一种集成先进绝热压缩空气与深井技术的多能储能系统：热力学与经济分析

《Energy》：A multi-energy storage system integrating advanced adiabatic compressed air and deep borehole technologies: Thermodynamic and economic analysis

　　

• 提出利用深孔换热器将AA-CAES的压缩废热储存在地下。
• 压缩废热可实现跨季节回灌，以缓解地下热枯竭问题。
• 该集成系统设计用于以供热为主的应用场景。
• 采用GRNN-GA框架实现耦合系统性能的多目标优化。
• 该系统展现出更高的热力学效率和更短的经济回收期。

引言

在全球能源转型和碳中和目标的背景下，大规模可再生能源并网已成为主要趋势。然而，风能和太阳能等可再生能源固有的间歇性和波动性给电力系统的平衡带来挑战，使基于储能技术的调节措施显得尤为重要。在众多储能方案中，压缩空气储能（CAES）等机械储能技术因具有较高的技术成熟度和大规模部署潜力，成为支撑可再生能源高比例并网的有前景的解决方案[[1]、[2]、[3]]。CAES具有储能容量大、使用寿命长等优势，是建设以可再生能源为主体的新型电力系统的一项有前景的灵活性资源[4,5]。

压缩过程会释放大量热量。尽管在绝热系统中大部分热量可通过冷却器回收，但仍有一部分低品位热量通过冷却塔散失。在高参数CAES系统中，通常采用两级冷却方式以维持循环介质温度的稳定[6]。为实现梯级能源利用并最大化系统整体效益，研究人员尝试通过耦合系统重新利用这部分热量。这些耦合系统已广泛应用于多种场景，包括电网侧的大规模调峰和调频、可再生能源枢纽储能、分布式能源系统以及工业园区综合能源供应[7]。在系统集成层面，将CAES与风能和太阳能等间歇性可再生能源相结合，并辅以多能互补的智能控制算法，是提高整体能源利用效率的有效策略。表1总结了CAES与其他技术或系统之间的代表性耦合配置。

尽管各种CAES混合方案在供电领域得到了广泛研究，但鲜有设计针对低品位压缩废热的回收以用于建筑和工业供热。全球碳中和政策持续推动清洁地热供热的大规模应用。深孔换热器（DBHE）具有钻孔深度大、地温高、单孔供热负荷高的特点[24,25]，相较于浅层地热热泵系统具有明显优势[26,27]。然而，DBHE的长期取热会导致地温下降，从而降低供热性能[28,29]。现有的季节性储热方法主要依赖太阳能集热系统，其热源不稳定且增加了设备投资。因此，亟需识别低成本、持续性的废热源以实现地下跨季节热补充。

已有研究表明，储热可使单个DBHE的取热能力提高约10%，而多个DBHE的总取热能力可提高24.25%。此外，同一地点的地热温度可恢复10%以上[30,31]。然而，尽管这些研究将热储热源简单描述为"免费废热"，本文则利用CAES系统的压缩废热作为DBHE系统的热源，从而解决了现有DBHE热储系统普遍存在的未明确热源问题。此外，已有研究仅关注能源经济性，未从初始投资和运营成本的视角对DBHE热储系统进行经济分析，而本文则弥补了这一不足。研究还表明，利用太阳能等热源的季节性热储存可有效缓解热衰减。具体而言，针对DBHE系统，研究人员开发了一种整合外部热储存源的系统，发现优化埋深并结合适当的热储存参数可在典型条件下使平均供热能力提高37.2%，同时将循环泵功耗降低40%[32]。对于U型DBHE系统，在极寒地区热储存尤为必要。研究表明，热储存进口温度必须超过一定阈值，而流量不宜过高。尽管热储存措施可显著扩大供热面积并减少CO2排放，但可能会降低能源效率[33]。在运行策略方面，储热期间流体应通过内管流动以释放更多热量，高进口温度与低流量结合的模式更为高效。储热阈值进口温度主要受换热器埋深和地热梯度影响，其中埋深的贡献度可达57.14%[34]。为解决深地热能管系统建模和分析的复杂性，研究人员开发了各种高效解析方法，包括基于时空叠加原理的优化解析模型，该方法可替代数值模拟，实现对储热和传热过程的精确计算。还提出了一种半解析方法来评估DBHE阵列运行期间的热衰减模式和最大取热能力[35]。此外，还开发了一种基于响应因子矩阵的快速算法，用于高效模拟阵列内的温度场和热相互作用[36]。

