综述：热能存储耦合热泵系统：配置与建模方法综述

这篇综述系统回顾了热泵（HP）与热能存储（TES）耦合系统的技术配置与建模方法，重点探讨了空气源/地源热泵（ASHP/GSHP）与显热/潜热存储（SHS/LHS）的组合优势，提出了通过负荷转移降低峰值功率需求（降低25-45%）和提升能效（COP提升27%）的解决方案，为建筑供暖领域低碳转型提供了关键技术路径。

　　

热能存储耦合热泵系统的技术演进与挑战

背景概述

全球供暖制冷能耗占终端能源消费50%以上，其中建筑供暖贡献了温带地区34%的家庭能耗。热泵（HP）作为替代化石燃料的关键技术，国际能源署（IEA）预测其可满足90%的全球供暖需求。然而大规模部署会导致电网峰值压力激增，而耦合热能存储（TES）系统可通过解耦产热与用热时序，将能耗转移至非高峰时段，实现峰值需求降低25-45%的显著效果。

技术分类图谱

热能存储系统可分为三大类型：

1. 1.

   显热存储（SHS）：采用水、岩石等介质，成本低廉但能量密度低，适合短期存储。水温0-100°C的储水罐是最常见方案，而熔盐系统可承受>1000°C高温。

2. 2.

   潜热存储（LHS）：基于相变材料（PCM）的固液相变储能，能量密度提升5-10倍。有机PCM（如石蜡）适用于10-200°C场景，但存在导热系数低（约0.2 W/m·K）的缺陷。

3. 3.

   热化学存储（TCS）：通过可逆反应实现超高能量密度，但材料成本高且反应动力学复杂，目前仍处实验室阶段。

热泵系统则按热源分为：

• •

  空气源热泵（ASHP）：安装便捷但寒冷地区效率骤降，需频繁除霜

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  地源热泵（GSHP）：利用稳定地温，能效比（COP）达4-5，但需地下埋管

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  太阳能辅助热泵（SAHP）：通过直接/间接膨胀式设计整合太阳能，提升全年性能52%

创新配置方案

串联与并联是HP-TES的两种基础构型。串联系统中热泵输出直接充电TES，而并联构型允许热泵同时供能和储热。典型应用案例包括：

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  ASHP+SHS：英国住宅项目验证可降低36%年化成本

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  GSHP+LHS：中国办公楼案例显示相变材料使地热换热器尺寸缩减50%

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  SAHP+TCS：实验系统实现季节性储热，但投资回收期超10年

建模方法突破

1. 1.

   储热系统建模：

   • •

     显热模型采用多节点法，将水箱离散为互连控制体，通过能量平衡方程预测温度分层

   • •

     潜热模型采用焓法处理相变界面，需耦合有效热容模型处理非线性问题

   • •

     数据驱动模型（如LSTM神经网络）在预测PCM熔融分数时精度达95%

2. 2.

   热泵建模：

   • •

     稳态模型适合系统级能效分析，但会低估10-15%的启停损耗

   • •

     动态模型通过有限体积法（FVM）解析毫秒级制冷剂流动，计算量增加30倍

   • •

     TRNSYS-Type 581等预制模块大幅降低建模难度

性能优化前沿

1. 1.

   除霜增强：TES预存热量使除霜周期缩短43.9%，压缩机能耗降低55.8%

2. 2.

   容量优化：相变材料使热泵额定容量需求降低40-60%

3. 3.

   经济性提升：在德国分时电价下，2小时储热即可降低20%用能成本

未来发展方向包括：

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  智能控制算法开发，应对风光发电的间歇性挑战

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  有机-无机杂化PCM研发，目标导热系数>5 W/m·K

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  数字孪生平台构建，实现系统寿命周期动态优化

该技术体系正推动建筑供热从"能源消耗者"向"电网调节者"转型，为碳中和目标提供关键基础设施支撑。