移动储热技术发展现状与问题探讨

姚 华，黄 云，郑新港，李大成，丁玉龙，王家安，马光宇



移动储热技术发展现状与问题探讨

姚 华1，黄 云1，郑新港1，李大成1，丁玉龙2，王家安3，马光宇4

（1中国科学院过程工程研究所，北京100190；2伯明翰大学化学工程学院，英国伯明翰B15 2TT；3江苏鹏飞集团股份有限公司，江苏南通226623；4鞍钢股份有限公司技术中心，辽宁鞍山114021）

高能耗企业生产过程中伴生的低品位热能，在供应与需求之间存在时空不匹配的矛盾，难以通过传统管道输送的模式加以利用。而移动式储热供热技术将能量收集、能量存储与输送以及能量供给有机结合，摒弃了管道输送的诸多弊端。详细分析了移动储热供热技术的国内外基础研究现状以及工程应用现状，并在此基础上，归纳了移动储热供热技术所面临的问题；之后提出一套移动式余热能模块化存储利用方案，并针对该方案的应用模式、经济性等问题进行详细阐述；最后展望了移动储热供热技术的市场前景与产业化。

移动储热供热技术；模块化存储；低品位热能；节能

据统计资料显示，2015年我国全年能源生产总量与消费总量分别为43.0亿吨标准煤和36.2亿吨标准煤[1]，已成为名副其实的能源生产大国与能源消费大国。但我国工业部门的能源利用水平较低，与国际先进水平相比低约10%[2]。仅以我国北方地区为例。该地区仍有约3亿吨标准煤低品位余热资源尚未被利用，主要涵盖电力、水泥、钢铁、有色金属、石化等高能耗行业[3]。因此，近年来北方部分城市已开展探索将工业低品位余热用于城镇供暖。与燃煤和天然气供暖相比，工业低品位余热供暖的热源成本要低很多。但工业低品位余热种类繁多，其数量、形态、时间、空间等的不确定性，囿于传统余热回收技术水平，难以被高效利用。而移动储热供热技术的出现，将余废热排放企业与热用户之间以新的供热模式连接起来，彰显其独特的供热优势，可以缓解能量供需双方在时空、强度与地域上不匹配的矛盾。

1 基础研究现状

移动储热供热技术的基础研究主要从实验测试、理论分析以及数值模拟3方面展开，以下分别从国外与国内两方面进行阐述。

1.1 国外研究现状

1.1.1 实验测试

2006年，日本栗本铁工株式会社科技发展与研究所热工部的FUJITA等[4]针对低温余热收集与输运的应用系统，采用乙酸钠（无机相变材料）与赤藻糖醇（有机相变材料）作为储热材料，进行了实验研究。

2008年，日本北海道大学能量转化与材料研究所的KAIZAWA等[5]搭建了一套直接接触换热的 储/释热系统，该系统以赤藻糖醇为相变材料，以导热油为传热流体，主要研究在储/释热过程中相变材料的流动与传热特性。并考察了以各种糖类和三水乙酸钠（SAT）作为相变材料的热物理性能[6]。

2009年，瑞典麦拉达伦大学的WANG等[7-9]对直接接触换热的蓄热装置在储/释热过程中的动态特性进行了深入研究。该套装置以聚乙二醇（PEG）作为储热材料，为增强其导热性能还添加了改性的氮化铝（AlN）和膨胀石墨（EG）。结果表明，PEG/EG混合物的热导率较单独PEG的热导率要提高3倍多。

2013年，日本北海道大学能量转化与材料研究所的TAKAHIRO等[10-11]搭建了一套以赤藻糖醇为相变材料、以导热油为传热流体的直接接触换热的储/释热实验装置。该套装置中储热单元为圆柱体形状且竖直放置，内径200 mm，高度1000 mm。提出3个特征参数：导热油出入口温差、温度效率以及储热速率，以考察导热油流速和入口温度对储/释热性能的影响。

