移动式高功率潜热蓄热单元加热运行的热特性与经济评价

《Journal of Energy Storage》：Thermal characteristics and economic evaluation of heating operation of mobilized high-power latent heat thermal energy storage unit

　　

摘要

移动式潜热蓄热系统（M-LHTES）是工业余热资源化利用的创新解决方案，在为偏远村镇提供清洁供暖方面展现出显著优势。为突破工业余热利用的效率瓶颈并提高供暖的经济可行性，本研究开发了一种具有拓扑优化翅片结构（TFS）的高功率LHTES单元模型。模拟与实验蓄热结果之间的平均相对误差为3.18%，验证了模型的准确性。随后建立了经济分析模型，以评估蓄热设备的初始投资和运营成本。结果表明，初始投资随蓄热容量增加呈对数递减趋势，而运营成本随建筑供暖面积增加呈指数增长。基于此，选取了一栋典型的2000 m2建筑进行分析。在典型日，采用三台500 kWh的LHTES单元进行供暖。模拟结果显示，每台设备可在6小时内储存477.65 kWh的工业余热，并在16小时内稳定释放436.68 kWh的热能，实现100%的供热可靠性。多场景对比分析进一步表明，与传统电锅炉供暖（年成本157,100元人民币，碳排放229.64吨）相比，将电锅炉与常规翅片结构（GS）LHTES单元耦合可降低18.20%的成本和31.39%的碳排放；而与高功率TFS-LHTES单元耦合则可实现更显著的改进，供暖成本降低56.40%，碳排放减少77.95%，充分展现了高功率TFS-LHTES单元在移动供暖应用中的优异经济和环保效益。

引言

建筑领域是中国能源消耗和碳排放的主要贡献者之一。2022年，建筑全生命周期总能耗占全国总能耗的44.8%，建筑全生命周期总碳排放占全国总碳排放的48.3%[1]。值得注意的是，北方地区供暖相关碳排放尤为突出，约占建筑总碳排放的30%–50%，使建筑供暖的电气化和脱碳成为实现建筑领域节能降碳的关键路径。与此同时，中国工业能耗的15%–40%以余热形式损失[2]，造成严重的能源浪费。利用工业余热为建筑供暖不仅可以有效提高能源利用效率，还能实现建筑领域节能降碳的双重效益[3]、[4]。然而，工业余热资源通常位于偏远地区且具有间歇性特征，供给与建筑能源需求之间存在时空不匹配，构成余热利用的主要障碍[5]。移动式蓄热系统（M-TES）能够有效克服这些限制，通过在工业生产区域收集和储存余热，并将其运输至缺乏集中供热网络的居住区释放，从而以低成本、低排放的方式满足分布式用户的热能需求[6]。

蓄热技术（TES）主要包括显热蓄热（SHTES）、潜热蓄热（LHTES）和热化学储热（TCS）。其中，基于相变材料（PCM）的LHTES具有更高的蓄热密度和恒定的放热温度，在M-TES应用中更具前景[7]。然而，由于PCM导热性能差，M-LHTES单元的充放电速率缓慢，严重限制了工业余热的高效利用。此外，考虑能源成本和经济回收期，选用性价比高的无机水合盐PCM可有效促进M-LHTES的大规模发展[8]。

