《RENEWABLE & SUSTAINABLE ENERGY REVIEWS》：A comprehensive review on cold energy storage: Research status and performance optimization of ice storage technology
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全球能源需求增长与建筑行业减排压力催生冰储技术发展，本文系统综述静态冰储（封装冰、冰盘管）与动态冰储（冰浆）两大技术体系，分析其优化方法（结构设计、添加剂、生产优化等）及研究进展（静态缩短凝固时间20%，动态冷却能力提升4倍）。现存挑战包括冰晶形成机理复杂、多场耦合分析不足及系统协同控制不成熟，未来需加强材料创新与系统集成研究，助力建筑领域减排。
余思睿|宋梦杰|李贤婷|张学军|张龙|梁永辉|史涵
北京工业大学机械工程学院，中国北京100081
摘要
全球能源需求持续增长，建筑行业的减排压力日益凸显。冰存储是一种具有高能量存储密度的潜热存储技术，其特点是具备能量调节能力和低碳优势。它已成为制冷领域，尤其是在建筑领域中的关键解决方案。本文系统回顾了两种主要技术系统——静态冰存储和动态冰存储的原理和研究进展。静态冰存储主要关注封装冰存储和冰盘管存储，而动态冰存储则侧重于冰浆存储。静态冰存储的优化方法主要包括两个方面：结构设计和添加剂。动态冰存储的研究涵盖了生产与优化，以及流动和传热特性，重点关注压降、流变特性和传热系数等参数。现有研究已经取得了一定的优化成果。例如，通过适当的方法，静态冰存储可以将相变材料（PCM）的固化时间缩短至少20%；新的冰浆冷存储技术制备方法可以使冷却能力达到传统方法的4倍。本文总结了这两种技术的发展现状、现有挑战和应用潜力，为冰存储技术的未来研究方向提供了参考和启示。
引言
随着可持续发展理念的广泛接受，节能和减排已成为全球关注的焦点。然而，全球在节能和减排方面的努力仍远未达到预期，形势依然严峻。根据国际能源署（IEA）发布的《2025年全球能源展望》，2024年全球能源需求增长了2.2%，高于过去十年的平均水平[1]。如图1(a)所示，2024年全球能源消耗超过了15,000百万吨油当量（Mtoe），亚洲是最大的能源消费地区。石油、煤炭和天然气仍然是三大主要能源来源。此外，全球电力消耗增加了近1100太瓦时（Terawatt-hour），增长了4.3%，是过去十年平均增幅的两倍多，这反映了全球能源消费结构的变化和工业电气化的发展。同时，根据世界气象组织的最新报告，2024年大气中的二氧化碳（CO2）浓度达到了新高度，平均值为3.5 ppm（百万分之一）。
与此同时，IEA指出，2024年建筑行业的电力消耗增长占全球总电力需求增长的五分之三。由于2024年高温天气导致全球制冷需求的增加，这部分电力需求直接贡献了全球能源需求总增长的15%。根据能源转型委员会（ETC）的报告（见图1(b)），2024年建筑行业占全球二氧化碳排放量的三分之一[2]。其中，7%来自新建建筑的隐含碳，26%来自建筑中的能源使用产生的二氧化碳排放，包括供暖、电器、制冷、烹饪和照明五个终端用途。ETC认为，在未来几十年内，制冷将成为建筑能源需求增长最快的领域。因此，建筑行业减排的效果直接关系到全球气候目标的实现。
在这种背景下，冷存储技术的价值日益凸显。作为一种重要的能源存储和调节手段，冷存储技术的基本原理是利用制冷设备在电力需求较低的时期产生和储存冷能[3]。然后在电力需求高峰期释放储存的冷能，以满足建筑或工艺流程的空调或工艺冷却需求，从而实现电力系统的“削峰填谷”。这种技术方法是典型的需求侧策略，不仅可以有效平衡电网负荷，降低电力网络的运行压力，还能为用户节省大量运营成本。这一点在中央空调系统中尤为明显，它能带来显著的经济效益。此外，冷存储技术可以有效减少发电系统中对煤炭、石油和天然气等一次能源的依赖，具有较低的碳排放优势[4]。