2014年，德国祖尔茨巴赫分会罗森伯格研究所的MARCO等[12]为优化移动储热装置的储/释热过程性能，在焚烧实验中心搭建了一套具有参数可调功能的测试平台。该套装置以水合盐作为相变储热工质，储热容量可达2 MW·h，其中潜热存储量为1.3 MW·h。结果表明，该套装置的年盈利能力不仅与储热容量有关，而且与用户的使用以及储/释热循环次数密不可分。

1.1.2 理论分析

2005年，日本东京核能与创新能源系统研究所的YUKITAKA[13]以日本余热资源为应用背景，调研并总结了移动式余热利用系统的适用范围。

2009年，法国萨瓦大学萨瓦综合理工学院的MA等[14]针对适合长距离热量输运的方式进行了调研和总结。结果表明，对于高温热量的输运，化学催化可逆反应几乎是唯一可行的方法；对于相对较低温度的热量，目前的研究主要涉及5个方面：化学可逆反应、相变热能存储与输运、吸氢合金、固-气吸附、液体-气体吸收等。

2010年，日本北海道大学能量转化与材料研究所的TAKAHIRO等[15]提出一套用于回收钢铁厂余废热的潜热运输系统，该系统采用相变储热材料存储热能，为某化工厂蒸馏塔用热提供热源。与传统供热方式的储热装置相比，在一定的条件下，以NaOH为相变储热材料的储热系统，其储热能力是显热储热系统的2.6倍。

2010年，瑞典麦拉达伦大学的WANG等[16]将移动储热装置与瑞典当地的某个热电厂相结合，提出4种不同的充热方式：以来自蓄热器的热水为热源、以来自高压透平抽汽加热的热水为热源、以来自高压透平抽汽为热源，以来自低压透平抽汽为热源。针对不同方案分析了移动储热装置储/释热速率、热电厂供热量、输出电功率等参数的相互影响。

2011年，德国波鸿鲁尔大学工程设计中心的KÖSTER等[17]提出一套针对移动相变储热装置的产品-服务体系（PSS）。该套体系包括两种商业模式：销售+服务型和能源合同型。前者属于产品导向类，后者属于结果导向类。并深入剖析了两种商业模式的优缺点。

2013年，瑞典麦拉达伦大学可持续社会发展与技术学院的LI等[18]对直接接触换热的移动储热装置进行了经济性评估。结果表明，移动储热装置的投资主要依赖于运输距离和供热量；相比于运输成本，相变储热材料的价格变化波动影响更为敏感。

1.1.3 数值模拟

2003年，日本冈山大学自然科学与技术研究生院的INABA等[19]以处于矩形容器中熔融盐的放热过程为研究对象，通过数值模拟考察采用板型鳍翅片对强化熔融盐凝固过程传热性能的影响。结果表明，翅片的厚度、间距等参数对流型、速度分布以及传热速率等均有不同程度的影响。

2009年，印度卢克里理工学院机械与工业工程系的REGIN等[20]以太阳能热水系统为研究对象，建立了由球形微胶囊构成的填充床数学模型，微胶囊内部装填有相变储热材料石蜡，用以考察传热流体入口温度、质量流速、相变温度以及胶囊直径等参数对装置储/释热动态响应特性的影响。结果表明，相变材料凝固时间要比熔化时间长；微胶囊直径越小，储/释热速率越大。

2014年，南澳大利亚大学的LIU等[21]以含有相变材料的移动式制冷系统为研究对象，建立了TRNSYS数学模型，模拟结果表明，为满足-18 ℃的环境保持10 h的制冷效果，运输过程中，冷藏室的门关闭时需相变材料250 kg，门全开时需相变材料390 kg。此外，冷藏空间的尺寸、门开闭的数量以及相变材料的熔化温度等参数对系统热性能都有不同程度的影响。

2014年，意大利都灵理工大学的SCIACOVELLI等[22]为改善适用于区域供热的储热系统性能，建立了3种不同的连续性数学模型：纯导热模型、单一热流体媒质动力模型、双热流体媒质动力模型，并采用不同形状的翅片进行强化换热。结果表明，与无翅片的光管相比，采用圆翅片可使放热时间缩短30%，辐射型翅片时间缩短44%，Y型翅片时间缩短52%。