遗憾的是，无机水合盐PCM的相分离问题导致M-LHTES单元在长期运行后蓄热性能下降，而过冷现象则使系统在凝固点无法及时释放潜热，难以匹配建筑的热负荷需求[9]。为解决这些问题，我们开发了一种适用于建筑供暖系统的复合PCM，其过冷度小于2 °C，且具有优异的导热性和稳定性[10]。此外，为增强传热流体（HTF）与PCM之间的热传递，我们对LHTES单元的换热结构进行了拓扑优化设计。通过数值模拟和实验测试，对不同传热结构对PCM相界面演化及其熔化特性的影响进行了对比分析，验证了拓扑优化翅片结构（TFS）相比常规翅片结构（GS）具有更优越的传热性能[11]。尽管现有研究在拓扑优化算法改进和数值模拟验证方面已取得显著成果，但目前研究仍局限于数值模拟和理论分析[12]、[13]。TFS在实际工况下的实验验证相对匮乏，仍缺乏足够的实验数据支持其工程可制造性及实际蓄热性能的可靠性。为解决这一问题，我们创新性地开发了一种高功率TFS-LHTES原型，其平均充电和放电功率分别比GS结构的LHTES单元高出116.29%和121.92%[14]。因此，利用TFS-LHTES单元进行工业余热回收并应用于M-TES供暖场景将产生更大的实际应用价值。

鉴于实际规模下M-LHTES单元热性能评估受生产成本和经济成本等因素制约，在规模化推广和应用LHTES单元之前，对其充放电性能进行模拟建模至关重要。Yang等人[15]开发了一种新型CFD模型用于M-LHTES单元，以在英国回收工业余热，并对其热性能进行了全面评估。模拟结果表明，该M-LHTES单元在10小时充电后储存了将近400 MJ的热量，随后10小时放电期间释放了约97%的蓄热。Kang等人[16]开发了一种新型M-LHTES，并通过CFD模拟研究了翅片结构对蓄热效率的影响，发现带翅片设计使PCM液相转变速率比无翅片设计提高了30%。然而，通常用于详细模拟的CFD工具往往难以平衡计算时间和精度，不适合对大规模LHTES单元进行长期和系统级模拟[17]、[18]。因此，研究人员更倾向于开发用户自定义模型。例如，Hu等人[19]开发了一种基于PCM的双螺旋盘管换热器的一维数学模型，通过采用等效传热系数避免了大量网格生成，该模型的数值结果与实验数据高度吻合，验证了其可靠性。Liu等人[20]建立了与建筑太阳能集热器集成的LHTES单元的一维瞬态数学模型，通过实验对比验证了其准确性。基于该模型，作者分析了不同流量和入口温度对LHTES单元热性能的影响。Waser等人[21]开发了一种带翅片管的LHTES单元数学模型，将三维模型用于描述翅片周围PCM的热行为，将一维模型用于捕捉HTF的温度变化。该模型准确描述了LHTES单元的热行为和HTF出口温度，同时有效预测了PCM的过冷现象。Zhao等人[22]开发了一种三维模型以评估中试规模管翅LHTES单元的热行为，准确捕捉了连续24小时充放电循环中的传热过程，同时考虑了非等温熔化和过冷行为。综上所述，用户自定义数学建模已成为研究LHTES单元热行为的有效替代方案。然而，目前TFS-LHTES的自定义模型尚不存在，因为TFS的复杂几何形状使得开发反映真实物理配置的数学模型较为困难。同时，CFD模型往往需要较高的计算成本，限制了其对LHTES单元长期和大规模运行的研究能力。为了研究TFS-LHTES在工业余热回收和移动供暖过程中的热性能，有必要开发一种在计算精度、成本和模拟规模之间取得平衡的数学模型。

为促进TFS-LHTES单元在M-TES供暖领域的商业化应用，不仅需要研究其热行为，还需考察其经济可行性。M-TES系统的经济效益与运输距离和成本等因素显著相关。Mara等人[23]设想在萨里郡采用M-LHTES作为区域能源网络的替代方案，分析了使用柴油卡车、可再生天然气卡车和电动卡车运输15 km、30 km和45 km距离热能的经济学。研究表明，M-LHTES的能源成本随运输距离增加而上升，提高M-LHTES的蓄热密度并缩短工业热源与用户之间的距离是更具成本效益的解决方案。Li等人[24]对M-LHTES进行了经济评估，发现M-LHTES供暖成本主要取决于运输距离和热需求，供暖成本与运输距离成正比，与热需求成反比。敏感性分析显示，供暖成本对PCM价格的敏感度高于其他参数。Guo等人[25]基于中国案例研究对M-LHTES系统进行了技术经济评估，得出结论认为M-LHTES适用于中国中小型供热用户，特别是采用风机盘管和地暖管路的供暖系统。最佳运行策略为每日使用两个集装箱、四个集装箱的运输周期，投资回收期约为10年。在后续研究中，Guo等人[26]从政策视角分析了M-TES在中国清洁供暖领域的潜力，强调其在实现碳中和目标中的重要性。然而，该研究也指出，M-TES的大规模应用面临技术、经济和政策挑战。上述研究倾向于从宏观角度评估M-TES的运行经济学，缺乏基于具体案例的调查以及对M-LHTES单元初始投资的评估。

