随着全球终端用能需求的持续增长，探寻高效、清洁供热/冷的能源解决方案已成为研究热点。规模化热能存储技术（TES）是解决可再生能源间歇性、转移电力峰值、以及匹配用户负荷需求的关键技术之一。然而，热能存储和转换利用过程中，基于传统电气化设备制热如电加热器或电锅炉结合储热的路径，存在热能品味（质量）和总量（数量）降低的不足。热泵（HP）是一种高能效、高成本效益的电气化制热设备，目前已广泛应用于空间加热/制冷、生活热水供应、工业蒸汽等领域。相变材料（PCM）潜热储热是高能量密度、恒定储热温度的高效储能技术之一。将热泵和相变储热技术相结合，可实现热能“增量提质”、灵活调控、梯级利用，从而提高电网安全性，为推动全球能源转型和实现碳中和目标提供有力支持。
近日，上海交通大学低温与制冷工程研究所王如竹教授ITEWA团队在能源环境类期刊“Energy & Environmental Science”上发表题为《Heat pump integrated with latent heat energy storage》的综述文章。论文探讨了热泵-相变储热耦合技术在电网调峰及灵活匹配用户负荷中的应用潜力，归纳了热泵和相变储热耦合的意义与双边优势，重点介绍了其耦合原理和多样化技术路径的研究进展，剖析了其在未来规模化热能存储与转换利用中的发展前景和所面临的挑战。上海交通大学低温与制冷工程研究所博士后谢宝珊为第一作者，王如竹教授为通讯作者。
【综述概述】
根据目前研究进展（图1），热泵和相变储热耦合技术的研究主要归纳为三个方面：（1）耦合系统的热力学优化；（2）考虑分时电价的耦合系统经济成本评估；（3）不同热泵和储热装置的耦合结构配置研究。热泵-相变储热耦合技术的先进性在于：可同时利用热能和电能，与使用单一电能或热能输入的储能技术等相比，具有更高的经济效率和灵活调控能力；将电能转换为热能，谷电时存储、用电高峰时释放，可灵活匹配用户热负荷需求、降低电费成本、提高电网安全性；由于不同用户的热利用需求存在低温、中温、高温的差异，热泵根据需求调节输出温度，与相变材料相结合，确保不同温度需求的高效匹配。然而，分时电价机制下，两者之间存在如何高效匹配的难点。
图1. 2004-2024年热泵-相变储热耦合技术的研究论文统计和各类热能转换技术效率对比
本文首先总结了热泵和相变储热耦合的双边优势（图 2）。从储热角度出发，热泵可提升电热转换和热能存储过程中的热能品位和总量，促进热能梯级利用；从热泵角度出发，潜热存储提高热泵制热效率、维持热泵高效稳定运行、降低热泵用电成本。如上所述，在电能转换为热能的利用过程中，热能的不可逆损失会导致热力学性能下降。与直接电加热途径相比，储热式热泵系统通过热力压缩将低品位热能提升为高品位热能，从而提升热能质量。由于制热系数（COP），即热能输出与电能输入之比，总是大于1，因此热能数量增加。
图2. 热泵-相变储热耦合路径和双边优势
其次，本文梳理了热泵和相变储热耦合的原理和五种结构配置（图3），包括冷凝器侧储热、蒸发器侧储冷、蒸发器侧降低热源输入温度波动、蒸发器侧除霜，以及压缩机侧热管理。热泵与相变储热耦合的关键在于两者温度、功率、容量等参数之间的匹配：（1）储热装置的换热温度决定了相变过程能否正常进行，当相变温度高于最高散热温度时，无相变发生，潜热无法利用；（2）高压冷凝器的放热功率应与相变储热的储热功率相匹配，高压蒸发器的吸热功率应与相变储冷的储冷功率相匹配；（3）设计前需根据用户的热负荷确定储热器的总热容量。此外，由于不同用户的热利用需求存在低温、中温、高温的差异，热泵根据需求调节输出温度，与相变材料相结合，确保不同温度需求的高效匹配（图4）。
图3. 热泵-相变储热的不同耦合配置结构概览
图4. 热泵制热-相变储热-终端用户用热的温度匹配