1.1.4 小 结

由上述分析可知，日本、瑞典、德国等在移动储热技术方面的研究较早。作为移动储热技术关键点之一的相变储热材料，赤藻糖醇与水合盐被应用的比较多。赤藻糖醇是一种以玉米淀粉为原料的纯天然甜味剂，化学稳定性好，相变潜热值较大，约339 kJ/kg，且对人体与动物均无害，但其导热系数低，过冷度不稳定，需掺入添加剂进行改性处理[23]。代表性的水合盐相变储热材料包括Na2SO4·10H2O、CaCl2·6H2O和CH3COONa·3H2O[24]。Na2SO4·10H2O经过多次充放热循环后会发生相分离；CaCl2·6H2O过冷严重，尤其在0 ℃时液态熔融物不能凝固；CH3COONa·3H2O放热温度波动大，且过冷液体易形成非晶态物质，导致相变潜热值随之减小[25]。可见，每种储热材料均有自身的不足，选用时需视情况而定。另外，国外学者也参照移动储热用户当地的实际情况，从理论上给出移动储热技术的可行性论证与经济性分析，并借助数值模拟工具，比对分析采用翅片、微胶囊等强化换热措施的充放热效果，以期寻求最优的方案设计。

1.2 国内研究现状

1.2.1 实验测试

2009年，上海交通大学的王如竹等[26-27]搭建了一套将移动式余热利用与吸收式制冷系统相结合的实验装置，该套装置主要由两部分构成：氨-水吸收式热泵循环与氨-水吸收式制冷循环。该装置可提供给热用户64 ℃的热水。输运参数分析结果表明，与传统热量输运方法比较，该套装置中泵的耗功量显著降低，适宜于长距离热量输运。

2012年，天津大学的杨波等[28-29]针对相变储热材料导热系数偏低的问题，搭建了一套双直肋铜管强化储热装置，其相变材料采用赤藻糖醇，传热流体采用导热油，以探寻装置充放热性能受传热流体流量、热源温度等因素的影响规律。结果表明，自然对流的程度随赤藻糖醇液态比例增多而增大，并会加速相变材料熔化速率，而冷却过程中赤藻糖醇显现出过冷现象，过冷度5 ℃左右。

2013年，天津大学的郭少朋等[30-31]以赤藻糖醇为储热材料，针对230 ℃以下的低温余热源，通过直接接触与间接接触换热的充放热实验，阐述了在充放热过程中储热材料温升/温降速率、熔化/凝固速率等变化规律，并建立了相应的物理和数学模型；通过分析净现值、投资回收期和内部收益率等3个经济性指标，试图找出影响系统经济性的不确定性因素，其影响程度从大到小依次为：蓄热器充热时间、热源距离和余热价格。

2014年，中山大学的WANG等[32]搭建了一套以赤藻糖醇与导热油直接接触换热的储/释热实验装置，通过实验剖析了赤藻糖醇相变传热的特性，与数值模拟结果比对后发现，两者吻合较好。直接接触与间接接触两种换热方式的对比实验结果显示，直接接触换热的储/释热速率比间接接触换热的要快[33]。

2015年，内蒙古科技大学的GUO等[34]针对直接接触换热的导热流体与相变材料混合物在充热过程中，装置某部位的相变材料熔化缓慢的问题，通过在该位置设置电加热棒而形成有利于导热油流动的快速通道，以增强导热油流体与相变材料之间的换热。结果表明，与没有设置电加热棒相比，设置电加热棒后充热时间明显缩短。

1.2.2 理论分析

2012年，上海交通大学的WANG等[35]以回收钢铁工业的余废热为研究对象，比较分析了直接供热、显热存储以及潜热存储等3种技术的经济性。结果表明，使用相变材料作为储能材料时，成本低、损小、空气污染物排放量低，具有广阔的应用 前景。

2015年，华南理工大学的孙超等[36]设计出一套采用LNG储热的新型移动式应急装置，并完成了其技术经济性评估。结果表明，与空温式相比，大中型移动储热式LNG应急装置的应急供气成本与其相当，约为2.23元/Nm3，但比明火水浴式稍低。

