热能储存和冷却负载响应
ADBI工作文件系列 热能储存和冷却载荷响应 杨立中、纳斯塔兰·巴赫马蒂、赵伟欢、季东旭、斯里塔尔·拉约和亚历ft德罗·罗马格诺利 编号1431 2024年2月 亚洲开发银行研究所 杨立中是新加坡南洋理工大学能源研究所的研究员。NastaraBarhemmati是ViigColdSoltiosIc.的热能科学家。，休斯顿，美国（美国）。赵维环是美国东北州立大学自然科学系的助理教授。季东旭是中华人民共和国深圳香港中文大学科学与工程学院的助理教授。SritarRajoo是马来西亚柔佛州马来西亚Teologi大学UTM-LoCARTic的教授兼主任。AlessadroRomagoli是新加坡机械与航空航天工程学院的教授。 本文所表达的观点是作者的观点，并不一定反映ADBI、亚行、其董事会或其所代表的政府的观点或政策。ADBI不保证本文中包含的数据的准确性，并且对使用这些数据的任何后果不承担任何责任。使用的术语可能不一定与亚行官方术语一致。 讨论文件在定稿和考虑发表之前，必须进行正式修订和更正。 工作文件系列是以前命名的讨论文件系列的延续；论文的编号继续进行，没有中断或更改。ADBI的工作文件反映了对某个主题的初步想法，并在线发布以供讨论。一些工作文件可能会发展成为其他形式的出版物。 建议引用： Yang,L.,N.Barhemmati,W.Zhao,D.Ji,S.Rajoo,andA.Romagnoli.2024.ThermalEnergyStorageandCoolingLoadResponse.ADBIWorkingPaper1431.Tokyo:AsianDevelopmentBankInstitute.Available:https: Pleasecontacttheauthorsforinformationaboutthispaper.Email:a.romagnoli@ntu.edu.sg 亚洲开发银行研究所Kasumigaseki大楼，8楼3-2-5Kasumigaseki，Chiyoda-ku 东京100-6008,日本 Tel:+81-3-3593-5500 传真：+81-3-3593-5571 URL:电子邮件： ©2024亚洲开发银行研究所 Abstract 热能存储(TES)和需求响应(DR)通过弥合冷却能源需求和生产之间的差距，为减少电力消耗、碳排放、投资和产生冷却能源的运营成本提供了独特的优势。为政策制定者，系统规划者，投资者，清洁能源倡导者和其他相关方提供全面的指导，以加快TES和DR技术的发展，本文全面概述了用于冷却目的的最常见的TES和DR策略，涵盖了向低碳经济过渡的工作原理，优势，开发阶段，技术限制，合适的应用以及潜在的增长机会。还讨论了研究方向和政策建议，以更好地开发和部署TES和DR，特别是在亚洲。能源用户和系统规划者可以选择最合适的TES和DR技术，以减少其能源系统的电力消耗和碳排放，而政策制定者，投资者和清洁能源倡导者可以为消除TES和DR部署的经济，监管或客户相关障碍做出贡献，这将共同帮助充分释放TES和DR技术的巨大经济和环境潜力。 关键字:热能储存,需求响应,相变材料,低碳,清洁能源 JEL分类：O、O3、O31 Contents 1.1 1.1热能储存2 1.2需求响应3 2.冷蓄水3 3.ICESTORAGE9 4.其他相变材料11 5.建筑热质量15 5.1水泥、砖石和木材16 5.2Water17 5.3PCM17 5.4部署高热质量建筑信封的当前挑战19 6.低温储能20 6.1CES系统的当前和未来发展21 7.冷却负荷响应及应用22 8.结论和政策建议26 参考文献28 1.INTRODUCTION 除了减少冷却需求、提高冷却效率和寻找替代冷却资源之外,减少电力消耗、冷却排放、投资和产生冷却能量的运营成本的另一个重要方法是弥合冷却能量需求和生产之间的差距。 