《Journal of Energy Storage》：Techno-economic boundaries of hydrate-based cooling thermal energy storage
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•在统一建筑/系统边界条件下进行年度多城市水合物冷蓄热（CTES）评估•ANOVA–η2归因分析将效率驱动的变异性与位移规模驱动的变异性区分开来•在现实边界条件下，投资回收期按区域强烈分层（2年 vs 5–9年）•帕累托前沿为每个城市和运行模式提供了可部署的能量—投资回收期权
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在统一建筑/系统边界条件下进行年度多城市水合物冷蓄热（CTES）评估
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ANOVA–η2归因分析将效率驱动的变异性与位移规模驱动的变异性区分开来
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在现实边界条件下，投资回收期按区域强烈分层（2年 vs 5–9年）
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帕累托前沿为每个城市和运行模式提供了可部署的能量—投资回收期权衡集
引言
在全球变暖与城市热岛效应的共同作用下，建筑空调负荷正从季节性能源末端使用转变为电力系统安全与城市运行韧性的关键决定因素 [1], [2], [3], [4], [5], [6], [7], [8]。近年来，制冷需求不仅在总量上持续增长，还变得更加集中于峰值时段且对天气更为敏感。当干球温度与湿球温度在短时间内同时上升时，制冷负荷可能呈非线性攀升，形成持续数小时至数天的峰值电力需求，叠加供给侧的电网设备热容量降低和线路容量降级等约束，从而放大供需平衡趋紧的风险 [9]。在热浪期间，这种由峰值驱动的需求要求电力系统为少数极端天气日额外储备容量，由此增加资本强度并降低资产利用率 [10]。因此，制冷系统的评估不应仅限于年度节能量和平均能效，还应涵盖逐时削峰能力以及在热舒适约束下可靠供冷的能力 [11], [12], [13]。
在上述约束下，提升制冷系统的韧性与成本效益不能仅依靠设备效率，还需要时间灵活性——将部分制冷用电从高峰时段转移至非高峰时段，从而降低高峰时段的依赖度及相关的边际容量成本 [14], [15]。因此，需求响应与冷蓄热（CTES）是最具可部署性的需求侧资源之一。分时电价或激励方案可鼓励在低价时段蓄冷、在高价或负荷高峰时段放冷，从而在不显著影响热舒适的前提下实现削峰并降低运行成本 [16], [17]。然而，CTES的收益来源于负荷时序、电价结构、控制策略以及整体能量链效率的综合效应。因此，在相同的储存容量或运行策略下，不同的气象、负荷和电价条件可能产生显著不同的能源与经济结果 [18], [19]。这就要求建立一致的年度评估框架，以可比指标（如能耗、运行成本和投资回收期）来阐明这些耦合效应。
储存介质与系统构型的选择至关重要，因为相变温度、储能密度以及充/放热损失共同决定了削峰收益与效率损失之间的平衡 [20], [21]。冰蓄热技术成熟且运行可靠，但其相变温度接近0 °C，通常需要更低的蒸发温度与更大的温升，从而降低制冷机的COP [22]。在某些负荷与电价条件下，虽然峰时费用可能下降，但年度用电量可能增加，使得整体效益对控制策略选择与边界假设高度敏感 [23], [24], [25]。这些研究揭示了运行策略的重要性，但其结论往往因系统与边界条件的不同而难以直接推广至具有不同相变特性的储存介质。相比之下，笼形水合物与半笼形水合物可提供更契合暖通空调供/回水温度等级（通常为0–15 °C [26], [27]）的相变特性，并提供较大的潜热（约200–500 kJ/kg [28], [29]）。从原理上讲，这些特性使其可在较高蒸发温度下运行，从而提升系统COP并增强移峰的经济性 [30], [31], [32]。