1.2.3 数值模拟

2013年，天津大学的GUO等[37]为了提高储热过程的传热性能以及更为深刻地理解熔化过程机理，建立了直接接触换热的二维储热过程数学模型，并借助FLUENT完成储热过程数值模拟。结果表明，与相同条件下的实验结果相比，通过增加导热油流速、开设新通道以及增强壁面导热3种方式，可使储热时间分别缩短25%、26%和29%，如果同时使用后面两种强化传热方式，储热时间可缩短52%。

2015年，中山大学的WANG等[38]为了考察相变材料放热过程的传热性能，以直接接触换热的储热装置为研究对象，建立了二维数学模型，并借助FLUENT完成放热过程数值模拟。结果表明，导热油的流速以及入口温度对相变材料的放热过程传热特性有较大影响。

2016年，内蒙古科技大学的GUO等[39]以间接接触换热的储热装置为研究对象，建立了二维数学模型，针对3种不同情况：添加高导热性的膨胀石墨、改变换热管管径以及调整容器内部的翅片结构等，寻求提高储热装置热性能的方法。结果表明，当膨胀石墨填充率为储热材料总体积的10%、换热管管径取22 mm以及翅片面积为0.468 m2等条件同时满足情况下，充放热时间可分别缩短至原来的74%和67%。

1.2.4 小 结

由上述分析可知，近年来，国内的天津大学、上海交通大学、中山大学等高校的一些学者也开始研究移动储热技术。他们大多数以赤藻糖醇作为相变储热材料，以导热油作为传热流体。前者密度大约为1451 kg/m3，后者为840～900 kg/m3，因两者密度差较大且互不相溶，混合后能够自然分层。利用上述特点，学者们尝试将两者混合，采用直接接触换热的方式进行充放热实验。并借助数值模拟工具，对采用直接接触换热的储热装置进行结构优化。另外，亦有学者提出采用氨水混合物、LNG等作为相变储热材料的相关思路。虽然直接接触换热的热阻要比间接接触小很多，但以直接接触换热的移动储热装置技术仍处于基础研究阶段，离工程应用还有一段距离。

2 工程应用现状

2.1 国外应用现状

2003年，德国的LSG Sky Chefs公司为满足厨房和餐具的用热需求，引进德国TransHeat公司技术，试制了一台移动储热车，如图1所示。该套装置以氢氧化钡作为相变材料，以公司附近某电厂的余热作为热源，储热容量达4 MW·h，相当于450 L的导热油储热量[9]。

2005年，德国巴伐利亚应用能源研究中心提出通过开式吸附存储方法回收利用工业废热的科研课题。以工业现场真实情况为测试条件，探索存储过程的合理性、吸附剂自身的机理稳定性以及适合运输的吸附装置结构等内容，并对比分析了来自生物质电厂、废物焚烧厂以及铝厂的余热利用情况。图2为吸附装置的几何模型。该装置以沸石作为储热介质，热空气作为供热热源，湿空气作为取热介质，输出热功率可达1 MW[40]。图3为基于吸附原理的移动式吸附储热装置，该装置以沸石作为储热介质，以废物焚烧厂的抽汽作为余热源，回收热量之后运输到7公里以外的某个工厂，存储的热量作为该厂某条干燥工艺的热源。该装置沸石用量14 t，加热用空气130 ℃，可提供60 ℃的干燥用空气，储热容量达2.3 MW·h[41]。

2006年，德国的TransHeat公司研究并试制了一套直接接触换热的储热供热装置，传热媒质由泵输送至换热单元，与内部相变材料氢氧化钡[Ba(OH)2·8H2O]或乙酸纳（CH3COONa·3H2O）直接接触换热，之后利用密度差，传热媒质从顶部管道排出，每个储热单元的储热容量可达2.5～3.8 MW·h。该装置可放置于40英尺（1英尺=0.3048 m）集装箱内，其结构示意图如图4所示[40]。

2006年，日本建立了3个小规模的示范工程：工程之一以日本群马县Sanyo电子厂蒸汽为热源，以20 km外的琦玉县的某铝厂为用户，预热锅炉回水；工程之二以日本清濑市污水处理厂焚化炉废气为热源，以2.5 km外的市体育馆为用户，提供吸收式制冷的驱动热源；工程之三以日本大阪栗本铁工某工厂退火炉废气为热源，以3 km外的Sumiyoshi工厂为用户，为该厂工人提供洗浴热水[4]。图5为日本Sumiyoshi工厂的移动储热装置。