本文进一步详细归纳了耦合系统性能评价方法，主要涉及系统效率即能量效率、㶲效率、火积效率和成本评估；并总结了影响耦合系统性能的因素（图5）：（1）几何因素，如相变储热装置的尺寸、形状和结构，热交换器结构等；（2）运行因素，如热泵的热源/吸收温度、压缩功率、制冷剂流量、换热流体流量等；（3）材料特性，如相变材料相变温度、热导率、相变焓值等。通过参数调整，尤其采用多目标优化算法等开展优化研究，可提升储热系统的存储效率、热泵COP、以及耦合系统整体性能，获得优化系统。
图5. 热泵-相变储热耦合系统性能的影响因素
本文从潜热储热的角度分析了提升系统性能的方法，并指出该系统中相变材料的选取标准，如相变温度等物理性质、化学毒性、经济成本等（图6）。针对不同热泵和应用需求，应选择合适的相变材料，应考虑其基本要求；相变材料具有能量密度高、相变温度稳定等优点，但其存在热导率低、易泄漏、过冷度大、相变分离等固有缺陷，针对相变材料的固有缺点，研究开发新型复合相变储热材料，包括定型复合材料、凝胶基复合材料、微胶囊复合材料等。此外，可以从几何参数等方面提出改进方法以强化传热换热。
图6. 相变储热材料温度、单位质量储能密度、耦合温度范围
本文最后介绍了相变储热和不同热泵耦合的最新研究进展（图7）。在耦合系统类型中，相变储能被广泛应用于间接膨胀式太阳能热泵系统，该系统可在夜间或阴天运行，以提供连续供暖。如，在太阳能集热器上使用相变储热的直膨式太阳能热泵具有较好的未来发展潜力，可以保持恒温，提高热容量，并解决寒冷地区热泵的频繁停启问题。在蒸发器和冷凝器侧耦合单个相变储热装置，既可供热又可供冷；或在两级压缩循环之间耦合相变储热，可实现大的温升。
图7. 太阳能热泵和相变储热耦合技术的研究进展
【总结与展望】
相变储热是利用可再生能源和非高峰期电力解决时间错配问题以降低热泵运行成本的一种关键技术。相变储热装置可以在热源充足时储藏热量，为连续运行的热泵供热，并在热源不足或不稳定时起到缓冲作用。此外，相变储热与热泵一体化，可通过热管理、结霜等防止频繁启动和停止，提高热泵的COP和稳定性。
目前，该技术也面临一定的挑战。如何进一步优化热转化与储存过程，减少热力学不可逆损失；如何选择合适的相变材料以实现最佳的温度匹配和储热效率；以及如何在大规模应用中实现分时电价机制下经济性和高效率平衡等。综合而言，该技术不仅能够应对能源供需不平衡的挑战，还能显著提升能源利用效率，助力全球节能减排目标的实现。这一技术的突破，将为全球能源系统低碳化转型提供新的解决方案。
文章链接：Baoshan Xie, Shuai Du, Ruzhu Wang*, Xiaoxue Kou , Jiatong Jiang, Chuanchang Li. Energy Environ. Sci., 2024.https://doi.org/10.1039/D4EE02350A
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“能源-水-空气”交叉学科创新团队ITEWA由上海交通大学王如竹教授创立，长期致力于解决能源、水、空气交叉领域的前沿基础性科学问题和关键技术，旨在通过学科交叉实现材料-器件-系统层面的整体解决方案，推动相关领域取得突破性进展。团队近年来在Science, Nature Water, Joule, Energy & Environmental Science, Advanced Materials, Nature Communications等高水平期刊发表系列学科交叉论文。
上海交大制冷所
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