泵送热能储存系统的性能分析与优化，以及与低温废热回收技术的结合

《Journal of Energy Storage》：Performance analysis and optimization of pumped thermal energy storage system coupled with low temperature waste heat recovery

本文提出一种与低温余热回收结合的全时PTES系统，通过利用热泵蒸发器排热预热有机朗肯循环工质，优化系统热力学参数和经济性模型，研究热泵冷凝温度、储热温度、ORC蒸发温度及过热度对系统性能的影响。结果表明，R1233zd(E)作为工质时系统效率达60.22%，储热成本最低为0.4038$/kWh，且降低冷凝温度、提高储热及蒸发温度可增强系统能效。

　　随着全球能源需求的不断增长和环境问题的日益严峻，如何高效利用能源并减少碳排放成为当前研究的重要方向。在众多能源存储技术中，泵送热能存储（Pumped Thermal Energy Storage, PTES）因其不受地理条件限制、具备较高的能量密度和较低的投资成本等优势，逐渐受到关注。特别是在工业领域，大量低品位废热的产生与未充分利用，使得PTES技术在回收和再利用这些废热方面展现出广阔的应用前景。

本文围绕PTES技术在钢铁行业低品位烟气废热回收中的应用展开研究，提出了一种全天候运行的PTES系统，并结合有机朗肯循环（Organic Rankine Cycle, ORC）进行热能回收。该系统通过将热泵循环中蒸发器释放的废热引入ORC的预热器，对有机工质进行预热，从而提升整个系统的热经济性能。同时，本文还构建了PTES系统的热力学与经济模型，分析了不同参数对系统性能的影响，并对系统设计参数进行了优化。

研究结果表明，降低热泵冷凝温度、提高热存储温度和ORC蒸发温度可以有效提升PTES系统的功率-功率效率（Power-to-Power Efficiency, η_P2P）和?效率（Exergy Efficiency, η_ex）。然而，热存储温度对系统的平准化储能成本（Levelized Cost of Storage, LCOS）具有非线性影响，随着热存储温度的升高，LCOS先降低后上升。此外，热泵冷凝温度和ORC过热程度越高，而ORC蒸发温度越低，系统的LCOS越高。因此，在选择ORC工质时，需要综合考虑系统效率与成本之间的平衡。

在众多ORC工质中，R1233zd(E)表现出最佳的综合性能，其功率-功率效率达到60.22%，同时平准化储能成本仅为0.4038美元/千瓦时。这表明R1233zd(E)是适用于钢铁行业低品位烟气废热回收的优选工质。此外，本文还对五种常见的ORC工质进行了热经济分析和单目标优化研究，包括R600a、R1234ze(Z)、R1336mzz(Z)和R1224yd(Z)。研究结果表明，通过合理选择工质和优化系统参数，可以显著提升PTES系统的整体效率，并降低储能成本，从而增强其经济可行性。

钢铁行业作为重要的制造业领域，其生产过程中产生的低品位烟气废热具有较大的回收潜力。根据相关统计，钢铁行业碳减排潜力中，低品位烟气废热的碳减排贡献率约为7%–8%。其中，烧结环冷机产生的低品位烟气废热占据了较大比例，大约占钢铁行业所有废热资源碳减排潜力的15%。然而，目前这些低品位烟气废热大多未被有效利用，而是直接排放，造成资源浪费。相比其他工业烟气，烧结环冷机产生的烟气本质上是高温空气，且不含冷凝腐蚀，因此具备较深的回收潜力。

基于此，本文提出了一种基于ORC的PTES系统，用于高效回收烧结环冷机排放的低品位烟气废热。该系统结合了热泵和有机朗肯循环，通过热存储系统实现两个子系统的耦合。这种设计不仅能够充分利用低品位热源，还能够有效提升系统的整体运行效率和经济性。同时，通过热力学计算软件和物理性质查询软件REFPROP，对系统的热经济模型进行了计算和分析，进一步验证了系统设计的合理性。