2007年，德国的Alfred Schneider公司以乙酸钠作为相变储热材料，设计了一套间接接触换热的储热装置，如图6所示[40]。储热媒质由管道内部流动，将热量通过管壁传递给与管道外壁接触的相变材料。该装置总重26 t，其中相变材料质量占比将近85%，储热容量达2.4 MW·h，其中潜热储热占 比67%。

2008年，德国斯图加特大学能源经济与能源合理利用研究所分别以导热油、相变材料、沸石为储热材料，并以巴登-符腾堡州某玻璃生产厂的余热源为应用对象，分析了移动式余热利用系统的供热能力与潜在市场。以导热油为例，该套装置最高储热温度350 ℃，储热密度200 kW·h/t。该套装置适用温度范围较大，可常压运输与存储，储热密度高，但不能供应蒸汽，且季节性运营成本高。其示意图参见图7[40]。

2010年，瑞典的Climate Well公司研发了一套以结晶水合盐为相变材料的储热装置，其原理如图8所示。储热时，以太阳光、燃气或发动机废烟气为热源，通入反应器（R）中[图8(a)]，用于“干燥”反应器中的结晶水合盐，脱除的结晶水蒸发后进入冷却器（C）中并冷凝为液体，储热过程结束。放热时，以环境空气、空调等低品位热源通入冷却器（C）[现变为蒸发器（E）]中[图8(b)]，液态水蒸发后进入反应器（R）中，并与晶体盐结合成结晶水合盐，放热过程结束。为提高整套装置的储/释热性能，反应器、冷却器需保持一定的真空度[42]。瑞典奥克隆德钢铁有限公司采用该技术搭建了一套储热功率达10 kW的小型示范系统，该系统用于回收100 ℃的转炉冷却水余热，以MgSO4·7H2O为相变储热材料，用量大概40 t[40]，但实验数据并无后续报道。

由上述分析可知，在移动储热技术的示范工程应用方面，德国、日本、瑞典等国家走在前列。移动储热示范装置所用的储热材料包括：CH3COONa·3H2O、沸石、水合盐等，换热方式以间接接触换热为主，储热容量可达MW·h级，输送距离绝大部分在20 km以内。移动储热示范装置多以电厂、焚烧厂、玻璃厂等废热蒸汽或烟气为热源，以厨房、洗浴、工艺生产用热等为热用户。移动储热示范装置的总重量达数十吨，装置体积比较庞大。

2.2 国内应用现状

2008年，中益能（北京）技术有限公司研制了一款移动式储热装置，其原理参见图9。该套装置内部填充有高性能稀土HECM-WD03作为相变储热材料，总重量约36 t，有效储热量约13 GJ，可在不需要燃料加热的情况下连续提供50 ℃的热水100 m3[43]。

1—外箱体；2—保温层；3—内箱体；4—相变蓄热棒体；5—换热盘管；6—相变蓄热材料；7—加热分配器；8—供热分配器；9—温度传感器；10—蓄热棒体分隔架；11—蓄热体底部金属支撑；12—供暖循环水回水口；13—供暖循环水出水口；14—生活热水出口；15—自来水进口；16—生活热水供水温度调节阀；17—温度控制器；18—供暖变频调速循环泵；19—导热介质；20—热量表；21—运输车底架；22—蓄热箱体上盖；23—检查口；24—液位指示计；25—密封回水弯；26—载车

2012年，青岛奥环新能源集团有限公司推出了一款移动式储热车，其原理如图10所示。该款储热车采用复合相变储热材料，以泡沫铜分别与糖醇类有机物、有机酸、石蜡按一定比例混合，制成具有高、中、低3档相变温度的储热材料，再结合高效储热设备，实现余废热能的存储。该款储热车可向用户提供蒸汽或热水[44]。

