供暖是冬季北方地区人民生活的基本需求，也是民生工程。随着“双碳”目标的提出，供暖行业面临着能源结构转型的重大挑战，清洁性和低碳性是未来的主旋律。传统的化石（煤）能源供暖将逐步退出历史舞台，电能、核能、太阳能、地热能等可再生能源的开发利用将成为供暖热源的主要技术途径。
国家近年来出台了一系列清洁供暖和大力发展可再生能源的政策，积极推动将太阳能、余热、低谷电等应用于建筑供暖，实现供暖的电气化、低碳化和清洁替代。上述热源结构多数存在能源供应间歇性、不连续的缺陷，与建筑用能需求在时空上不匹配，发展热能存储技术就成为解决这一难题的关键。
可以预见，未来城镇供热系统将由高比例可再生能源与储热设施结合，在实现供热低碳化的同时，实现能源系统柔性灵活和运行经济。
何谓相变蓄热供暖技术？相变蓄热技术，因其适合的相变温度和高潜热特性而得名，是建筑供暖领域发展热能存储的重要技术。其立足于高性能相变材料，利用相态变化输入低强度及非连续性热能并高密度储存，在需要时段均匀性输出，具有温升需求低、蓄热能力强、空间占比小等优势。将相变蓄热技术与低碳热源结合可实现建筑供能系统高效、经济、低碳。具体作用如下：
一是推进建筑供暖电气化，实现“削峰填谷”用电
今年3月9日国家发展改革委、国家能源局等十部门联合印发《关于进一步推进电能替代的指导意见》，指出应持续推进清洁取暖，推广电采暖。相变蓄热供暖技术可在峰谷电价机制下利用夜间“谷电”时段的电能转换成热能储存在相变蓄热材料中，在日间“峰电”和“平点”时段释放热量实现供暖。此技术能够有效降低运行成本，实现用电的“削峰填谷”，缓解电网压力和波动，为延缓电网升级作出贡献。
二是提高可再生能源利用率，消纳“弃风弃光”电能
可再生能源输出特性与城镇日用能需求往往不匹配，如没有大规模储能技术做补充，就会造成“弃风弃光”的现象。而相变蓄热技术可直接利用“弃风弃光”的电能转化成热能储存在相变蓄热材料中，在需要时用于供暖，平滑电力波动，实现可再生能源的消纳。此外，相变蓄热技术还可直接与太阳能供暖技术联合应用，储存太阳能的间歇式热量，并在有供暖需求时释放，从而满足供暖稳定性，提高太阳能的热利用率，实现完全清洁供暖。
三是高效回收利用工业余废热，实现能源提质增效
我国化工、医药、冶金、有色、建材等生产过程排放的低品位工业余热规模巨大，如不有效利用会造成巨大热量浪费。相变蓄热技术可将该部分热源资源进行存储和移动式灵活应用，为余热周边的建筑供暖提供技术路径，并可提升上述工业过程的能源利用效率。
延伸阅读：
天津大学环境科学与工程学院教授吕石磊率领的“低碳建筑与储热利用”研究团队，十几年来致力于建筑相变蓄热基础理论和核心技术的前沿研究。研究团队在多项国家自然科学基金、国家重点研发计划、产学研技术开发等科研项目的支持下，通过完善理论方法、研发相变材料、开发蓄热装置、建设智慧平台等，实现了相变蓄热供暖技术基础理论—关键技术—工程应用的全链条创新。
研究团队潜心研究多年，从理论上揭示了相变蓄－释热过程中的能量转换机制，形成了工程适用的建筑相变储能计算改进模型和仿真计算平台，实现了相变材料在建筑供暖工程应用中的精准计算。研发了相变熔凝点涵盖20～120℃的系列化高焓值复合相变材料，实现建筑用相变温度区间全覆盖。
根据相变热质与不同传热流体实现高效蓄－释热的换热结构和围护结构整体封装技术，结合太阳能、夜间冷风等自然气候资源，研发了包括相变蓄热采暖地板、夹层通风式相变蓄热墙体、相变防辐射屋顶、贴附式相变墙体、地道风相变蓄冷屋顶等全方位相变蓄热建筑构件。研制了45～80℃的单级和梯级等系列化高性能相变蓄热装置，与常规技术比，相变材料（PCM）利用率提升了14%，蓄热量和供热量提升了40%以上，并深化了相变蓄热与太阳能、热泵、电锅炉等热源系统的耦合方法，形成了相变蓄热多能系统的设计方法。建立了耦合负荷预测和动态规划算法，以实现最佳蓄－释匹配的相变蓄热供暖系统智慧运行平台，平台使工程应用中的储热供暖系统供需匹配度提升15%以上，供暖季总运行费用可降低10%以上，显著提升了系统运行效率和经济性。
“十三五”国家重点研发计划示范工程：天津市农村被动式太阳能相变蓄热供暖工程（图片来源： 刘显华）
吕石磊，天津大学环境科学与工程学院，建筑环境与能源应用工程专业教授，博士生导师，学科方向带头人。入选教育部新世纪优秀人才支持计划，获得天津市建筑节能先进个人称号，担任中国建筑节能协会专家委员、中国建筑节能协会建筑调适专委会常务委员、中国绿色建筑与节能专业委员会委员、天津市碳中和与绿色金融研究中心副理事长。
注：本文章转载自吕石磊，不代表本网观点立场。
