构建低碳供暖体系，储热技术该如何应用？

储热是提升供暖系统经济性，保障部分不稳定低碳能源稳定供暖的必要条件，是构建低碳和零碳供暖体系的重要组成部分。

在6月22-23日于常州召开的2021年第三届中国储热大会上，中国建筑科学研究院环能院新能源应用研究中心主任李忠就“低碳供暖中的储热技术应用”作主题演讲。

双碳目标下的供暖路径选择

据清华大学建筑节能中心测算，2018年我国建筑运行碳排放在21亿吨左右，约占全社会排放总量的20%。其中直接碳排放占50%，电力相关的间接碳排放占42%，热电联产热力相关的间接碳排放占8%。

李忠提到，减少建筑运行碳排放的三条主要措施：一是通过建筑节能减少建筑能耗——超低能耗、零能耗建筑；二是通过技术进步提升用能设备能效——高效机电设备；三是采用低碳或零碳技术——新能源与可再生能源技术应用。

当前，大多数能源系统还达不到零碳的要求，在双碳目标要求下，李忠介绍了几种低碳供暖技术选择路径。在碳达峰阶段，优先选用碳排放相对较小的低碳技术，例如热泵供暖、天然气供暖、燃煤热电联产供暖、零碳能源与传统能源复合供暖（太阳能光热+燃气供暖、太阳能光伏+电供暖（含热泵）、地热直供+热泵等）。

在碳中和阶段，选用碳排放为零的零碳技术，例如电供暖（电网实现100%绿电）、零碳能源供暖（太阳能供暖、生物质能供暖、核能供暖等）、零碳能源与绿电复合供暖。

为什么要选择储热

储热是解决热源与供暖需求之间在时间、地点和强度上的不匹配问题的有效途径，也是充分利用峰谷电价降低供暖费用的常用手段。

从储热技术形式来看，一是可以利用建筑构件储热，这样温差变动小，常用重型结构或相变材料储热；二是可以采用自然构造储热，常用的包括土壤、水体、岩石等，主要用于超大型或跨季节储热中；三是可以利用专门的储热设备储热，这是目前应用最多的方式，主要包括显热储热和相变储热。

其中，显热储热需要靠加大储热温差和选用大比热材料提升储热强度，常见的储热材料有水、导热油、蓄热砖等，主要的技术参数有蓄热量、蓄热时间、放热量、放热时间、漏热率、循环阻力以及分层指数等。相变储热在相对恒定的温度下依靠相变潜热可以实现较高的储热强度，常见的储热材料有石蜡等有机物和无机水合盐等，主要的技术参数有蓄热量、蓄热时间、放热量、放热时间、漏热率、蓄热效率、循环阻力以及热稳定性等。

从储热技术应用场景来看，储热技术经常被应用于以下场景中：

■电力系统调峰和谷电消纳需要储热，储热借助峰谷电价机制全谷电运行可以有效提高电供暖系统的经济性；

■太阳能、工业余热等清洁能源受到天气、地点、工艺等的影响不能稳定供应，需要通过储热来满足建筑供暖的技术需求；

■当采用工业余热等不易调节和保存的免费热源时，储热可以通过实现供暖负荷的移峰填谷来减小系统装机容量；

■跨季节储热帮助实现夏热冬用，可以改善冬季系统运行工况，提升系统能效。

储热在低碳供暖中的典型应用

李忠具体介绍了储热技术在目前低碳供暖中的几个典型应用场景，主要包括：

一、被动式太阳能采暖。这在村镇农村地区有很好的应用基础。

二、太阳能短期储热+电供暖。太阳能具有随机性和不可靠性，在需要供暖可靠性保证时一般需要辅助能源，电直热或热泵是最常见的辅助能源。太阳能空气供暖一般多以围护结构作为储热体，太阳能液体供暖一般以储热水箱作为储热体，造价不敏感的项目也有以相变单元作为储热体。太阳能供暖系统容量宜按使用频率最大的基本供暖负荷选型，推动太阳能系统全年持续满负荷有效运行，系统高峰负荷初投资较低的电供暖系统调峰，此外，太阳能供暖系统是天然的低碳供暖，绿电引入后很容易实现零碳供暖。

三、太阳能季节储热+热泵。成熟的太阳能集热技术与季节储热技术结合，利用热泵加大储热温差，可以实现太阳能全年综合利用，在北欧有大量应用，国内也有示范项目，但此类系统技术经济性尚待进一步验证，是未来零碳供暖的主要形式之一。

四、电储热装置。此类设备可充分利用谷电电价供暖，有效降低供暖费用，一般采用全谷电运行模式，装机容量大，配电要求高，初投资较大，必须要有较好的谷电价格相配套。其中固体蓄热技术温度一般较高，更加需要考虑安全性。电储热装置能否实现零碳或低碳供暖将取决于所用电力中绿电所占比例。

五、电锅炉+储热装置。大型系统一般采用10KV以上高压电，常见高压电极锅炉+水蓄热系统用于电厂或集中供热调峰。小型系统一般分布式设置，采用市电热水锅炉，考虑中低温限制和空间因素，一般采用相变蓄热模块蓄热，其能否实现零碳或低碳供暖同样取决于所用电力中绿电所占比例。

六、热泵+热源侧储热。热泵热源侧温度要求较低，储热体可以充分利用自然构造，如土壤、自然水体等。强调排热与取热平衡的地源热泵供暖系统本质上属于热泵+热源侧储热，地球表面可以视作为近乎无限的储热体，浅层地表温度较恒定的特性，保证了供暖系统的高效性和经济性。热泵与跨季节储热系统结合，可以实现跨季节储热的梯级利用，提升储热温差，改善系统经济性。

七、热泵+用热侧储热。热泵出水温度较低，一般无法提供显热储热所需的大温差，主要与相变储热模块搭配，视情况也可与水蓄热搭配使用。利用谷电制备热量在峰电时段使用可以进一步提升供暖经济性，但空气源热泵要考虑谷电时段一般环境温度较低对机组性能的影响，必要时需进行技术经济分析后确定。

八、光伏驱动电供暖+储热。光伏驱动电供暖技术主要是利用光伏发电来驱动电直热或热泵供暖，其供暖系统本质为电供暖（含热泵）系统。随着光伏发电技术发展，光伏发电平价上网成为可能，在太阳能资源丰富地区利用光伏发电，结合市政电源驱动电供暖成为可能。及时将光伏电力转换为热储存起来，可以避免配备昂贵的储电设施，提升经济性，可充分利用屋顶资源，吸引投资商来投资，供暖季光伏发电直接用于免费供暖，非供暖季上网售电收益来补偿投资。光伏技术是未来碳中和的主要手段，通过储热实现100%光伏驱动电供暖很容易实现零碳供暖。

储热技术发展预判

李忠表示，双碳目前大部分还停留在规划或政府层面，真正的实施需要真金白银去支撑各种技术的发展，一个新技术需要大量投资，在增加了投资的基础上还需要市场去检验，最终能不能运转起来由市场说了算。

对于储热，李忠认为，储热是提升供暖系统经济性，保障部分不稳定低碳能源稳定供暖的必要条件，是构建低碳和零碳供暖体系的重要组成。

此外，适当的建筑节能保温改造可以降低供暖能耗，被动太阳能采暖技术也可帮助改善室内热环境，是降低供暖系统碳排放的有力手段。

目前，部分储热技术尚存在价格较高，储热密度较低，充放热速度慢，储热系统在建筑中安装的安全性尚需验证以及储热装置的寿命和可靠性不足等问题，需要加大研发力度，为储热的规模化应用夯实基础。