国内有代表性的移动储热相关产品知识产权部分情况详见表1。

表1 国内移动储热相关产品部分知识产权统计

1—载重汽车本体；2—保温车厢；3—换热器；4—安全阀；5—高温相变蓄热器；6—中温相变蓄热器；7—低温相变蓄热器；8—开关阀；9—高温相变材料；10—管束隔板；11—中温相变材料；12—低温相变材料；13—基座；14—体积流量计；15—压力表；16—温度表；17—高温相变蓄热器外接口；18—低温相变蓄热器外接口

由上述分析可知，与国外相比，目前国内有关移动储热技术示范工程应用的案例屈指可数，在市场上有实际产品应用的仅有青岛奥环新能源科技发展有限公司和中益能（北京）技术有限公司，其它企业或科研机构暂无相关产品应用案例报道。出现这种局面的原因可能有两点：其一是我国高耗能企业以前对工业余热回收利用的重视程度不够，造成大量可资利用的伴生余热直接被废弃；其二是受传统余热回收技术的禁锢，我国高耗能企业余热回收技术水平较低，即使投入相关技术，但收效甚微。因此，我国高耗能企业亟需转变理念，以崭新视角重新审视伴生余热的回收与利用。

3 问题分析与解决思路

目前的移动储热技术在国内外还多处于研究和示范工程的应用阶段，现有系统的储热换热器存在单位体积储热量低、充热时间长、放热时间短、对热源类型要求高等诸多问题。这些问题的存在影响了移动式余热利用技术的进一步推广和应用，因此，需要结合我国水泥、电力等高耗能工业余热资源的实际情况，对移动式余热利用系统及其关键设备作进一步深入研究。

考虑到水泥、电力等高耗能行业低品位余热能的排放特征，近期由中国科学院过程工程研究所储能过程与能源材料课题组提出了一套移动式余热能模块化存储利用装备，其原理如图11所示。该套装备主要由储热换热模块、换热盘管、风机、热管理系统以及相应的附属设备构成。该套装备的工作原理可简述为：来自水泥、电力等高耗能企业所排放的350 ℃左右的热烟气进入储热换热模块后，将自身携带的热量传递给相变储热材料，储热过程完毕；当有用热需求时，启动风机，冷风进入储热换热模块，将储热材料所存储的热量取出，通过换热盘管，将携带的热量传递给冷水，冷水温度升高变成热水输出，以满足热用户需求。

图11给出的整套装备主要由储热换热系统与热管理系统构成。需要重点解决的关键技术问题包括：①储热换热模块的多尺度强化传热机理与封装技术；②非线性热管理系统的设计与构建技术；③宽温域纳微结构储热材料储/释热机理与规模化合成技术。考虑到高能耗企业所排放的余废热品位较低，将储热换热系统与热管理系统有机耦合，可实现整套装备余热资源的动态调控；考虑到余废热温度波动大的特点，通过纳米复合技术，可获得适合不同温域的相变储热材料以及通过调控相变储热材料的导热性能，可实现储热材料的储/释热速率人为可控。

如上所述的解决思路若能顺利实施，既可使水泥、电力等高能耗工业余热得到有效利用，又减少了部分热能用户化石燃料的消耗，使得经营成本降低、CO2等温室气体的排放减少，是一条合理利用能源及减轻环境污染的有效途径。不仅能够解决北方传统集中供暖方式下建设周期长、投资大等问题，还能够缓解南方部分地区冬季采暖问题。

4 应用模式与经济性

对于移动储热供热技术来讲，除了前面提到的有关装备开发所需要解决的关键问题之外，采取怎样的安全运营商业模式也是不容忽视的问题[17,59-60]。考虑到我国国情以及移动储热供热技术特点，中国科学院过程工程研究所储能过程与能源材料课题组提出了一套适宜于移动储热项目的商业运作模式，如图12所示。主要包括4大主体：余废热排放企业、移动储热供热装备提供商/运营商（以下简称装备提供商/运营商）、热用户和政府。其中，余废热排放企业负责向装备提供商/运营商提供满足一定要求的废热，而装备提供商/运营商要向余废热排放企业支付一定的报酬；装备提供商/运营商负责向热用户提供满足一定要求的热能，而热用户要向装备提供商/运营商支付一定的报酬；政府在负责对余废热排放企业与装备提供商/运营商监管外，还可以向余废热排放企业、热用户提供适当的补贴，并适当减免装备提供商/运营商的缴税额度。在这种商业运作模式中，移动储热供热装备的开发、运营以及维护等费用均由装备提供商/运营商承担，排除了余废热排放企业自己开发装备的投资风险，而政府允许装备提供商/运营商享受贷款、缴税等系列优惠政策，降低了装备提供商/运营商的投资风险。热用户从政府那里能够得到用热补贴，一定程度上激发了用热情绪。当然，移动储热项目的商业运作模式不只一种，此处不再赘述。