CAES与地热能及孔换热器耦合的研究也取得了进展。Zhang等人[37]提出的地热辅助压缩空气储能系统利用废弃井进行储气，并使用周围岩层的地热对空气进行预热。数值模拟表明，地热能可使空气预热约160 K，压力提高约0.5 MPa，从而使往返效率（RTE）提高约9.5%，项目回收期缩短约一年。Yang等人[38]比较了热CAES系统（三级压缩、两级膨胀）中地下废弃油井、地上钢罐和地上管道罐的性能。结果表明，由于与地热能的耦合，地下井方案的压力上升最快、排温最稳定、废热回收率最高，性能显著优于地上方案。Deng等人[39]进一步证实了利用废弃油井进行CAES在降低改造成本和增加存储潜力方面的优势。另一种技术途径是通过专用地下管道提取地热并将其与CAES整合。Zhang等人[40]提出的通过同轴套管实现地热利用的CAES系统，利用同轴套管井在膨胀前对压缩空气进行预热，并在能量释放的每个阶段提供充足的热补充，在24小时运行周期内实现了64.26%的RTE和122.68%的能源效率。Sarmast等人[41]研究了一种部分绝热套管孔CAES系统，该系统将高温压缩空气的热能和机械能同时存储在钻孔阵列中。模拟显示，其初始RTE约为40%，且效率随运行循环次数的增加而提高。进一步的系统集成和优化揭示了此类耦合系统更广阔的应用潜力。Yin等人[42]设计的太阳能-地热能-CAES混合系统利用地热闪蒸-有机朗肯循环驱动CAES充电，同时太阳能集热器辅助发电。通过多目标优化，该系统实现了20.43%的?效率和3.07年的最短回收期。Assareh等人[43]提出的整合太阳能、地热能和氢能的CAES系统通过多目标优化在伊朗不同气候条件下实现了最大化RTE和最小化成本比之间的平衡，最优RTE为29.25%。此外，Zhang等人[44]研究的结合生物质气化、CAES、燃气轮机和地源热泵的冷热电三联供系统，实现了90.06%的循环效率、31.52%的?效率和3.032年的动态回收期。

CAES和DBHE单独运行时均存在无法自行解决的性能限制，而两种系统的工程短板恰好互补。如前所述，一方面，CAES的多级压缩过程产生废热，大量热量通过冷却塔直接排放。另一方面，DBHE的长期取热会降低供热能力，而现有DBHE季节性储热技术的热源稳定性较差。两种技术的运行特征比较表明，CAES的充电阶段可稳定输出废热，恰好弥补了DBHE缺乏稳定热源的问题。同时，地热层可提供大容量季节性热储存空间，能够吸收CAES原本会被浪费的压缩热，从而同时提高储能系统的整体能源效率和地热设备的长期供热稳定性。然而，现有研究仅利用地热能对CAES的膨胀入口空气进行预热，而未利用CAES压缩热在地热岩层中储存热能以缓解DBHE的热衰减。关于这一耦合协同系统在热力学、优化和技术经济分析方面仍存在显著的研究空白。就文章结构而言，首先进行热力学分析以评估影响DBHE储热的关键参数。然后，研究五个关键参数对CAES的RTE和DBHE的额定取热能力（NHEC）的影响。如空气流量以及压缩和膨胀设备的效率等参数会影响压缩热的产生量和循环中的不可逆损失，直接影响CAES系统的RTE。此外，由于DBHE系统的热源来自压缩热，这也间接影响NHEC。随后，采用遗传算法（GA）对RTE和NHEC进行多目标优化。最后，评估耦合系统的经济可行性。所提出的耦合方法旨在为CAES系统中的废热利用提供新的见解。所提出的耦合方案可提高系统整体效率并延长深孔换热器用于地热开采的长期运行寿命，证明了大规模应用的技术可行性，为CAES在小型CAES项目中的实施提供了坚实的理论基础和实践指导。