本文的研究具有重要的现实意义。首先，它为钢铁行业实现绿色低碳发展提供了新的解决方案，通过高效的废热回收技术，减少能源浪费，提高能源利用效率，从而推动节能减排目标的实现。其次，本文提出了一种新的系统结构，即在ORC中引入预热器，将热泵循环中蒸发器释放的废热用于预热有机工质，从而提升系统的热经济性能。这种设计不仅能够减少热损失，还能进一步提高热能回收效率。第三，本文通过分析不同工质对系统性能的影响，为实际工程中选择最优工质提供了依据。同时，通过对系统参数的优化，提升了PTES系统的整体性能，使其在经济性和可行性方面更具优势。

在研究过程中，本文不仅关注系统的热经济性能，还考虑了其在实际应用中的可行性。通过构建详细的热力学与经济模型，分析了系统在不同工质条件下的运行特性，并对关键参数进行了优化。研究结果表明，通过合理选择热泵冷凝温度、热存储温度和ORC蒸发温度，可以显著提升系统的整体效率。同时，系统的平准化储能成本随着热存储温度的升高呈现出先降低后上升的趋势，这提示在实际应用中需要在成本与效率之间找到最佳平衡点。

此外，本文还探讨了PTES技术在其他工业领域的应用潜力。例如，一些学者已经研究了PTES技术在太阳能、地热能等可再生能源领域的应用，并取得了良好的效果。相比之下，PTES技术在低品位废热回收方面的应用仍处于初步探索阶段。因此，本文的研究不仅填补了该领域的空白，还为未来PTES技术的广泛应用提供了理论支持和实践指导。

在实际应用中，PTES技术可以分为两种主要类型：基于布雷顿循环（Brayton Cycle）的PTES系统和基于有机朗肯循环的PTES系统。其中，基于布雷顿循环的系统通常需要在高温条件下运行（超过500°C），这对设备和热存储材料的选择提出了较高的要求，同时也增加了系统的复杂性和投资成本。相比之下，基于有机朗肯循环的PTES系统通常在较低温度下运行（低于250°C），不仅能够有效减少热损失，还能提高系统的安全性。因此，本文选择基于有机朗肯循环的PTES系统作为研究对象，以适应钢铁行业低品位烟气废热回收的实际需求。

本文的研究还涉及多个方面，包括系统结构设计、关键参数分析、经济模型构建以及优化策略。首先，系统结构方面，本文设计了一种全天候运行的PTES系统，结合了热泵和有机朗肯循环，通过热存储系统实现两个子系统的耦合。这种设计能够充分利用低品位热源，同时提高系统的运行效率。其次，在关键参数分析方面，本文研究了热泵冷凝温度、热存储温度、ORC蒸发温度以及ORC过热程度对系统性能的影响。通过调整这些参数，可以有效提升系统的效率和经济性。

经济模型方面，本文构建了PTES系统的热经济模型，并利用相关计算工具对系统进行了模拟和分析。研究结果表明，系统的平准化储能成本与热存储温度之间存在非线性关系，即随着热存储温度的升高，LCOS先降低后上升。这提示在实际应用中，需要根据具体的热源条件和系统需求，选择合适的热存储温度范围。同时，系统的LCOS还受到热泵冷凝温度和ORC过热程度的影响，较高的冷凝温度和过热程度会导致系统成本上升，而较低的ORC蒸发温度则会增加系统成本。

在优化策略方面，本文对系统的运行参数进行了优化，以提升系统的整体性能。优化结果表明，通过降低热泵冷凝温度、提高热存储温度和ORC蒸发温度，可以显著提升系统的效率。同时，系统的运行参数优化还能够有效降低储能成本，提高系统的经济性。此外，本文还对五种常见的ORC工质进行了分析，以确定其在系统中的适用性。研究结果表明，R1233zd(E)在功率-功率效率和储能成本方面均表现出最佳性能，是适用于该系统的优选工质。

综上所述，本文的研究不仅为钢铁行业低品位烟气废热回收提供了新的解决方案，还为PTES技术的进一步发展和应用提供了理论支持和实践指导。通过合理的系统设计和参数优化，PTES技术能够有效提升能源利用效率，减少碳排放，从而在工业领域中发挥重要作用。未来，随着技术的不断进步和政策的支持，PTES技术有望在更多领域中得到应用，为实现绿色低碳发展和可持续能源利用做出贡献。