然而，水合物储存的工程化部署受到热力学与动力学耦合效应的制约 [33]：蓄冷温度既影响相平衡驱动力，又影响制冷机运行条件 [34]；转化比决定有效储存容量与放冷可用性 [35], [36]；潜热则影响储能密度与设备选型。此外，浆料流变性与输送压降会引入额外泵功，可能抵消部分效率优势 [37]。因此，基于水合物的CTES的年度性能取决于参数组合、运行模式以及特定区域的气象与电价边界，而非单一材料特性 [38]。以往的单城市研究无法充分判断水合物参数的主导效应是否在不同气候、制冷负荷剖面和电价结构下保持一致，也无法界定基于水合物的CTES的区域适用边界。现有的年度CTES仿真研究通常仅针对单一城市，采用固定的储存介质属性和预定义运行策略。此类研究虽可验证特定构型的可行性，但难以分离气候、制冷负荷、电价结构、控制策略和材料属性各自的贡献，且其结论跨区域的可迁移性仍存不确定性。以往的优化分析也通常是在给定城市和单一目标函数下搜索最优解。这些方法虽然可识别特定场景下的最优解，但对主导因素、参数交互以及能效与经济性能之间权衡的洞察有限。因此，亟需一个能够实现区域比较、因素归因和多目标权衡分析的统一年度框架。基于上述考虑，本研究在统一的建筑与系统配置下，针对依赖区域边界条件的情景，寻求可迁移的洞察。选取五个具有代表性的中国城市——沈阳、北京、贵阳、上海和广州。开发统一的年度TRNSYS仿真框架，量化两种运行模式下年度能耗、运行成本与投资回收期的差异。为超越单纯的结果报告，本文引入两种面向决策的分析方法：首先，利用方差贡献度（效应量）分解（ANOVA–η2），将能耗与投资回收期的变异性归因于蓄冷温度、转化比和潜热，并识别其主导效应与交互作用；其次，构建以年度能耗和投资回收期为双目标函数的帕累托前沿与非支配解集，将离散的参数组合转化为可操作的设计空间与权衡边界，并将基准工况定位在该空间内，以支持城市特定的推荐参数范围与部署指导 [39], [40]。因此，本研究产生的新知识不仅拓展了更多城市间性能水平对比的范围，更揭示了区域边界条件如何重塑材料参数、运行模式与能效—经济性能之间的耦合关系。
章节摘要
研究框架与数据边界
在统一的建筑与系统边界条件下，本研究比较了基于水合物的冷蓄热（CTES）系统在五个具有代表性的中国城市——沈阳、北京、贵阳、上海和广州（图1a）——的年度能效与经济性能，并进一步推导出参数选择的可部署指导。与以往仅在上海单一边界条件下进行的年度可行性评估 [38] 不同，本研究将气候
能耗与系统效率的跨区域边界
在基准工况5–75–250下，年度能耗随制冷需求呈现明显的区域梯度（图2a），在单一制冷模式下从沈阳的190.8 MWh到广州的473.4 MWh，在组合制冷模式下从199.8 MWh到504.9 MWh。组合制冷模式使年度能耗增加3.6%–6.7%，原因在于制冷机在白天制冷期间仍持续运行，并伴随额外的泵送和换热损失。区域能耗
结论
本研究在统一的建筑与系统配置下，比较了基于水合物的CTES系统在五个代表性城市的年度能耗、运行特征与经济性能，同时评估了蓄冷温度、水合物转化比和潜热的影响。主要结论如下：
(1) 由气象驱动的逐时制冷需求决定了系统年度能耗的总体水平。在基准工况下
CRediT作者贡献声明
王帆：撰写—原始草稿、调查、形式分析、概念设计。孙一博：调查、形式分析、数据整理。牛志强：撰写—审阅与编辑、撰写—原始草稿。张进海：监督、调查。吴迪：方法论、概念设计。张华：验证、资源提供。王更华：调查、形式分析。胡文锋：软件、数据整理。肖艳秋：资源提供、项目管理。孙明瑞：方法论、形式分析。
利益冲突声明
作者声明不存在可能影响本文所报告工作的已知竞争性经济利益或个人关系。
致谢
本研究受国家自然科学基金（52506111、52606131）、中国博士后科学基金（2025M770607）、河南省科技攻关项目（262102321087）和河南省重点研发项目（251111320200）资助。
王帆|孙一博|牛志强|张进海|吴迪|张华|王更华|胡文锋|肖艳秋|孙明瑞|张伦祥|程传晓
