2.2 储热技术发展与应用

2.2.1 储热技术的发展

储热技术是能够提高能源利用率和保护环境，可用于解决热能供给与需求不平衡以及热能供求在时间和空间上的矛盾。通过对储热技术的应用，能源的利用效率得到了很大的提高。

众所周知，热能是人类生活中最重要的能源之一。但是，大多数能源都存在间断性和不稳定性，因此在很多情况下，人们都较难合理地利用能源，存在不需要热能时有大量热量产生，需要热能时热能供应却不足的问题。于是人们开始研究怎样储存热能，并试图找到适当的储热方式，利用特定的装置和特定的储能材料把过剩或者多余的余热存储起来，以便需要的时候再利用，从而解决由于时间和地点限制以及供热和用热的不匹配、不均匀所导致的能源利用率低等问题，这种技术称之为储热技术。由于储热材料对储热技术的发展起着关键的作用，决定着储热技术的发展水平，因此储热材料是储热技术中至关重要的因素。

1.显热储热技术的发展

显热储热技术是一种最为简单也最为成熟的储热技术，也是储热技术中应用最早、推广最为普遍的。在工业应用上有很长的一段历史，而在显热储热技术中，熔融盐显热储热技术是其中原理较为简单、技术比较成熟、储热方式比较灵活并且成本低的一种储热技术。早期，熔融盐储热技术中采用单一组分的熔融盐，但是单一组分的熔融盐不但熔点高而且热稳定性差，于是人们开始研究混合熔融盐，希望能降低其熔点并提高其热稳定性。通过对于混合熔融盐的研究，人们找到了以各种组分和不同比例混合而配制成的熔融盐，优化了熔融盐储热技术。目前太阳能热发电领域熔融盐的显热储热技术已经得到了具体的应用（图2.2）。

但是，尽管许多科研人员对于显热储热中的混合熔融盐的配制做出许多尝试，对于最适合、最合理的配制比例，目前仍然没有统一的理论指导，这也是熔融盐显热储热技术继续向前发展的一个瓶颈。除此之外，熔融盐的腐蚀问题也是客观存在的，需要进一步研究，以缓解腐蚀速度。

2.相变储热技术的发展

相变储能技术利用材料在相变时吸热来储存能量，因此相变储能技术又称为相变储热技术。在众多的储热技术中，相变储热技术是最有发展前途、目前研究与应用最多且最重要的储热技术。其储能密度比显热储热密度高出一个数量级。与其他储热技术相比，相变储热技术放温恒定，可以稳定地输出热量并且换热介质温度基本不变，使储热系统可以在稳定的状态下工作，但是它的储热介质往往存在过冷、导热系数较小、易老化、易腐蚀周围设备等缺点。

在相变储热技术中，影响相变储热技术的核心因素是相变储热材料。相变储热材料由多组分构成，包括主储热剂、相变点调整剂、防过冷剂、防相分离剂和相变促进剂等部分。这种材料具有能量密度高、所需装置简单、体积小的优良特性，且材料的设计灵活、使用起来也比较方便。

为了使相变储热技术得到更好的发展，国内外的研究者对各种相变储热材料的多功能性进行了大量研究。早在20世纪60年代，国外已经开始了对于相变储热材料的研究工作，并取得很大的成就。而我国是在20世纪80年代初才开始着手于相变储热材料的研究，且主要研究对象是相变储热材料中的无机水合盐类。除了储热材料，在相变储热技术中，影响储热系统性能的因素还包括储热系统的储能密度、储热时间、放热时间、储热效率等。

在相变储热技术中，相变储热材料主要包括有机类和无机类材料，储热温度主要包括高温和中低温。目前，利用昼间放热、夜间储冰的低温相变储热技术已经成为当前空调行业的研究热点。而在高温相变储热方面，20世纪80年代中期美国自由号空间站计划的实施就极大地推动了高温相变储热技术的发展。高温相变储热技术的发展与近20年航天事业的发展有着密切联系。在空间站中，将太阳能转变为航天器能够直接利用的电能，主要采用两种方法：一种是光电直接转换系统，利用光电电池直接将太阳能转变为电能；另外一种是应用太阳能动力发电系统，将太阳辐射转变为热能，再利用动力循环将热能转变为机械能，最后用发电机将机械能转变为电能。但是，由于光电直接转换系统的光电转换效率太低，无法满足空间站的电力需求。而与光电直接转换系统相比，太阳能动力发电系统具有明显的优越性，如效率高、寿命长等。因此，各国都开始积极研究太阳能动力发电系统。在太阳能动力发电系统中，高温相变储热技术是其核心技术，并且随着人类对空间探索规模的不断扩大以及人类活动增多，高温相变储热技术得到了快速发展。