在阐述了移动储热供热技术的安全运营商业模式后，装备的经济性是另一个必须关注的问题。此处仅以回收余热量1.3 GJ的移动储热供热装备为例。表2为该套装备的设计参数。表3给出产生1.3 GJ热量所需不同燃料的费用对照。北方供暖季以120天计，高能耗企业的废烟气温度350 ℃，价格暂定为零。由表2和表3可知，供暖季仅燃料费用一项，采用移动储热供热技术将比燃煤制热节约4.932万元，比电制热节约10.62万元。

表2 移动储热供热装备性能参数

表3 产生1.3 GJ热量所需不同燃料费用对比

注：表3数据计算时以1.3 GJ储热量为参照，供暖季以120天计，高能耗企业的余废热价格暂定为零。

若要实现表2所述的额定储热量1.3 GJ的移动储热供热装备的加工制造，投资成本包括：储热材料20万元，装置外壳12万元，泵、风机、阀门及相关管道8万元，设备加工费用10万元，热源与用户侧改造施工费10万元，共计60万元；运行成本包括：包车运输费0.4元/(t·km)，假设热源与用户距离10 km，卡车运输时速40 km/h，储热装置总重量15 t，一趟运输成本120元，充热/放热时间各2 h，每天往返最多5趟，北方供暖季120天共往返600趟，运输成本总计7.2万元。收益估算：热水产量6.2 t/h，热水售价25元/t，热水收益18.6万元；政府节能补贴300元/吨标煤，补贴收益1.3万元；总收益19.9万元，年净收益12.7万元。装置运行寿命15年，投资回收期约4.7年。

综上所述，从应用模式与经济性角度来讲，移动储热供热技术均具有切实可行性。

5 市场前景与产业化

众所周知，我国北方大部分地区采用集中供热模式，多以燃煤、燃油为供热燃料，在燃烧过程中排放大量有害气体和尘埃，是大气污染的主要构成。并且与小型分散式供热系统相比，集中供热管网敷设的建设周期较长、初投资较大，远离热源和用户数量较少的地区管道敷设投资成本较高，造成了该类地区供热管网敷设率低的特点。再者，随着近年来南方低温雨雪冰冻等极端天气增多以及老百姓生活质量要求的提高，各界对南方冬季供热的要求越来越强烈。但南方采暖期短、负荷小、波动大等供热特点，宜采用分散、局部的供热方式，以解决个性化采暖需求。如何在现有条件下，既满足北方或南方热用户的不同需求，又避免小型供热系统过度应用造成的能源浪费和环境污染问题，成为摆在人们面前的一个重要课题。与北方的“煤改电”、“煤改气”以及南方的电采暖不同，移动储热技术恰恰能够提供一种新型供热方式，它将工业伴生的余热、废热回收并输送到无集中供热管网敷设区域的用户处，既可实现余废热的二次利用，又满足了热用户的用热需求。综上所述，在北方集中供热系统难以到达的地区或南方冬季有采暖需求的地区，移动储热供热技术市场潜力巨大。

