摘要
摘要
本文是碳中和城市建筑能源系统系列文章的第四篇。在碳中和语境下，无论是增加可再生能源应用的渗透率，还是平抑负荷、提高电网的灵活性，都离不开储能。本文介绍了当今储能技术的主要类型，即电力、电化学、机械、化学和热储能。重点介绍了与建筑和区域能源系统有关的储能技术。提出了用于第5代区域供热供冷系统（能源总线系统）的季节性热储能的概念性方案，并对在能源总线系统规划中如何考量储能应用提出了建议。指出在全球气候变化背景下结合热泵的应用，季节性热储能技术应是今后关注的重点。
关键词
碳中和；储能；第5代区域供热供冷；能源总线；季节性热储能
作者
龙惟定 同济大学
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本文是碳中和城市建筑能源系统系列文章中的第四篇，即综合能源系统的源-网-荷-储-用五大环节中的第四环。对建筑领域而言，最熟悉的储能技术莫过于水蓄热（冷）和冰蓄冷，前者是显热储能，后者是潜热+显热储能。近二三十年发展迅速的浅层埋地土壤源热泵技术，如果科学地归类，也是一种季节性显热蓄热（冷）技术。它与利用中深层地热和利用地表水的水源热泵还是有区别的。后者可以认为是利用低品位的可再生热源。土壤源热泵本质上是“热电池”，即将热量冬储夏用或夏储冬用。就像蓄电池一样，一定规模的土壤埋管群在一定的土壤物性条件下有一定的蓄热能力（热容量），必须维持充放平衡，如果没有充放过程，土壤的热量不可能天然再生，除非经过相当长时间的缓慢恢复。
在建筑节能语境下，建筑蓄冷蓄热的作用有点尴尬。它主要用来转移供热供冷系统用电，即削减高峰时段用电，填平低谷时段用电。而在两部制电价和分时电价体系中可以节约电费。它对以化石燃料火力发电为主的电力系统有节能减排的实实在在的好处，因此作为需求侧管理中的一个重要措施被加以推广。但对用户而言主要是省钱。尤其是冰蓄冷系统，制冰过程制冷机蒸发温度降低，能效也降低。近年来东部地区大城市由于服务业发展，夜间电力需求增加。同时出于环保原因，这些城市大量引进西部的水电，一般均采用“照付不议”的打包购电模式，夜间蓄冷储能反而给当地电力部门增加支出。这种情景是电力转型过程中的新问题，需要加以解决。
在“双碳”语境下，储能系统成为能源系统最重要的组成之一，储能技术也成为学术界、工程界和企业研发的重点之一。我国教育部的“新工科”专业中就有“储能科学与工程”专业，国内多所大学已建立这个专业并开始招生。
本文拟介绍最主要的储能技术及国内外发展动向，重点在适用于建筑、建筑群和城区的储能技术，以及在城区尺度上储能系统的规划要点。
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1.1 储能的作用
大约10多年前，储能还被分为储电和蓄热，电/热是分家的。储电和蓄热的目的主要是降低电网需求、转移负荷和套利。供应侧希望用户端通过储能，为它转移高峰负荷、填补负荷低谷以提高发电运行效率，但又不希望让渡更多的经济利益。而需求侧则因为在空调设计负荷中没有扣除移峰带来的负荷削减部分，蓄冷装置完全成了增加出来的投资，因为电价峰谷差价并不大，蓄冷回报小，而且并不能节电。如果建筑用电池蓄电，由于电池容量小，也很难取得效益。因此多数用户对储能投入没有很大积极性。
在碳达峰碳中和背景下，储能被赋予更重要的利用价值，尤其体现在智能电网中，成为现代能源网络中不可或缺的一环。储电和蓄热也逐渐成为储能的组成，相互协调，统一规划。在智能电网中，储能的主要功能是：
1） 可再生能源（光伏和风电）的大规模渗透，使得电网从只应对需求侧的变化负荷，到既要应对需求侧负荷的变化，又要应对供应侧可变可再生能源的变化。储能具有了为供需两端提供缓冲和平衡的功能。
2） 供应侧多种不可调度、不可预测的可再生能源的接入，需要储能来保证能源供应的平衡和稳定。
3） 需求侧有大量用户屋顶光伏接入，有些是接在电表后端。为了尽量消纳这些可再生能源，提高可再生能源利用率，避免对电网的干扰，就需要分布式储能来提供灵活性。其中，电力驱动热泵+蓄热（冷）是重要的技术手段。
4） 由于可再生电力的接入，电网中很可能出现双向潮流。储能系统可以提供平衡潮流、保持电压和频率稳定的功能。