为解决这一问题，本研究对M-LHTES进行了综合分析。首先，基于此前开发的TFS-LHTES单元的工作原理和蓄放热特性，建立了数学模型以准确描述LHTES单元的运行热行为。其次，通过评估M-LHTES的初始投资和运营经济性，开发了移动工业余热供暖的典型应用场景。随后，选取具体案例研究模拟建筑供暖负荷，分析了TFS-LHTES单元在建筑供暖应用中的运行热行为。最后，评估了三种供暖模式的经济和环境性能：电锅炉供暖、电锅炉耦合移动GS-LHTES单元、电锅炉耦合移动TFS-LHTES单元。研究结果为M-LHTES的大规模应用提供了参考。

物理模型

为实现LHTES的长期和系统级模拟，本研究基于传热过程开发了LHTES传热数学模型，采用有效热容法描述相变传热问题。随后采用有限体积法求解该数学模型，并验证了其准确性。

为验证建模方法的准确性，本研究首先建立了三维M-LHTES模型，并进行了实验对比。初始投资评估结果表明，初始投资成本占单位蓄热成本的45%–55%，其中PCM成本占比最大。

LHTES单元的初始投资

为将开发的LHTES单元有效应用于工业余热供暖领域，有必要进行经济评估。LHTES单元的成本可分为初始投资成本和运营成本，其中初始投资成本主要包括PCM成本、换热结构成本、设备壳体成本和其他成本：

C_unit,M-TES = (C_total,PCM + C_total,shell + C_total,tube) / Q_theoretical

其中，C_unit,M-TES、C_total,PCM、C_total,shell、C_total,tube和Q_theoretical分别表示单位蓄热量的初始投资成本、PCM总成本、壳体总成本、换热结构总成本和理论蓄热量。

案例选择

基于经济敏感性分析结果，选取天津一处住宅建筑作为案例研究。该建筑供暖面积为2000 m2，供暖季节运行160天。考虑到白天供暖需求较低，M-LHTES在17:00至次日9:00期间提供供暖。安装小型电锅炉以满足9:00至17:00期间的供暖需求。

结论

本研究首先建立了一个能够准确描述TFS-LHTES单元热充放电行为的数学模型，并验证了该模型的有效性和准确性。随后，选取了移动工业余热供热作为LHTES单元的实际应用场景。对系统的初始投资和运营成本进行了评估，并确定了一个代表性案例。此后，在TRNSYS中建立了建筑模型，并进行了聚类分析。

作者贡献声明

何子健：撰写——初稿、方法论、调查研究、数据整理、概念构思。
翟雪：软件、方法论、概念构思。
朱佳文：可视化、调查研究。
路石磊：撰写——审阅与编辑、指导、项目管理、资金获取。

利益冲突声明

作者声明不存在已知的竞争性经济利益或个人关系可能会影响本文所述工作的客观性。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（编号：52538003）、天津市自然科学基金（编号：25JCQNJC01600）和中国博士后科学基金会博士后面上资助项目（项目编号：GZC20252122）的资助。

何子健 | 翟雪 | 朱佳文 | 路石磊
天津大学环境科学与工程学院，天津，300072，中国