H?je Taastrup水坑式热能储罐(PTES)短期运行性能分析与技术创新研究

本研究针对区域供热(DH)系统中大规模低成本储热技术需求，创新性地将坑式热能储罐(PTES)应用于短期储热场景。通过丹麦H?je Taastrup首例大型短期PTES的实证分析，验证了高温PP-HTR衬里材料和边缘扩散器设计的可行性，实现89%能量效率和75%火用效率，为优化热电联产(CHP)系统运行提供了新方案。

　　

随着全球能源转型加速，区域供热(DH)系统如何高效整合可再生能源成为关键挑战。传统坑式热能储罐(PTES)主要配合太阳能集热器用于季节性储热，但在非太阳能供热系统中应用仍存空白。丹麦作为区域供热覆盖率高达66%的典范国家，其哥本哈根DH网络虽拥有世界领先的160公里传输管网，却长期面临热电联产(CHP)电厂运行灵活性不足、高峰负荷依赖化石燃料锅炉等问题。

为破解这一困局，丹麦技术团队在H?je Taastrup建设了全球首个7万立方米级短期运行PTES。这项发表在《Journal of Energy Storage》的研究，通过创新性采用耐高温聚丙烯(PP-HTR)衬里材料和边缘单板扩散器设计，实现了储罐在90°C高温下的稳定运行。与传统季节性PTES相比，该系统在保持相似效率的同时，开创了短期循环储热新模式。

研究采用多维度监测体系，包括26层温度传感器网络和泄漏检测系统。通过能量/火用(Exergy)双效评估模型，结合分层系数(St)和标准化火用破坏值量化储热性能。特别引入Wu-Bannerot分层系数和Sifnaios火用分析法，实现与Marstal、Dronninglund等传统PTES的横向对比。

【2. The PTES in H?je Taastrup】
储罐建设历时三年，创新点包括：1)全球首次应用实验室验证的PP-HTR衬里，耐受95°C高温；2)采用Aalborg CSP模块化顶盖设计，集成XLPa 30HTL高温隔热层；3)开创性将直径5m的单板扩散器置于储罐边缘，通过0.03m/s层流速度维持热分层。监测数据显示，顶部水温80%时间保持在80°C以上，验证了材料耐久性。

【3. Methods】
性能评估采用：1)能量效率公式η_E=E_out/(E_in-ΔE_int)；2)火用效率公式η_X=Ex_out/(Ex_in-ΔEx_int)；3)分层系数St=∑[m_i(T_i-T_avg)²/m_total]；4)火用破坏量ΔEx_destr,norm=(ΔEx_flow-ΔEx_store-ΔEx_loss)/V_total。

【4. Results】
4.1节显示2024年运行温度维持在48-90°C，最大充/放热功率达30/23MW。受限于当地配电网110°C运行温度，储罐90°C出水仅能供给H?je Taastrup本地网，导致夏季放电受限。4.2节证实顶部水温60%时间>85°C，显著高于季节性PTES的8%（Dronninglund数据）。4.3节通过东西侧<1K温差证明水平分层均匀，垂直分层系数均值152K²媲美Dronninglund。4.4节公布年度效率：能量89%（接近Dronninglund的92%），火用75%（优于Marstal的48%）。

结论部分指出，该研究三大突破：1)验证PP-HTR衬里在短期高温PTES的适用性；2)边缘扩散器设计不影响分层性能；3)建立短期PTES效率评估基准。尽管当前受配网限制未达设计满负荷，但随着管网扩建和7天预测算法应用，效率有望提升至95%。该案例为全球正在规划的PTES项目提供了关键技术参考，特别是对中国等推进区域供热改造的国家具有重要借鉴价值。