冷却需求主要取决于环境温度和用户活动，每小时，每天和季节性变化。这种可变需求要求冷却器在电价较高的高峰时段运行，并且由于环境温度较高，效率较低，这导致运营成本较高，公用电网压力和更多的碳排放。在某些极端情况下，诸如极端热浪之类的意外气候事件可能会导致过度的冷却需求 ，并导致公用电网停电（加利福尼亚ISO2021）。此外，冷却器的总容量应根据高峰需求确定大小 ，这导致更高的投资成本和可能的低效率运行。 在不牺牲热舒适性的情况下,需求侧能量管理策略可用于降低由变化的冷却能量需求引起的成本和排放 。通过每年仅减少60小时的峰值需求的10％，可以在美国节省5,000兆瓦或50100兆瓦的峰值需求发电厂，这些发电厂在大多数情况下都未使用或在非设计工作条件下效率低下（Hirsch等人。2011).这相当于美国总发电量的约0.5%和峰值需求的5%。适合冷却的主要策略是峰值负载转移。通常,峰值负载转移策略试图使负载曲线平滑,在峰值时段期间降低冷却器功率,并且在电费较低且冷却器效率较高的非峰值时段期间操作冷却器。如图1所示，根据冷却器是否在高峰时段运行，峰值负载转移可以是部分或全部。这些策略可以通过以下方式来实现：1）热能存储（TES），通过在非高峰时段产生冷能，存储冷能并在高峰时段使用冷能来满足制冷需求；或2）通过需求响应（DR），通过减轻制冷需求曲线并将某些需求从高峰时段移至非高峰时段。 图1：峰值负荷转移策略：部分（左）和全部（右） 注：实线表示原始冷却需求剖面。虚线和阴影区域表示实际的冷却器功率。通过使用热能存储或需求响应策略，高峰时段的冷却负荷可以部分或全部转移到非高峰时段。因此,当电费较低且冷却器效率较高时,可产生部分或全部冷却能量,而不牺牲用户福利。 1.1热能储存 TES以显热，潜热和热化学热的形式存储热能和冷能，或与机械系统（例如涡轮机和压缩机）耦合以存储电能。与锂离子电池和液流电池等电化学储能技术相比，热能储存在储存热量和寒冷方面提供了更具成本效益和直接的解决方案，这代表了全球最终能源消耗的最大份额（约50％）和与能源相关的碳排放（约40％）（国际可再生能源机构[IRENA]等人。2020）。到2030年，全球安装的TES容量预计将增加三倍，因为它具有季节性能力，大存储容量，更高的往返效率和更长的生命周期的潜力（IRENA2020）。 最成熟和广泛使用的TES解决方案可以根据所使用的存储材料分为两类，它们可以或可以不改变相。第一类使用材料的显热,其中当材料的温度降低和升高而不改变相(即,不冻结/熔化或蒸发/冷凝)时,冷被存储和释放。储存在材料中的能量是材料质量、温度变化和比热容的产生。显热存储材料的最常见示例是冷冻水，岩石，混凝土和建筑物。用于冷却的第二类TES使用潜热，潜热是在材料相变期间 ，特别是在固相和液相之间存储和释放的能量。潜热TES使用相变材料(PCM),例如冰、水盐溶液和有机共晶。如图2所示，温度在相变过程中保持大致恒定，并且在相变过程中可以存储或释放的能量明显高于显热。因此,潜热TES通常具有较大的能量密度,而显热TES在构造和操作上更简单。 图2：固液PCM的工作原理示意图，比焓为kJ·kg−1（左）和热容单位kJ·kg−1K−1（右）相对于温度 注：在右图中，峰值曲线表示相变过程。峰值曲线下方的积分面积（粉红色）是相变过程中的熔化潜热。从两个图中可以看出，潜热明显大于显热。 1.2需求响应 虽然TES改变了冷却能源生产，并且不会影响用户的需求概况，但DR的用户可以手动调整或自愿允许其需求概况的自动转换，以换取较低的能源成本或现金奖励（清洁能源部长级2014；Seg2012 ）。DR依赖于用户需要冷却服务而不是冷却能源本身的前提。因为室内环境和冷藏设施的温度需要时间来增加,所以当在不损害冷却服务水平的情况下改变冷却需求时,使用建筑体的热惯性和冷却装置的隔热层作为缓冲。 TES和DR也可以一起工作。例如，当夏季电网对空调的需求很高时，DR计划会向设施付费以降低峰值能耗。