冰浆蓄热系统充放热性能及优化研究

《Journal of Energy Storage》：Research on the charging/discharging performance and optimization of an ice slurry thermal energy storage system

　　

• 开发了兆瓦级冰浆系统的高精度动态模型。
• 确定 R134a/NaCl 为最优组合，达到 3.24 的 COP，动力学表现稳定。
• 二次制冷剂流量增加 50% 可使蓄冷时间缩短 10%，适用于谷电时段运行。
• 量化了经济效益，表明在峰谷电价差异较大的地区，年节省可达 84 万元人民币。

引言

全球加速迈向低碳化推动了可再生能源的迅速扩张 [1]。然而，风能和太阳能固有的间歇性，加上电网升级滞后，加剧了峰谷不平衡，导致高渗透率地区频繁出现负电价和弃电现象 [2], [3], [4]。为应对这些挑战，发展大规模热储能（TES），特别是冰浆系统，已成为战略重点。通过有效地将谷时富余电力转移至峰时，这些系统提供了关键的负荷均衡途径，从而增强电网的稳定性和经济性 [5], [6], [7]。此外，Zhan 等人 [8] 回顾了冰热储能用于低碳和灵活制冷系统的最新进展，强调该技术是增强电网灵活性和适应波动性可再生能源的关键技术。

为缓解峰谷不平衡并提升能效，冰浆 TES 利用冰晶悬浮液卓越的传热特性和流动性。与传统冷水或固态冰储存相比，该技术具有更高的换热效率、更强的设计灵活性和更快的负荷响应能力 [9], [10]。在系统研究方面，在商业综合体中实施优化控制的冰储系统已被证明可将能耗成本降低近 10% [11]。Zhang 等人 [12] 针对亚热带气候下超高层建筑，对基于冰浆的动态冰储系统进行了能源、环境和经济分析，显示运营成本降低 50%，并显著减少了碳排放；然而，他们的框架主要基于静态负荷曲线，流体输送与末端盘管传热之间的耦合动态热瓶颈尚未得到充分讨论。该技术的经济可行性通过创新的季节性储存应用进一步凸显，储存成本低至 0.078 美元/千瓦时——远低于典型电池储存 [13]。此外，将冰浆 TES 与吸附式制冷混合可将传统电厂的净利润提高超过 80%，并在一年内收回投资成本 [14]。这些研究共同验证了冰浆 TES 在能源系统优化方面的显著技术和经济潜力。

尽管冰浆 TES 系统具有上述明显优势，但其大规模部署仍受制于浆料生成和输送方面的技术瓶颈。具体而言，冰成核、相变控制和浆料泵送过程中的额外能耗为性能优化提供了巨大空间 [15], [16]。为解决流动问题，研究表明特定的添加剂如乙醇、NaCl 和 CMCNa 可以细化冰晶并抑制过大生长，将颗粒沉降速率降低 70% 并减轻相分离 [17], [18], [19]。Kumano 等人 [20] 验证了防冻蛋白和聚乙烯醇通过减少平均冰粒面积并防止团聚堵塞来增强流动稳定性，从而赋予假塑性特征以提高可运输性。然而，颗粒团聚、管道结垢和相分离等问题仍对长期运行稳定性构成挑战。在颗粒生长与演化方面，Du 等人 [21] 发现过冷水中冰粒直径随过冷度增加以 50 μm/K 的速率线性增长。他们还指出管道壁面的剧烈碰撞导致局部冰分数急剧下降。Gao 等人 [22] 模拟了盐水冰浆的热水力特性，以阐明流动动力学与凝固之间的耦合关系。在组件级凝固机制方面，Sharma 等人 [23] 对基于冰的热能储存系统中的凝固现象进行了实验分析，Singh 等人 [24] 对紧凑式换热器中相变材料（PCM）凝固的管径效应进行了数值研究；这两项研究均表明相界面热阻和表面冰层积聚是限制总热通量的主要因素。这些发现支持了本研究中采用刮面式冰机来消除静态壁面冰层积聚并保持连续高效动态浆料生成的做法。此外，管理冰浆流动中产生的显著压降是系统设计的关键考量。Bordet 等人 [25] 实验测量了各类管件中的压降，发现在高冰分数下冰晶在死区积聚，使压降增加高达 40%。Renaud 等人 [26] 指出乙二醇浆料中的压降损失和传热效率均与冰分数呈正相关，并证明脉动流动可进一步提高热性能。类似地，Cai 等人 [27] 发现冰浆在脉动流动下的传热系数比稳态流动提高了 34.32%，且其进一步增强效果与脉动频率和冰体积分数相关。在流变特性研究方面，Mellari 等人 [28] 证明丙二醇冰浆表现为遵循 Ostwald-de Waele 幂律模型的非牛顿流体，压降随冰分数和流速升高而增大。此外，Gao 等人 [29] 分析了螺旋波纹管中的水基石墨烯纳米流体，发现当入口冰分数为 10%–30% 时，传热性能与浆料浓度呈正相关，而纳米流体浓度对压降影响甚微。这些基础研究共同为冰浆组件的热水力优化奠定了坚实的理论基础。

