为满足社会的需要，在住房冷、暖气供给，空间动力和公用事业设备等方面更有效地利用不损害环境的能源，热能储存起了十分重要的作用。

无论何处都存在能的产生和利用的失配现象，热能储存将有助于热能的供给，提高热能的利用率。热能储存有三种基本形式（显热、潜热、和热化学），每种形式都可采用许多不同的工艺手段。人们一直在对这些工艺过程的子集进行研究开发，主要集中在住房冷、暖气供给，工业能源利用率，公用事业设备以及空间动力系统的应用上，从而加速了热能储存技术的推广应用。为了满足社会需要，在这些方面以及其他方面更有效地利用能源，改善环境，热能储存起了十分重要的作用。

常有这种情况，某时某地暂时不需用能，或要用到不同形式的能。于是，就形成了能的传输，转换和储存河题。能可以许多不同的形式储存起来。比如，在旋转飞轮中以动能形式储存机械能，拦坝蓄水形成重力势能，储存在电池中的化学能，受压弹簧中存在的弹力势能，以及某种材料的温度增加时，由它吸收储存的热能。

也许能量储存的主要效用在于当供求关系任意变化时，它具有的供求耦合能力。如能找出能源和负载之间的函数关系，就容易描述一个储存系统，理想状况是，向储能系统输送能源期间，能被储存起来，在随后的耗能期间，储存的能又被释放出来、用这样的方式，储能介质不发生纯热力学状态的变化、在一个循环期间，向储能系统输能和储能的释放不一定是连续过程，两个周期持续的时间也不一定相等。

热能储存机理

热能储存的三种形式：显热、潜热和热化学，就显热储存而言，能是通过改变材料的温度来储存的。能的储量与温度的变化，大多数储能介质，介质的比热有密切的关系。

大多数显热储存系统应用水、岩石、泥土或陶瓷砖块作为热储存材料，而用水、空气或油作为传热载体，住房的冷、暖气供给需要在一定温度范围内调节，水的热容量大（418 kJ/kg℃）选择水箱作为热能储存系统是合理的。岩石和陶瓷的热容量相对较低（大约在0.84 kJ/kg℃），由于这些材料本身密度比较高，有可能通过增加温度变化范围来弥补热容量的不足。比如，用电加热陶瓷砖（或石块）的方法为住房储存热能，温度变化范围达800℃。

关于潜热储存，储能材料通常是在固相和液相之间变化。这样，如果储存温度是在储能材料的熔点和冰点之间变化的，那么，由于潜热的作用，储存容量大大增强。利用相变材料潜热储存的优点是获取了高的能量通量。当储存温度的初值和终值之间的差值缩小时，可利用潜热储存来提高相变材料的熔化温度。

热化学能储存涉及化学反应。作为储存手段，金属氢化物可供利用氢作为工作介质的化学热泵之用，金属氢化物储存氢压低于饱和压。金属盐和氨的化合也可作为热化学能储存手段。与显热系统相比，热化学能储存温度低，因此，在长期循环过程中可减少热能损失。另外，热化学能便于传输，不同的化学成分可分别运送到需要的地方后，再进行化学反应。

热能储存技术的应用

无论何时热能的供求间总存在失配现象，于是需要用到热能储存技术。此外，热能储存技术还为收集，储存和重新利用热能提供了一种手段。否则，将会造成浪费或降低热能利用率。许多方面要用到热能储存技术，主要包括住房冷、暖气供给，利用太阳能，利用工业余热，以及空间动力应用。在这些方面，它们的储存容量，期望的热流密度和输送/释放周期都是极其不同的。

住房冷、暖气供给。由于采取了在非峰值期向住房冷、暖气供给系统供电的措施后，热能储存技术才得以迅速发展。在大型商业楼内，常常要一年到头供应冷气，冷却来自室内照明，居民和内部设施产生的热负荷。而且不断增长的空调设备，计算机房也增加了热负荷。从而加剧了电能消耗。供电部门正在逐渐扩大热能储存技术的应用，作为减少峰值需求和改善负载因素的一种手段。在非供电峰值期，特别是夜间，向热能储存系统（热或冷）供电，在随后的峰值期，储存的热（或冷）释放，以满足室内加热（或制冷）的需要。为了避免峰值期争抢电能，并且得到了供电部门的帮助，住户们正饶有兴趣地选择了这种热能储存的方法。

住房供暖，通常用到两种热能储存介质：一种是在压力容器里被加热到130℃左右的水，另一种是被电加热的陶瓷砖块或石块，这些材料被砌成与供气管道相连的壁室。美国和欧洲有许多厂商生产这种砖块，有各种规格可供用户选用。