5） 可再生能源的分布式特性可以减少大型集中式发电厂的电力传输，但也给整个电网的安全稳定供电带来挑战。因此在输电网中，需要由储能（特别是抽水蓄能）来提供平衡传输能力的灵活性。
现在有很多城区能源规划还没有意识到储能的重要性，能源系统中也没有储能的位置，似乎储能是可有可无的。其实，如果没有储能措施的保障，能源规划的目标（比如增加可再生能源渗透率）是很难实现的。
1.2 储能类型
储能指的是把能量储存起来，在需要时使用。而储能技术指的是将较难储存的能源形式，转换成技术上较容易实现且成本低的形式储存起来。国际学术界一般按能量形式将储能分成五大类，见图1。
这些储能方式涉及多个学科，如果全面介绍它们的原理和技术特点，需要很大的篇幅。有兴趣的读者可以阅读文献，该文是斯坦福大学教授Turgut M. Gür撰写的堪称教科书级别的综述文章（但仅对储电）。本文拟针对建筑和城区尺度下的适用技术作简单介绍。
1.2.1 电化学储能
电池是一种通过电化学氧化还原反应将其活性材料中所含的化学能直接转化为电能的装置。不可充电电池称作“一次电池”。而可充电电池（二次电池）是通过相反的过程充电。电化学反应是通过电路将电子从一种材料转移到另一种材料，因此它不受热力学第二定律所规定的卡诺循环的限制，使电池能够具有更高的能量转换效率。
电池由3个主要部件组成：1） 阳极或负极，即还原电极或燃料电极，将电子释放到外部电路并在电化学反应过程中被氧化；2） 阴极或正极，即氧化电极，接受来自外部电路的电子并在电化学反应过程中被还原；3） 电解质，为电池内部阳极和阴极之间的离子传输提供介质。
尽管有很多缺点，但作为第一代可充电电池，铅酸电池迄今仍在广泛应用。近年来世界上最显著的技术成就之一是锂离子电池的成功商业化，目前已占据全球电池市场的三分之二。主要的锂基电池可细分为多种类型，其中锂镍锰钴氧化物（NMC）、锂镍钴铝氧化物（NCA）和钛酸锂（LTO）电池适用于电动汽车，磷酸铁锂（LFP）电池适用于储能。中国是世界上最大的锂电池生产国，2020年产量达1 570 GW·h，占世界总产量的53.8%。可充电的锂基电池主要用于便携式电器、电动汽车和储能。相比其他电池，锂基电池有更高的功率密度和能量密度。但它的缺点一是锂元素的资源有限，二是锂的活性大、电池电解液易燃，作为汽车动力和储能都存在安全性问题。
由于可充电锂电池是电动汽车的主要动力源，因此充电桩越来越普及，并逐渐成为各种建筑内的标配。所以，尽管充电桩耗电理论上是交通能耗，但实际上已经成为建筑能耗的一部分，在能源规划中必须加以考虑。电动汽车+充电桩还可以成为储能和提供灵活性的一部分。
1.2.2 电储能
电储能主要有超级电容和超导电磁储能2种形式。超级电容本质上是介于电容器和电池之间的电化学电容器。它的功率密度高达10 kW/kg，但能量密度很低（<5 W·h/kg）。因此，它适合应用在需要快速充电和放电的场合，例如城市无轨电车，可以利用停站的短暂时间充电，然后快速放电完成车的启动和站间的均速行驶。而超导电磁储能则利用电感材料在临界温度以下电阻为零的特点储存电磁能，其储电能力比电池高出一两个数量级。但因为需要超低温制冷系统的保障，在建筑中很难应用。
1.2.3 机械能
1） 抽水蓄能。最早利用机械能储能的是弹簧，例如有些能发射“子弹”的儿童玩具枪。目前占比最大的储能系统是抽水蓄能（pumped hydro energy storage，PHES）。2020年全球储能容量为192 GW，其中PHES就占了94.7%。
PHES需要2个有一定高度差和一定容量的水库。在可再生能源发电高峰或电力需求低谷时段，电力驱动水泵将低位水库的水抽送到高位水库，提高势能；在可再生能源发电低谷或电力需求高峰时段，高位水库的水流向低位水库，势能转变为动能，推动涡轮机发电。同一台涡轮机在抽水蓄能时作为水泵，发电机作为电动机。其转换效率在70%~85%之间。但PHES的最大问题是项目完全取决于地理条件，一般城市附近很难找到这样的天然储能条件。建设PHES对环境生态也有一定影响。
