跨季节储热技术应用及现状案例

跨季节储热技术是解决能源供需时间错配、实现碳中和目标的关键技术之一。

一、 什么是跨季节储热？

跨季节储热是指将夏季丰富的太阳能、地热能、工业余热等热能，通过特定的介质和设施储存起来，在冬季需要时用于建筑供暖或工业生产的过程。其核心是解决热能“夏丰冬欠”的时空矛盾，大幅提高可再生能源的利用效率。

储热周期： 通常为数月，例如从4月到10月储热，11月到次年3月取热。

二、 主要技术类型

根据储热介质和原理的不同，主要分为三类：

（一）水箱储热：

1.原理：使用大型、深度保温的地下或地上水箱作为储热容器，以水为储热介质。

2.优点： 技术成熟，成本相对较低，水无毒无害且比热容大。

3.缺点：单位体积储能量相对有限，易受地质条件影响，存在热损失。

（二）钻孔储热：

1.原理：在地下钻取数十个甚至上百个深度为30-150米的孔，孔内安装U型管。通过循环介质与土壤进行热交换，将夏季的热量“注入”地下土壤中。

2.优点：利用土壤作为储热体，规模可以做得很大，对地表空间占用小。

3.缺点：热损失相对较大，对地质条件（如地下水文）敏感。

（三）坑塘储热：

1.原理：挖掘大型土坑，内衬防水和保温材料，形成一个巨大的“热水袋”来储存热量。

2.优点：建造成本低于水箱，容量可塑性高。

3.缺点：热损失率高于深埋水箱，需要较大的地表面积。

（四）含水层储热：

1.原理：利用地下的天然含水层（充满水的沙石层）作为储热介质。夏季将热水注入含水层，冬季将热水抽出使用。

2.优点：成本最低，因为利用了天然地质构造，储热规模巨大。

3.缺点：对水文地质条件要求极为苛刻，技术复杂，存在地下水污染风险。

三、 应用领域

1.区域供暖：这是最主要的应用场景。为城市社区、大学校园、新建城区提供清洁、稳定的冬季供暖。

2.农业温室供暖：保证温室在冬季的正常运行，实现反季节蔬菜水果种植。

3.工业流程供热：为需要低温热源的工业流程（如食品加工、纺织等）提供热能。

4.与太阳能热发电结合： 实现电站的连续、稳定运行。

四、 现状与挑战

（一）现状：

1.技术成熟度：在欧洲（尤其是丹麦、德国、瑞典）已进入商业化示范和早期推广阶段，有大量成功运行多年的项目。中国、加拿大等国也在积极跟进。

2.经济性：初始投资成本较高，但运行成本极低。其经济性在化石能源价格高、碳税严格的地区更具优势。随着技术普及和规模化，成本正在下降。

3.政策驱动：全球碳中和目标为该项技术提供了强大的政策支持和发展动力。

（二）主要挑战：

1.高初始投资：储热设施（尤其是大型水箱/坑塘）的建设和保温成本高昂。

2.热损失：尽管有保温措施，但数月的储存周期仍会导致10%-30%的热量损失，需要优化设计和控制策略。

3.占地面积大：实现大规模储热需要较大的土地或地下空间。

4.系统集成复杂性：需要将热源、储热装置和用户端高效、智能地耦合在一起，对系统设计和控制要求高。

五、国内外经典案例

以下是几个具有代表性的项目：

（一）国际案例

1.丹麦·马松（Marstal）社区太阳能区域供暖项目（坑塘储热）

简介：全球最早的标杆项目之一。系统集成了太阳能集热器阵列和一个容量高达20万立方米的巨型坑塘储热罐。

数据：太阳能可满足该社区约50%的年度供暖需求，其中跨季节储热贡献了冬季大部分热量。

2.加拿大·德拉切（Drake Landing）社区（BTES）

简介：北美首个实现高太阳能供暖覆盖率的社区，采用钻孔储热技术。

数据：系统包含144个深35米的钻孔。运行数据显示，其太阳能可满足社区90%以上的供暖需求，是BTES技术的成功典范。

3.德国·埃格尔恩（Eggenstein）社区（水箱储热）

简介： 使用了一个容量为4500立方米的巨型不锈钢保温水箱进行跨季节储热，热源包括太阳能和热电联产。

特点： 展示了水箱储热技术与传统能源结合的高效和可靠性。

（二）中国案例

1.河北经贸大学太阳能跨季节储热供暖项目（水箱储热）

简介：中国首个、也是目前亚洲最大的太阳能跨季节储热区域供暖项目。

数据：系统包括一个20万立方米的地下钢筋混凝土水箱储热装置。夏季通过数万平方米的太阳能集热器加热水箱中的水，为冬季全校师生公寓和教学楼供暖。

意义：该项目对中国北方寒冷地区的清洁供暖改造具有极强的示范和引领作用。

2.青海省贵德县区域供暖项目（含水层储热）

简介：中国在含水层储热技术方面的探索性项目。利用当地丰富的地热资源和夏季的太阳能，将热量储存于地下含水层中。

特点：充分利用了当地的自然条件，为在特定地质条件下应用ATES技术积累了宝贵经验。

六、总结与展望

跨季节储热技术已经从实验室走向工程实践，被证明是构建未来100%可再生能源系统的关键拼图。尽管存在初始投资高、技术复杂等挑战，但在“双碳”目标驱动下，随着材料科学、智能化控制技术和项目经验的积累，其成本和性能将不断优化，应用范围也将从区域供暖扩展到工业、农业等更多领域，迎来更广阔的发展前景。

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