比供暖需求量更大的是制冷需求，在非峰值期，对冷却水和冰储存系统的需求量不断增长，在美国，商业楼拥有1000多各种规模的储存系统。对于空间适合的地方，在非峰值期能用制冷装置冷却水箱。水箱的内壁用相变材料砌成，水制冷系统的变化与该水箱有关。这种相变材料的冰点温度相当低，对于用普通制冷装置和管道技术的建筑来说，足以提供所需的冷气。气体水合物（笼状化合物）在10℃左右冻结成一种冰状结构，也一直被用作储能材料。大多数商用冷储存设备都用冰作储能材料，冰储存系统的调制性可使制冷装置变得相当大。芝加哥自称是世界上最大的冰储存系统：每天制冰超过二百万磅，这些冰块被溶化向商业中心提供冷气，冰储存系统的结构包括用潜管蒸发器冰冻的静态制冰机，用盐水作工作介质的集装箱式的冰储存系统，以及用流水作业的动态制冰机，每种结构都以冰溶化获得低温水来降低室内温度，因此，与住房供冷分配系统有关的投资和保养费用就能减少。目前，大约有30家这种冰储存系统的制造厂商。

季节性冷热储存是另一种节能应用手段，利用冬季储冷，到夏季为住房供冷可减少电能消耗，反过来，利用夏季储热，到冬季可向室内供暖a在北美和中国虽然已经建造了许多冷库，但通常还是把含水层作为蓄能器而建立起储能系统，在欧洲，人们的兴趣集中在大规模储能型式上，通常是利用洞穴或通过地层或基岩层布置管道引入热水。

利用太阳能。如何在住房中有效地利用太阳能的关键在于储存热能的能力，目前，人们的兴趣仅限于室内加热的被动系统和水加热的主动系统，在住房供暖系统中，通常利用的被动式热能储存材料包括水、石、砖和混凝土。要使住房条件舒适必需保持适当的室温。这就限制了储能材料所允许的温度波动范围，所以，只有通过增加这些材料的用量来提高它们的使用性能。在美国通常习惯用轻质建材，潜热型热能储存系统用的轻质材料很容易在室内安装，这是它的一大优点。显然，要考虑的问题是相变材料在液相时应具有的经济性和效率。人们一直在研究含有在室温下熔化的相变材料做成的管、杆、箱型建材，虽有不同程度的收获，但多数已被证明是不经济的。人们更感兴趣的是在墙板中直接加入相变材料。使用这种既含有相变材料，又作为建材的墙板，就十分经济。另外，墙板本身加大了传热面积，也保证了利用小温差来驱动大热流。

有些国家已在小规模试验或已在利用季节性储存太阳能的方法为冬天取暖之用。这种系统通常是和地区性供暖系统连在一起的。瑞典已完成了许多这样的储能系统，由于利用这种系统可减少所需收集器面积，因而提供百分之百的太阳能系统的费用也就减少了。在北方的气候条件下，储存太阳能以提供大量的热源基本上是有效的，系统的规模越大越经济。最近，麻省理工学院研究的一个在粘土层下储存太阳能的季节性储热系统将为地区体育运动中心供暖。

利用工业余热。在美国，工业生产用能源占全国能源消耗总量的三分之一，其中大多数是碳氢化合物燃料。所以，改善工业能源利用率可对全国能源消耗水平有实质性的影响。经选择的一个方案就是热能储存，如果把经烟囱向周?释放的热能储存起来并重新利用，工厂就可少买燃料，工厂减少热排量，也就减少与使用燃料有关的生产成本。

应用热能储存技术，节能潜力最大的六种企业是：铝厂、砖瓦陶瓷厂、水泥厂、食品加工厂、钢铁厂和造纸厂。这些企业所耗能量相当于全国工业用能源的80%。现有的大多数热能储存系统，在钢铁企业中用作热交换器，可预热空气到600℃左右，还有从其他企业的烟囱群中排出的废烟，也能回收余热，估计利用热能储存技术，每年能为美国节能3 EJ之多。

动力方面的应用

基于相变材料的热能储存系统，能控制相变材料的熔化温度，使其处于极佳的温度范围内。这一特点一直被用在各次太空飞行任务中。安装在阿波罗15登月车上的三块电子板吸收的热能被储存在石蜡中。太空验室也利用相变材料来稳定温度。

人造卫星的动力装置靠太阳能驱动。当人造卫星处于地球轨道的背阳部位时，要求热能储存系统能操纵布雷顿或斯特林发动机。NASA研究设计的一个方案是在焦点上用一系列含有相变材料的容器组成一个接受器。每个容器都是环状的，在环的四周固定有相变材料，环的中心充有He-Xe工作介质。

在空间动力应用中，由于持续时间比较短，热能储存系统的尺寸和系统的热损失都可减少。在运行轨道上动力产生/使用期间，向热能储存系统输入能源。在比较长的无动力期间，储能被释放进入太空。由此可见，系统的热损失是按绕轨道运行的平均值计算的，而不是根据峰值要求计算的。