通过TES供应在非高峰时段存储的冷能,未使用的高峰时段电力容量可以卖回电网。因此 ，存储冷能的TES设施和控制冷需求的DR程序的合力形成了虚拟发电厂，因此建筑物占用者可以保持凉爽和舒适，同时降低电网上的峰值能源使用。这鼓励在高峰时段使用更少的能源，导致更低的能源费用，并产生利润。此外,切换冷却负载可以导致更好地利用高度间歇性的可再生能源,例如光伏和风,用于冷能生产。正如IRENA（2020）所述，通过每小时，每天甚至季节性负荷转移，将冷能生产与利用脱钩，可以将更多的可再生能源连接到电网，而不会造成电网拥堵和额外的基础设施投资。因此，TES和DR可以帮助实现向未来能源系统的平稳过渡，可再生能源在能源结构中的份额更高。 本文介绍了用于冷却目的的最常见的TES和DR技术，包括冷冻水，冰，其他PCM，建筑物质量和低温储能技术，以及冷负荷响应技术和应用，涵盖亚洲向低碳经济转型的基本工作原理、优势、发展阶段、技术局限性、研究方向、合适的应用以及潜在的增长机会。 2.冷蓄水 冷冻水储存是最简单和最广泛使用的TES形式，用于需求侧冷却能源管理。这种成熟和成熟的技术在全球范围内已经发展了30多年。冷冻水储存利用水的显热吸收和释放冷能。高比热容(约 4.2kJ·kg−1·K−1）和较低的水成本使其成为冷却应用的理想敏感TES材料。 与其他TES技术相比，冷冻水存储具有几个明显的优势。首先，冷冻水存储与所有类型的冷水机组兼容，只要其工作温度高于0°C。由于它是一种明智的TES技术，因此可以根据用户要求调节冷冻水存储的温度，因此它与大多数常规冷水机组和区域冷却系统兼容。通常，冷冻水在5°C左右储存，返回温度在15°C左右，并且总是需要更高的返回温度以增加温度差并减小储罐尺寸（PacificGas&ElectricCompay1997）。 其次，冷冻水被广泛用作大型应用中空调系统的传热流体（HTF），例如商业和工业设施，建筑物的中央冷却系统，数据中心和区域冷却系统。通过直接存储HTF，可以避免安装二级传热回路和改装冷却器。此外，节省了克服第二个HTF的热惯性的时间，使冷冻水存储具有较短的响应时间和排放率，使其特别适用于持续时间较短的应用（30分钟至2小时）（Valeta2021）。 用于区域制冷的冷冻水生产的基本负荷冷水机组。冷冻水储存可以直接连接到机组，无需额外的改造（图片由深圳前海能源科技发展有限公司傅建平提供）。 第三，水对环境没有危害。来自热传递或存储系统的水的泄漏不会造成额外的环境或人类健康威胁。此外,如果可以适当地控制水的纯度(特别是在氯离子的减少方面),则与其他TES材料,特别是低共熔盐溶液相比,水对管道和容纳材料的腐蚀性较小。 最后，水是最经济实惠的TES材料之一。如果大规模建造，冷冻水储存设施的成本甚至可以更低。因此，它特别适用于大型应用，例如具有足够空间容纳大型储罐的数据中心（Valeta2021）。冷冻水存储也可用于在数据中心的紧急情况下提供冗余冷却能力，这需要在其服务时间内不间断运行。 然而,冷冻水储存的缺点同样明显。冷冻水储存的能量密度比潜热TES技术的能量密度小约8至10倍。因此，冷冻水储存必须配备更大的储存设施。典型的冷冻水储罐的体积可以达到数千立方米及以上，从而导致很大的占地面积（高度接近10米或更多），这也相当重（数千吨），这使得它们的可移动性降低并导致更长的安装时间（Valeta2021）。由于它们在大气压下运行，因此在高层建筑中使用加压管道时，冷冻水存储也面临挑战。因此,冷冻水储存不太适合于人口稠密的地区,例如具有较少储存室外空间的大都市地区,以及用于小规模应用,例如家用屋顶安装。 图3：冷冻水存储系统的操作（满负荷转移） 在部署冷冻水储存时，这些缺点可能会带来挑战，特别是对于拥有数千万人口的亚洲大城市或水资源稀缺的干燥环境。然而，它是工业园区和农村地区最具成本效益的存储技术之一。随着人口的持续增长和经济的发