3.化学反应储热技术的发展

化学反应储热技术主要利用化学反应实现热能与化学能的转化，从而将能量储存起来。与相变储热技术和显热储热技术相比，化学反应储热技术是一种高能量、高密度的储热技术，其储热材料的储热密度明显高于显热储热技术和相变储热技术，并且可以进行长时间的热能存储。但是，由于将化学反应储热技术应用于具体的储热体系时比较复杂，目前主要在太阳能领域受到重视。

对于化学反应储热技术，目前研究较多的是热分解反应中有机氢氧化物的热分解、无机氢氧化物的热分解、碳酸化合物的热分解以及金属氢化物的热分解。如前所述，目前，化学反应储热技术主要应用于太阳能的存储，这种应用主要利用无机氢氧化物分解为氧化物和水的可逆反应来存储太阳能。除此之外，无机氢化物的脱水反应也可以用来存储热能。目前对于无机氢氧化物中的Ca（OH）₂/CaO和Mg（OH）₂/MgO两系统已经有了比较详细的研究。除了无机氢化物外，其他金属氢化物也能很方便地将太阳能存储起来。

总之，利用化学反应储热是一门新兴的技术，它具有储热密度高、储热性能好、可供选择材料多等优点。如果能够解决技术复杂、投资大等问题，那么化学反应储热技术将会在更多实际工程中得到广泛的应用。

4.移动储热技术的发展

移动储热技术是指利用储热材料来储存热量，以解决热源与热能需求在空间分布不匹配的问题，满足热能供应的需要。利用移动供热车，不仅解决了热能的供需不平衡的问题，也打破了传统的管道输送模式，移动储热系统样例如图2.3所示。使用移动储热技术，可以使热量在更广泛的范围内得到充分利用，同时可以减少化石燃料的燃烧，进而降低二氧化碳的排放。

在移动储热技术的发展进程中，最为核心的发展技术是储热技术。显热储热技术、相变储热技术都可以用于移动储热技术中。与相变储热技术相比，显热储热技术较为简单，但是当其应用于移动储热车上时，因其储热密度较低，并且在放热过程中温度会持续发生变化，使得显热储热技术在移动储热技术中的应用受到限制。而相变储热技术储能密度高，且装置简单，因此，在移动储热技术中，应用相变储热技术是更好的选择。

2.2.2 储热技术的主要应用

储热技术已应用于多个领域，并且在各个领域发挥着不可代替的作用。当储热技术应用于太阳能领域时，太阳能的利用率得到很大提高；当储热技术应用于工业废热及余热的回收时，其回收率得到大大的提升；当储热技术应用于建筑和空调行业时，空调所耗费的能量得到了极大的节省。除此之外，储热技术还被广泛应用于化工及其他工业生产领域，通过对储热技术的应用，将不稳定、不持续的热量储存起来，不但降低了企业能耗，也减少了由一次能源转变为二次能源的过程中产生的有害物质，由此也减少了有害物质对于空气的污染。

1.储热技术在太阳能热储存中的应用

太阳是人类社会的重要能源宝库，可以为人类的生产生活提供能量。太阳能资源非常丰富，但由于到达地球表面的太阳辐射能的密度很低，而且受地理、昼夜、季节变化、天气阴晴云雨的交替、环境等因素的影响，使得到达地面的太阳辐射强度也随之变化，所以实际上太阳能的利用率却很低。这是因为在太阳能利用过程中，太阳能辐射强度具有极大的不稳定性、稀薄性以及间断性，导致供热装置和供电装置间断工作，使太阳能不能得到很好的利用。为了消除这些随机因素的制约，就需要有相应的储热技术和储热装置来存储太阳能热能，使得供热装置和供电装置更加平稳地运行。

当太阳能辐射强度足够大时，应用储热装置能够将太阳能热能储存起来；而当太阳能辐射强度不够时，储热装置又会将存储的太阳能热能释放出来，以满足供热、供电、采暖、工业生产等方面对热能的需求，保证装置能够稳定、有效地运行。

2.储热技术在电力调峰及电热余热储存中的作用

电力短缺一直以来都是人类社会的一个重要问题，但是人类对电力资源的浪费却不容小觑，如葛洲坝的水利枢纽工程，其用电高峰与低谷的发电输出功率分别为220万kW、80万kW，用电低谷时减小的电能只有通过弃水解决，所放弃的能量总和非常之大。如果能够回收这部分能量，能源的紧张状态自然也会得到一定程度的缓解。目前为止，储热技术仍是回收未并网的小水电、风力发电的一个重要手段。