各节摘要

压缩空气储能系统

绝热CAES系统主要由压缩机、膨胀机、换热器（包括储能期间的冷却器和再冷却器以及释能期间的加热器）、热罐和冷罐以及储气腔室组成。绝热CAES系统的运行过程可描述如下。在充电过程中，系统利用低谷电力驱动压缩机，将环境空气压缩至高温高压状态。压缩过程中产生的热……

非热储存条件

在表2、表3规定的条件下，纯取热状态下的NHEC计算值为237.56 kW。图6(a)显示了初始地温分布，其中黑色实线表示40°C等温线。图6(b)–(d)分别显示了第5、10和20个供暖季后的地温分布。结果表明，随着取热期的延长，地温逐渐下降。这表明尽管……

关键参数对RTE和NHEC的影响

在CAES系统中，众多输入参数在充电和放电过程中均会影响系统性能。因此，有必要研究关键参数对系统运行的影响。此外，由于DBHE储热热源来自CAES系统，某些参数的变化也会影响NHEC。据此，本节考察五个关键参数（即空气流量、压缩比、压缩机等熵……）的影响。

CAES和DBHE的多目标优化

为优化系统性能，本节旨在通过优化关键运行参数来最大化RTE和NHEC。

该优化问题可表述如下：在装机容量约束条件下，确定设计变量的最优组合，使循环效率（RTE）和净热效率（NHEC）最大化。基于第4节的参数影响分析，选取了五个对系统性能影响显著的连续参数作为优化变量：空气流量（$m_a$）。

**经济分析**

为了全面评估耦合系统在整个生命周期内的投资和回收期，本节从能量和经济两个角度评估其性能。

**结论**

为充分利用CAES系统的余热，创新性地提出了一种CAES-DBHE耦合储热系统。从热力学和经济两个角度分析了系统的运行特性，并对相关参数进行了优化。主要结论如下：

（1）DBHE储热可有效减缓地下温度衰减，降低回流温差（RTD），提高净热效率（NHEC）。

（2）研究了五个关键参数对RTE和NHEC的影响。其中，

**CRediT作者贡献声明**

Haiyu Fu：撰写——初稿、验证、软件、调查。Dongsheng Niu：监督、项目管理。Kaixuan Wang：监督、项目管理。Kenan Cheng：监督、项目管理。Liyue Tan：调查、正式分析。Zhuo Yin：调查、正式分析。Shaohua Han：软件、调查、正式分析。Kun Hu：监督、资源。Leping Zhou：撰写——审阅与编辑、监督、资源、项目管理、方法论、资金支持。

本工作由陕西省创新能力支撑计划（编号：2023KJXX-086）提供资金支持。Haiyu Fu感谢中国科协青年科技人才培养项目博士生计划的资助。DBHE建模基于中国山东建筑大学于明志教授和方兆洪教授团队开发的代码。作者对他们的支持表示衷心感谢。

**利益冲突声明**

无利益冲突。

**致谢**

本工作由陕西省创新能力支撑计划（编号：2023KJXX-086）提供资金支持。Haiyu Fu感谢中国科协青年科技人才培养项目博士生计划的资助。DBHE建模基于中国山东建筑大学于明志教授和方兆洪教授团队开发的代码。作者对他们的支持表示衷心感谢。

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