尽管在材料特性和组件级热水力特性方面已取得显著进展，但现有文献主要关注孤立参数的静态分析，尚未阐明兆瓦级系统中充放全循环的动态相互作用。为弥合这一关键研究空白，本研究开发了针对兆瓦级冰浆热储能基础设施的集成动态系统模型，并与自建 5 kW 物理实验平台进行了严格验证。本工作的主要创新在于将组件级热阻与系统级日常运行关联起来。通过系统研究不同运行条件下的动态充放电行为，本研究揭示了空气侧对流和浆料流动对系统影响的差异性，并证明空气侧热阻是制冷放电期间的主要瓶颈。此外，通过将区域分时电价结构与生命周期经济参数耦合，本工作为大规模冰浆储能系统的优化设计和部署提供了坚实的理论基础和实用的指导方针。

模型描述与假设

使用 AMESim 平台开发了冰浆充放电系统的动态仿真模型，如图 1 所示。计算过程中纳入了以下假设：
（1）忽略过冷效应，相变过程建模为恒温过程。在实际运行中，将冰堆积因子保持在 20% 至 25% 之间，可将实际温度变化限制在约 1.0 °C 以内。这使总冷量和平均 COP 的误差保持在...

兆瓦级 TES 系统性能分析

假设目标建筑的夏季冷负荷需求为 1 MW，冷负荷时段为 9:00 至 17:00（共 8 小时），累计冷量为 8 MWh。为满足电网削峰填谷要求，系统在 0:00 至 8:00 的夜间 8 小时窗口内进行蓄冷。采用质量分数为 6% 的 NaCl 溶液作为相变材料，经计算所需总质量为 64.5 吨。

运行过程中，储罐温度的下降会导致...

制冷剂类型

通过仿真分析，比较了使用 R134a、R290、R404A 和 R407C 四种常用制冷剂的系统性能。其他计算参数与第 3 节相同。如图 9 所示，制冷剂类型对系统性能有显著影响。各候选方案之间观察到明显差异；R134a 表现出最优性能，COP 为 3.29，显著高于其他制冷剂，因此...

经济分析

为评估冰浆冷储与传统系统相比的经济可行性，选取了具有代表性的办公楼场景进行分析。两种储存方案的边界条件和设计规范汇总于表 3。冰浆系统的总冷量和 COP 取自第 3 节中呈现的仿真结果。为确保严格且一致的对比，传统系统的基准参数为...

结论

本研究开发了冰浆冷储充放电系统的兆瓦级数值模型，并与实验数据进行了严格验证。基于该模型，系统研究了制冷剂类型、相变材料特性和关键运行参数对系统整体性能的影响。主要结论如下：
（1）在所研究条件下，采用 R134a 作为制冷剂和 NaCl 溶液作为...

CRediT 作者贡献声明

Xiaotian Peng：撰写—初稿、验证、方法论、调查、资金获取、概念构思。Xian Li：撰写—初稿、调查、形式分析、概念构思。Doudou Qiu：撰写—审阅与编辑、验证、方法论。Guangtai Zhang：撰写—审阅与编辑、方法论。Lingfeng Guan：撰写—审阅与编辑、方法论。Hao Peng：撰写—审阅与编辑、资源、资金获取、概念构思。

利益冲突声明

作者声明不存在任何已知的可能影响本论文所报告工作的财务利益冲突或个人关系。

致谢

我们感谢中国国家自然科学基金（资助号 52406247）、江苏省科技界青年科学技术人才培养项目（编号 JSTJ-2025-207）、浙江省博士后科研卓越资助项目（资助号 ZJ2026052）、常州市科技局科研项目（编号 CF20240070）以及江苏省科技计划项目提供的财政支持。

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