热化学储能耦合空气源热泵在美国家庭供暖中的价值评估：盐类水合物储能的成本效益与气候适应性分析

本研究针对空气源热泵(ASHP)在寒冷气候下效率低、成本高的问题，创新性地评估了四种盐类水合物(MgSO4、MgCl2、K2CO3、SrBr2)耦合ASHP的热能储存(TES)系统在12个美国城市的应用价值。通过嵌入盐类特异性Ragone曲线（能量-功率关系模型）的技术经济分析，发现SrBr2基TES在寒冷地区可实现44%的供暖成本节约，其盈亏平衡成本达17美元/kWh，超越美国能源部15美元/kWh的目标。研究为住宅领域低碳转型提供了新型储能解决方案。

　　

随着全球住宅领域碳排放占比攀升至21%，供暖系统的低碳转型迫在眉睫。空气源热泵(ASHP)虽被视为化石燃料供暖的替代方案，但其在极端寒冷下的效率骤降、高昂安装成本及冬季电力峰值负荷激增等问题，成为大规模推广的瓶颈。传统水储热系统能量密度低，而相变材料(PCM)中的盐类水合物因高储能密度(达水的2-10倍)和低热损失特性崭露头角，但其经济性与气候适应性尚未系统评估。

美国密歇根大学环境与可持续发展学院(University of Michigan, School for Environment and Sustainability)的An T. Pham团队联合机械工程系学者，首次将盐类水合物特异性Ragone曲线嵌入技术经济模型，量化了四种盐类耦合ASHP在4800户美国家庭中的供暖价值。研究通过NREL住宅建筑存量建模工具生成差异化供暖负荷曲线，结合12个城市的气候数据和分时电价，构建了考虑盐类动力学特性（如MgCl₂的高能量密度与SrBr₂的低湿度寄生负载）的优化运营模型。

关键技术方法包括：1) 基于ResStock工具的400户代表性家庭供暖负荷模拟；2) 集成盐类水合物Ragone曲线的线性规划模型，优化ASHP-TES充放电策略；3) 可变尺寸算法根据峰值负荷定制化TES容量；4) 敏感性分析测试湿度寄生负载(39%-70%)与非寄生损耗(2%-10%)的影响。

研究结果揭示：

1. 冷气候城市TES性能优势

   在底特律，SrBr₂基TES平均年成本节约62美元/户（4.1%），其放电量占供暖负荷的18%。

   
   2与SrBr₂基TES在底特律400户家庭中的能量输出差异'>显示高能量密度盐类(MgCl₂)负荷转移能力更强。

2. 盐类材料的经济性排序

   SrBr₂因2.2美元/kg·年的成本效益居首，其20年生命周期盈亏平衡成本达15.4美元/kWh，唯一超越DOE目标。

   
   凸显材料选择对收益的显著影响。

3. 气候梯度下的价值差异

   波士顿、明尼阿波利斯等寒冷城市SrBr₂基TES盈亏平衡成本达39美元/kWh，而达拉斯等炎热地区仅6美元/kWh。

   
   2基TES经济性与负荷转移价值'>显示寒冷气候与高电价区域的协同效益。

4. 系统设计敏感性

   可变尺寸策略较固定尺寸提升效益71%，而湿度寄生负载超过44%时SrBr₂收益下降39%，强调材料防潮设计的关键性。

该研究为盐类水合物TES的研发指明方向：优先开发低湿度敏感度（如SrBr₂）、高能量密度的盐类复合材料，并针对寒冷气候家庭优化系统集成。其创新性在于首次通过大规模异构数据分析，揭示了TES在住宅脱碳中的潜在市场规模——仅底特律推广SrBr₂基TES即可年减1600万美元供暖支出，同时为电网提供11.6%的峰值负荷削减能力。研究成果发表于《Cell Reports Sustainability》，为政策制定者设计储能补贴、企业布局技术路线提供了定量依据。