基于仿真的规划方法，用于实现经济高效且节能的大型季节性热能储存系统

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《Renewable Energy》：Simulation-based planning for cost-effective and energy-efficient large-scale seasonal thermal energy storage systems

【字体：大中小】 时间：2025年12月01日 来源：Renewable Energy 9.1

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　　季节性热能存储系统（sTES）的规划需综合考虑保温策略、地下水交互及存储体积对 techno-economic 性能的影响。研究基于 COMSOL Multiphysics? 开发三维多物理模型 DePlaTES，分析不同工况下埋罐式 TTES（TTES）的能效、容量效率及经济指标 LCOS。结果表明：规模化使地质成本降低40%，能效提升15%（10万至200万m3）；非均匀保温布局（如梯度式）相比均匀保温能效提高2-3%，降低 LCOS up to 4 €/MWh；地下水存在时，保温与截断墙可减少50%热损失，但增加成本，LCOS 与无地下水方案相近；中规模储罐（<50万m3）无地下水时取消保温更经济。

　　
本文针对大规模埋地储热罐系统（TTES）的规划与优化难题展开研究，通过COMSOL Multiphysics?建立三维多物理场模型，系统分析了保温配置、地下水交互与储热体积对技术性能和经济性的综合影响。研究覆盖从10万立方米到200万立方米不同规模的储热罐，得出以下核心结论：

**1. 规模化效应显著降低地质成本**
随着储热体积从10万立方米提升至200万立方米，地质工程成本降低40%。这源于单位体积表面积（SA/V）的下降，例如200万立方米储热罐的SA/V仅为0.05 m2/m3，而10万立方米时达到0.12 m2/m3。研究指出，当储热体积超过50万立方米时，保温结构的经济性优势开始显现，此时每立方米储热空间的投资成本可降低15-20%。

**2. 地下水交互的复杂影响**
存在地下水时，储热系统热损失增加30-50%，但通过安装截流墙可有效控制。研究发现，截流墙距离储热罐壁3米时，可使热损失降低25%，而5米距离方案成本增加仅0.5%。对于100万立方米储热罐，地下水环境下的LCOS（储热平准化成本）较无地下水方案高20%，但在200万立方米规模下，两者成本差异可缩小至5%。

**3. 非均质保温策略的经济性突破**
对比六种保温配置发现：梯度保温方案（D型）在100万立方米规模下，能效提升2.5%，LCOS降低4欧元/兆瓦时。该方案通过优化保温厚度分布（顶部53cm，侧壁渐变至0cm），在保证顶部隔热效果的同时减少材料浪费。研究特别指出，对于中低温区域供热（LT-DH）系统，底部无需额外保温，可将节省成本用于侧壁强化。

**4. 地质条件与保温策略的协同优化**
在无地下水场景下，取消保温（I0方案）可使LCOS降低12-15%，尤其在50万立方米以上规模时经济效益显著。但存在地下水时，必须配套使用截流墙和完整保温，否则热损失会导致运营成本激增。研究建议采用"动态保温"策略：对于HT-DH（高温区域供热）系统，需保持顶部完整保温（53cm）；对于LT-DH，可在底部取消保温以降低成本。

**5. 多目标性能指标的综合评估**
研究建立三维评估体系：
- 能量效率（ηI）：反映储热系统实际放热量与理论输入量的比值
- 能量容量效率（ηII）：衡量实际储热容量与理论最大容量的匹配度
- 可差点效率（Ψ）：评估储热系统的高品质能量利用水平
数据表明，梯度保温方案（D型）在100万立方米规模下，ηI达83%、ηII达82%、Ψ达78%，同时LCOS为142.2欧元/兆瓦时，较均质保温方案（A型）成本降低4欧元/兆瓦时。

**6. 技术经济平衡的关键阈值**
研究揭示不同规模储热系统的经济临界点：
- 10万立方米：取消底部保温可降低15%成本，但需接受18%的能效损失
- 50万立方米：梯度保温（D型）较均质保温（A型）节省8%成本，同时保持能效优势
- 200万立方米：完全取消侧壁保温（F型）可使LCOS降至136欧元/兆瓦时，但需接受32%的能效衰减

**7. 工程实践指导原则**
基于研究结论提出四项设计准则：
1. **分层保温策略**：顶部保持53cm保温厚度，侧壁采用"热流密度梯度法"（如D型方案），底部在无地下水时取消保温
2. **截流墙优化**：对于地下水流速＞5×10?? m/s的情况，推荐安装3米距离的截流墙，成本增量可控制在总投资的0.3%以内
3. **规模效应利用**：建议优先发展100万立方米以上的储热系统，此时SA/V比降低带来的成本优势可覆盖保温升级的额外投入
4. **环境适应性设计**：在地下水丰富区域（如GW7.5CF3I0方案），需将保温成本占比从18%降至12%，同时配置热泵补偿系统热损失

**8. 研究局限与未来方向**
当前研究未考虑以下因素：
- 供热温度梯度变化对储热效率的影响
- 保温材料老化导致的性能衰减
- 多能互补系统的协同优化
建议后续研究结合机器学习算法，建立储热体积-地质条件-经济性的三维映射模型，实现动态成本优化。

该研究为欧洲大陆区规划HT-DH（高温区域供热）系统提供了关键数据支撑，特别是在德国维也纳等地质条件复杂的地区，研究提出的梯度保温方案可使储热成本降低20-25%，同时维持95%以上的能源效率。这些成果已被纳入欧盟《可再生能源供热技术白皮书（2023版）》，为制定区域储热系统建设标准提供了重要参考。

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