一个供地面研究和试验的方案是利用太阳能中心站热动力系统中熔化的硝酸盐储存热能，其温度在565℃上。类似的一个方案考虑供燃煤发电厂使用，作为一种手段，在运用矿物燃料燃烧系统时，能继续提供峰值和中等动力。普通的粉煤厂与熔盐热能储存系统结合，据估计工厂的成本相对于循环操作可减少5 ~ 15%。主要好处是预先洗煤工艺可用在连续操作上。有关的设计方案是利用熔盐热能储存系统与原煤和气体发生联合循环系统结合，估计工厂成本甚至能降低更多（5 ~ 20%），而工厂的热效率将提高3%。

其他方面的应用，相变材料的温度稳定性可应用到其他许多方面。用加入相变材料的纤维织衣，穿起来更加舒服而且不用担心周围环境温度的变化。已知树木的护套含有相变材料可减少夜间温度下降造成的危害。事实上许多相变材料在凝固前具有的重要的过冷度，已经对包装物起了瞬间加热的作用。这些由一种过冷度液体组成的系统，在室温下就会形核结晶，开始向固态转化并释放热量。

技术问题

为了探讨热能储存新设计中的技术问题，改善现有的热能储存系统的性能，扩大热能储存技术的应用范围，美国、欧洲和日本都在进行研究。热能储存的理论和实验研究已有广泛的基础。并且取得了一定的成果。许多研究已开始转向解决具体的技术问题。以下一些例子简要地说明了热能储存研究的大致情况。

以水为储存材料的显热储存。以水储热，初看似乎简单明了，你简单地把水从水箱底部抽出后加热，然后再从水箱顶部回流进水箱，最后，整箱水的温度都将达到进口水温。然而，如果你希望用少量回流注入水箱，或者想尽可能长时间地保持低的出口水温，就需要将水箱中的水作分层储存。人们一直在研究不同的分层方法，其中包括用组合水箱的，也有横过水箱中心固定一塑性膜片的，还有用一系列堰和隔板的，以及用热感应（密度）分层法的。最初的三种方法，虽有不同程度的成功，但都比较复杂而且还要占据额外空间。因为供水和回流之间密度差小，所以在冷水储存系统中用热感应分层法要有满意的结果也比较困难。不过研究表明，如果热能储存系统的设计和应用都是在某种分层参量规定的容许范围内，那么，储能效率就能超过90%。有关这些分层参量的依据正被成功地用于热水和冷水储存箱的设计上，而且已经大量替代了隔板和膜片的作用。

高温相变材料的发展。从经济角度来看，根据现有的显热储存技术回收工业余热是困难的。现有的回收系统的尺寸还可加大，因为传热面积小了，储存作用也就减少了。就高炉回热炉来说，在一次循环中格式装置所储存的热能实际上只有5%被释放。应用潜热储存的密集层系统就减少尺寸和改善传热效率来说是有利的。由美国能源部主持研究的密集层回收系统既简单，花费又少，安装后可从工业废气中收集余热。这是一种由陶瓷圆片和填充在陶瓷基体孔隙中的相变材料组成的密集层。陶瓷基体孔隙的大小是这样确定的：即使当相变材料熔化时，由于表面张力的作用，使其仍能留在孔隙中。

这种热能储存系统的主要优点是制造简单。只需简单地把各种成分混合调制成糊状，然后挤压通过一圆形钢模，并切成段状。再切削加工成直径为2 ~ 5公分的柱形圆片。最后，在高温下保温一段时间，整个制造过程就完成了。

高热容量的建材。美国能源部主持的一个重要项目是关于如何将相变材料加入建材中，通过相变材料潜热的作用，来加强建材储能能力。最近研制的一种建材是在灰泥墙板中加入相变材料，已在住宅楼和商业楼中广泛使用。主要应用被动式太阳能加热，住房中含相变材料的墙板储存太阳能以供暖的作用大于用其他的方法。另外，可对用电负荷进行控制。由于用含相变材料的墙板使住房内部热储存能力足够大，以致在用电高峰期，可关闭住房暖、冷气供给设备的电源。

用于制冷的储能系统。尽管为住房提供商业性储冷的方法正在普及，但是用以指导开发低温冷储存系统的理论研究相对较少。一些年来，氨盐一直被用在冷储存中，其工作过程类似于其他吸附物质，诸如干燥剂那样，且带有若干有利的特性。在相同温度下，含有经挑选的无机盐的氨蒸气压低于纯氨蒸气压。氨盐所具有的蒸气热和物质传递率以及结构的耐久性，这些各种各样的特性，使其能被冷储存系统采用。氨在这类系统中作为工作介质，其工作循环可根据设备配置，用热的方法或机械方法（即机）用压缩来驱动。

[Mechanical Engineering，1990年9月]