量的充放過程可以直接通過水或者鋪設在砂水裡面的盤管換熱器來實現，由於沙水混合物的熱容量小於純水，所以儲存相同的能量的話，沙水窖的容積要比水箱的容積大。

(3)地下含水層

含水層儲能是一種供冷供熱工藝，相比傳統來說，有著節能優勢，其基本原理是利用地下岩層的隙溶、孔隙裂、洞穴等儲水構造以及地下水溫變化小和流速慢特點，用管井回灌的方法，夏季將大氣環境中豐富的熱或冬季不需要的冷，季節性地儲存在地下含水層中。由於含水層中的熱水或冷水有壓力，就會推動原來的地下水而聚集在井周圍含水層里。隨著灌入地下含水層的水量增加，灌入的熱水或冷水不斷地向周圍轉移，最終形成了地下熱水庫以及地下冷水庫。

(4)地埋管

在地埋管儲存方式中，熱能直接儲存在地下土壤中。許多U型管豎直插入到地下30-200米，形成一個龐大的地下換熱器。地下換熱器周圍一般是地下水，或者膨潤土、石英砂、渣滓等。熱量的存取過程通過U型管換熱器的介質水來實現。周圍被加熱或冷卻的土壤形成能量儲存的容積。在儲存容積上方通常設有一層絕熱層來減少熱量的損失。這種儲存方式的一個優勢就是它可以實現模組化設計，它的模組的多少可以隨著住宅的大小而變化。但是與地下水箱相比，儲存相同的能量，它的容積要比水箱容積大到三到五倍。由於熱量的存取能力較低，所以在系統設計時通常結合緩衝存儲器(例如，水箱)。

發展歷程

用地下水箱將自然界冷熱量進行季節性儲存，不僅涉及到水文學、地質學、地下資源開發工程學以及建築供熱技術、太陽能集熱、建築能源與技術，而且還與多孔介質的流體動力學、傳熱傳質、工程熱力學(土壤熱物理性質)等有關，涉及到多學科領域的交叉。

（1）國外

七十年代西方能源危機迫使人們節約和有效利用能源，並開發新能源。地下熱能儲存作為一種新的可再生能源技術，受到了廣泛的關注，荷蘭、加拿大、美國、德國等國相繼開展這方面的研究，並建立了一些試驗基地，定期出版國際儲能雜誌和召開學術會議，發展很快。

1956年，Penrod首次提出太陽能集熱器和埋入地下盤管組合的構想。

1975年，丹麥哥本哈根市郊外的零能耗房利用的大型儲熱水箱埋在地下，這座太陽房不要其它輔助熱源。

1995年，Schmidt等人研究了將地下儲熱水箱與太陽能和熱泵相結合，其中地下儲熱水箱為600立方米，同年，在德國漢堡建成了4500立方米的地下水箱，研究結果表明：系統運行沒有很大技術問題。Melil和Spate在亞梁大學提出利用季節性儲熱系統區域供暖的概念，他們所研究的地下水箱容積是2500立方米。美國布魯克海文國家實驗室對帶圓柱型地下儲熱水箱太陽能系統進行了研究，結果表明：在冬季供暖運行下，地下儲熱水箱可以克服太陽能局限性，使太陽能熱利用穩定，而且可以減小輔助熱源裝置的容量。

早在1995年，義大利卡拉布里亞大學機械工程系的Cucum0和Olivert等人就建立了一個小型CSHPSS系統，用於實驗研究，該系統總計採用了91.2m²的熱管集熱器，與之配套的建築冬季採暖負荷約為111GJ。系統蓄熱採用一個500m³的圓柱形水箱；頂部為半球形，採用混凝土澆注而成，內壁用20mm厚的泡沫玻璃進行隔熱。計算模擬結果表明，當集熱器平均效率為55%時，蓄熱裝置的年平均效率為58%，整個系統年平均效率為31%。

（2）國內

地下熱能儲存可以追溯到30年前，當時上海紡織廠夏季需要解決空調冷源問題，因此就利用了地下含水層儲能。

1965年該含水層技術進行了較大規模推廣，據統計，上海24座紡織廠在1965年至1979年夏季抽取水量為7670萬t，冬季回灌水量達1億t，這樣既節約了空調冷源用需要的能量，又減緩了上海地面沉降。

六十年代中期，該含水層技術己在西安、天津、杭州、北京、南昌等十多個城市進行推廣套用。據統計，八十年初期，已有二十多個城市在我國推廣使用含水層儲能技術，蓄熱井150口，夏增量5.5×10⁵m³，蓄冷井約500口，冬增量30×10⁶m³，這些推廣不僅節省了常規能源的消耗，而且取得了非常可觀的經濟效益。

再後來等到90年代，由於受到地下水資源限制以及地下水質問題，該技術的推廣套用受到了很大的限制，發展非常緩慢。天津大學機械工程學院劉雪玲對井抽灌模式的熱泵耦合地下含水層反季節儲能效果進行研究。結果表明對井采灌熱泵耦合儲能系統能夠實現冬灌夏用和夏灌冬用的反季節儲能作用，充分利用淺層地能資源，節約了常規能源。河北工業大學王恩宇利用能耗模擬軟體，模擬分析了天津郊區別墅類建築的冷熱負荷狀況，設計將夏季豐富的太陽能儲存起來，供冬季建築供暖，這一系統是利用地下土壤儲熱實現夏季太陽能的季節性儲存，冬季採用利用熱泵或太陽能熱水提取土壤儲存的熱量，進行建築空調的供熱，實現了熱泵系統與季節性儲熱的聯合運行.北京工業大學底冰提出採用地下土壤蓄熱體對太陽能季節性儲能，並設計建立了結合熱泵與太陽能季節性儲能一體的新型太陽能熱泵季節性供暖系統，這一系統可以緩解非供暖季太陽能系統中集熱器溫度過高的問題，可以提高系統運行的可靠性。內蒙古工業大學唐汝寧教授研究了太陽能季節性儲熱系統，對太陽房建立了地埋儲熱水箱的物理和數學模型，根據太陽房所需輔助熱負荷，計算出地埋水箱容積大小為100立方米，然後模擬了該地埋水箱全年的散熱量以及其溫度變化規律Il引。上海交通大學船舶海洋與建築工程學院張建棟對地下含水層儲能進行了實驗分析與模擬。

季節性儲能