冷存储技术主要分为两类：显热存储和潜热存储。显热存储利用存储介质在温度变化过程中的显热来储存冷能，水存储是典型的代表。而潜热存储则通过利用存储介质在相变过程中吸收或释放的大量潜热来储存冷能，包括冰存储、共晶盐存储和气体水合物存储。与这两种冷存储技术相比，潜热存储具有更高的能量存储密度、更小的体积要求以及相对稳定的温度变化，其热存储能力是显热存储的数十倍[5]。因此，近年来潜热存储受到了广泛关注和研究。表1比较了四种冷存储技术[[6], [7], [8], [9]]。可以看出，与其他三种冷存储技术相比，冰存储不仅具有非常高的能量存储密度，可以显著减小系统体积，而且其技术成熟度也使其成为目前实现“削峰填谷”最可靠和主流的工程解决方案。
尽管冰存储技术已成为建筑冷却领域的关键技术之一，但在实际应用中仍面临一系列科学和技术挑战[10]。例如，在科学机制层面，冰的相变传热过程受到限制，充放电速率无法满足快速响应的需求，这限制了系统能效的提升。同时，冰晶的成核和生长机制复杂，过冷现象普遍存在。这不仅延长了制冷启动时间，还增加了系统控制的难度和能源消耗。其内部耦合机制仍需要结合多场耦合理论进行进一步的定量分析。在工程和技术层面，现有技术路线在效率、成本和可靠性之间面临多维平衡。一方面，关于材料改性、换热器结构优化和系统经济评估的系统性研究还不够充分，难以形成统一的设计标准和性能评估体系。另一方面，冰存储系统、建筑冷却源和电网之间的协调控制策略尚未成熟，实际运行能效往往低于理论预期，无法满足当前新型电力系统对灵活资源的需求。因此，深入研究冰存储技术具有重要的理论意义和实际指导作用。
通过回顾现有研究文献，发现目前已有部分关于冰存储技术的综述性研究。例如，一些综述专注于特定类型的存储冷却技术，如冰盘管存储技术[7]或冰浆存储技术[11,12]；还有一些综述强调基本原理的阐述，如材料创新研究[13]或过冷现象[14]。可以说，大多数现有的冰存储技术综述都是针对单一技术的专门研究，能够揭示该技术的机制、性能和研究路径，有助于深入探索特定领域的技术迭代，并不断改进个别技术的研究体系。然而，这些专门综述的研究视角局限于各自的细分领域，导致研究范围和系统性存在局限性。它们缺乏对冰存储技术整体分类及其各种技术类型的全面整合和分析，使得读者难以形成系统而完整的理解。基于此，本文以冰存储技术的整体技术框架为核心，突破了现有专门综述的研究界限，将静态冰存储和动态冰存储纳入统一的研究范围，系统总结了它们的工作原理、研究进展和性能优化方法，并深入分析了当前存在的科学问题和技术瓶颈。本综述旨在为冰存储技术的有效应用和未来发展提供理论基础和技术支持。
冰存储技术原理
冰存储技术的核心原理是利用水相变的潜热进行能量存储和释放。根据不同的制冰方法，冰存储技术可分为两类：静态冰存储技术和动态冰存储技术。静态冰存储技术的主要特点是，在制冰过程中，冰会附着在换热器表面，制冰和冷却存储过程同时进行。
封装冰存储
对于封装冰存储技术，现有研究主要集中在传热增强和模拟方面。作为一种非常常见且实用的封装冰存储方式，球形胶囊因其独特的结构优势而受到广泛关注。从结构特性来看，在相同体积的封装材料下，球形结构提供了最大的传热面积，能量存储体积与传热面积的比值
动态冰存储技术的最新进展
关于动态冰存储技术，现有研究主要集中在冰浆存储上。这是因为与传统的冰采集存储技术相比，冰浆作为一种可泵送的流体，同时具备相变材料（PCM）和传热介质（HTF）的双重功能，允许冷能的连续生产和管道运输[53]。此外，其直接热交换模式具有较低的传热阻力和较高的冷能利用效率。冰浆中的冰分数和晶体大小也可以进行调控
总结与结论
本文聚焦于冰存储技术（一种潜热存储技术），梳理并分析了两种主要技术类型：静态冰存储和动态冰存储，并得出以下结论和展望。
- 1)
冰存储技术可分为静态冰存储和动态冰存储两大系统。静态冰存储以封装冰和冰盘管存储为主，具有结构稳定、维护方便的优点，适用于
利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
致谢
本研究得到了国家自然科学基金（资助编号：52576006）、北京市科学技术委员会、中关村科技园区管理委员会（资助编号：Z231100006123010）以及河北省科学技术厅（资助编号：244A7625D, 254Z4504G）的支持。