在发电厂中应用储热技术，其储热装置可以经济地解决高峰负荷的问题，并且填平需求低谷，以缓冲储热方式来调节机组，使其负荷更方便（图2.4）。采用储热技术可以节约燃料，降低其初始投资的投资费用和其燃料的耗费所需费用。运用储热技术还可以提高机组的运行效率，改善机组的运行条件，使机组更好地运行。这在很大程度上提高了能量的利用率，减少浪费。通过对余热和废热的存储，污染气体的排放也大大减少。

在核电站中运用储热技术，能够使核反应堆更加安全、经济地运行，因此储热技术在核电站中颇受关注。采用储热技术，不但使核电站的初始投资得到充分利用，同时，对于高峰负荷采用储能结合核电机组的形式，可以减少低效率高峰机组的使用以及减少单独对于高峰机组的使用，使得核燃料元件按照基本负荷运行，这样对核燃料元件的损害也就降到最低。此外，储热技术在余热的存储中也具有光明的发展前景。当余热及废热产生时，储热装置将这些热量存储起来，到需要使用时，储热装置根据工作温度释放储存的热量。

3.储热技术在工业加工及热能储存中的作用

目前工业上主要是采用再生式加热炉和废热储能锅炉装置来存储热量，储热式电锅炉设备示意图如图2.5所示。运用储热技术，不但可以回收电炉的烟气余热以及废热，还可以减少冷却过程中装置对于水的消耗量，同时减少工业生产过程中对空气的污染。目前储热技术在工业中的应用主要包括造纸业、纺织业、食品业以及采暖系统。

众所周知，在造纸、制浆的行业中，燃烧废弃木料的锅炉对于负荷的适应能力较差，这就使得储热技术对此行业尤为重要。通过储热技术的利用，装置适应负荷的能力得到了明显提升。

而在纺织业，纺织过程中染色剂漂白时负荷经常发生波动，而储热装置可以很好地适应这种波动。除此之外，利用储热技术，可以在纺织服装方面制成自动调温的服装。这种储热调温的纺织品能够根据外界环境温度的变化为人体提供舒适的气候环境。

在食品业的食品加工过程中，食品通常有洗涤、蒸煮、杀菌等过程，但是用于这些过程的装置常常存在负荷适应能力不强的问题，这就使得负荷时常发生波动。通过储热技术、储热装置来满足负荷的波动，使得洗涤、蒸煮、杀菌等过程能够很好地进行。

对于采暖系统，每年中只有非常短的一段时间采暖功率达到最高峰，因此采暖系统需要随着采暖的需求变化而随时调整，造成采暖锅炉由于需求波动而频繁启停，致使能量大量损失。通过储热装置，可以降低装置的设计功率，消除部分负荷运行的情况，从而提高能量的转换效率。同时，这也增加了系统的储热容量以满足波动负荷的需求，从而降低锅炉启停的频率，也降低了对能量的消耗。

4.储热技术在建筑工业中的作用

现代的建筑正在逐渐向高层发展，这就需要采用轻质材料作为围护结构。但是，由于普通的轻质材料的热容比较小，室内温度波动也比较大，使得室内热环境不舒适，并且会增加空调的负荷，导致建筑能耗上升。这就需要向建筑物材料中加入相变材料，制成具有较高储热容量的轻质建筑材料，称之为相变储能建筑材料（图2.6）。

利用相变储能材料构筑建筑围护结构，其作用显而易见：首先，可以通过减小空气处理设备的容量使得空调及供暖系统利用夜间廉价的电力运行，从而降低其运行费用；其次，利用这种材料可以提高室内舒适度，降低室内温度，降低对于空调的使用；最后，利用相变储能材料，不仅可以提高材料的耐久性，也可以降低热能的储存费用。

5.储热技术在航空领域中的作用

在近几十年里，航天技术得到突破性的发展，人类在航空航天领域跨越了一个又一个的里程碑，对经济的发展及社会进步起到了明显的推动作用。随着人类对于太空的探索越来越深入，作为探索太空最重要的空间基地的太空站也不断发展。与此同时，空间应用对于电力的需求也进一步增大，高效电源系统的开发与利用受到了越来越广泛的关注，而储热技术能够增强电力供应，使电源系统高效地运行，这使得储热技术在空间站中的应用也越来越受到关注（图2.7）。

6.储热技术在空调领域中的作用

空调是主要的耗电装置，也是电网谷峰形成的重要原因，要解决这一问题，就需要利用储热技术，以达到按需供应及充分利用峰谷的电差价。当电力负荷处于低峰时，可以利用储热材料的储热特性，把热能存储下来；而当电力负荷处于高峰期时，又可以将热能释放出来，以满足对热能的需求。因此，在空调领域应用储热技术，不仅可以调荷避峰，还可以减少人们对于电量的使用。