近段时间，我国政府相继出台了一系列政策性文件，力促节能减排。2014年6月，国务院办公厅印发的《能源发展战略行动计划（2014—2020年）》中明确指出，到2020年，一次能源消费总量控制在48亿吨标准煤左右，煤炭消费总量控制在42亿吨左右[61]。2014年9月，国家发展改革委、环境保护部、国家能源局联合印发的《煤电节能减排升级与改造行动计划（2014—2020年）》中明确提到，全国新建燃煤发电机组平均供电煤耗低于300克标准煤/千瓦时；到2020年，力争使煤炭占一次能源消费比重下降到62%以内，电煤占煤炭消费比重提高到60%以上[62]。2014年9月，国家发展改革委印发的《国家应对气候变化规划（2014—2020年）》中明确提出，到2020年，单位国内生产总值二氧化碳排放比2005年下降40%～45%，非化石能源占一次能源消费的比重到15%左右，尤其要重点推进电力、钢铁、建材、有色、化工和石化等高能耗行业重大节能技术与装备研发，开展能源梯级综合利用技术研发[63]。2015年10月，国家发展改革委、住房城乡建设部联合印发的《余热暖民工程实施方案》中明确提到，到2020年，通过集中回收利用低品位余热资源，替代燃煤供热20亿平方米以上，减少供热用原煤5000万吨以上，并探索建立余热资源用于供热的经济范式与典型模式[3]。因此，在国家利好政策的引导下，移动储热供热技术产业化前景广阔。

6 结 语

无论是对电站锅炉排烟余热这种连续性余热源的回收，还是对水泥、钢铁等高能耗行业中伴生的间歇性余热源的回收，因传统余热回收方式的局限性，能量转换与利用效率偏低。要想摆脱传统思维模式的束缚，就要以崭新视角审视烟气余热能的存储与利用。移动储热供热技术恰恰能够缓解能量供求双方在时间、强度及地点上不匹配的矛盾，是合理利用能源及减轻环境污染的有效途径。但目前的移动储热供热技术在国内外还多处于研究和示范工程的应用阶段，现有系统的储热换热器存在单位体积储热量低、充热时间长、放热时间短、对热源类型要求高等诸多问题。因此，移动储热供热技术在储热材料合成与封装、多尺度强化传热、热管理动态调控、安全运作商业模式等方面还需深入研究，其提升空间很大。我国北方大部分地区采用燃煤集中供热模式，其供热管网敷设建设周期长、初投资大等问题突出，以及近年来南方地区极端天气增多导致冬季供热需求强烈等问题，给移动储热供热技术带来巨大的市场潜力。加之国家节能减排等利好政策的引导，移动储热供热技术产业化前景广阔。

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Current situation of mobilized thermal energy storage technology and its problem discussion

1,1,1,1,2,3,4

(1Institute of Process Engineering, Chinese Academy Sciences, Beijing 100190, China;2School of Chemical Engineering, University of Birmingham, Birmingham B15 2TT, UK;3Jiangsu Pengfei Group Co., Ltd., Nantong 226623, Jiangsu, China;4Technology Center of Ansteel Co., Ltd., Anshan 114021, Liaoning, China)

The low quality heat energies associated from heavy energy-consuming enterprises, and there exists temporal mismatch contradiction of supply and demand, are difficult to be employed by traditional transportation mode of pipe. However, the mobilized thermal energy storage and supply technology is an organic combination of energy harvesting, energy storage and delivery, and energy supply, and spurn many malpractices of transportation mode of pipe. In the first place, in the article, the current situations of basic research and engineering application of the mobilized thermal energy storage at home and abroad were analyzed in detail, and on the basic, the problems faced of the mobilized thermal energy storage technology were included. After that, a scheme of mobilized waste heat modular storage was proposed, and the application mode and the economy about that scheme mentioned above were expounded exhaustively. Last but not the least, the market prospect and industrialization of the mobilized thermal energy storage technology were forecasted.

mobilized thermal energy storage and supply technology; modular storage; low quality heat energy

10.12028/j.issn.2095-4239.2016.0021

TM 02

A

2095-4239（2016）06-897-12

2016-03-02；修改稿日期：2016-04-08。

江苏省重点研发计划项目（BE2015199）。

姚华（1979—），男，博士，助理研究员，研究方向为工业余热存储与利用、能量转换系统集成与优化等，E-mail：hyao@ipe.ac.cn；通讯联系人：黄云，博士，副研究员，研究方向为储能过程与能源材料等，E-mail：yunhuang@ipe.ac.cn。