2） 压缩空气储能（compressed air energy storage，CAES）是另一种大规模储能方式。在电力充裕时段，它通过电动空压机将空气分段压缩到高压（10 MPa），然后注入不透水的地下岩洞中；在电力紧缺时段，将空气经加热或换热（利用余热）后送入涡轮发电机燃烧室与燃料混合，在高温下膨胀推动涡轮机发电。据测算，大约0.7~0.8 kW·h非高峰电力压缩空气，能够在高峰时段发电1 kW·h。因为发电还需要消耗燃料，所以CAES的一些实际案例的总体效率大约为42%~54%。
3） 飞轮储能（flywheel）是利用机械动能储能的技术（见图2）。它有一个在真空外壳内的金属轮毂，其转轴通过磁悬浮轴承连接在腔体上，并通过轮毂连接到圆柱形电动机转子。在轮毂高速旋转时，其动能与飞轮质量和角速度的二次幂的乘积成正比。在用电低谷期，电动机驱动轮毂高速旋转（中低速为6 000 r/min，高速可达50 000 r/min），由于处于真空环境和磁悬浮轴承的支承，阻力和摩擦力很小，停止供电后，轮毂继续旋转，保留了动能。在用电高峰期，电动机变为发电机，电动机转子切割磁力线发电。利用动能，储存了电力。其输出功率介于0~50 MW之间，效率从90%到95%不等。飞轮储能具有可靠性高、充放电速率快、功率密度和存储效率高、维护成本低、循环寿命长、运行环保等特点，可以为需要快速充放电速率、长循环寿命（高达数十万次）和中到高功率（kW到MW级）的应用场合提供有效和高效的储能。但由于飞轮对材料要求高、制造工艺复杂、价格昂贵等特点，同时它还有每小时3%~20%的自放电率，因此鲜有在建筑或城区中应用的案例。
4） 重力储能。在建筑中应用重力储能的是电梯能量回馈装置。高层建筑中的电梯，可以简单地理解成一个定滑轮组，一端悬挂轿厢，另一端悬挂配重块。起滑轮作用的曳引机（牵引系统）实际上就是一部电动机。由于配重块的质量一般为轿厢质量加上额定载重的50%左右，因此当电梯重载下行或者轻载上行时，由于质量差产生了很大的机械能，使曳引机工作在发电状态，将一部分机械能转化为电能。一种方式是通过变流器馈入配电网，另一种方式是用超级电容储能，这2种方式的主要目的都是节能。
1.2.4 化学能
在本系列文章的能源篇中，曾介绍过电制氢（power to hydrogen，P2H，注意同下文中“电制热”P2H是同样的缩写，但含义不同。本文为区别起见，将电制氢简写为P t H）的主要技术，即蒸汽甲烷重整（SMR）和水电解。同样，电制气（P2G）是电制氢的延伸，即将氢气与外部CO或CO 2 源通过甲烷化过程转化为CH 4 ，可以作为替代天然气（substitute natural gas, SNG）。在P t H和P2G的化工工艺过程中，如果满足：1） 电解水制氢的电力来自可再生能源，2） 生成甲烷的CO 2 来源于碳捕集和碳储存（CCUS）这2个条件，那么这一过程是可以做到碳中和（净零碳）的。
在储能技术领域，使用可再生能源生产燃料（P t H或P2G），尤其是绿色氢和氨，为长期储能提供了一种环境友好且可持续的途径。电力电解水制氢，氢储存，然后用氢气作燃料，直接燃烧发电（热电联产）或在燃料电池中与氧发生反应而产生电和热。后者是化学过程，不受卡诺循环的限制，效率比较高（见图3）。
图3中的燃料电池储能流程，是可以用在城区级能源系统中的。但由于电解水制氢的能耗较大（制取1 kg H2约耗能56 kW·h），即使燃料电池作为热电联产使用，其总体效率仍不高。近年也有研究针对可逆燃料电池（reversible fuel cell，RFC）的开发，在可再生电力发电高峰时段，燃料电池作电解槽用，在低谷时段作电池用。图4为可逆固体氧化物燃料电池（reversible solid oxide fuel cell，rSOF）的原理图。
rSOF这种组合储能形式很适合在建筑或城区应用，但目前造价高昂，在各种应用情景下测算投资回报期都在数十年量级，还要看未来发展。
P t H储能在建筑领域的理想应用方式是：可再生能源电力→电解水制氢→燃料电池→热电联产。燃料电池技术是近年来发展最快的前沿技术之一。在文献中列出的燃料电池种类就达17种之多。常用燃料电池的主要性能如图5所示。
在解决一系列技术经济障碍之后，氢储能和燃料电池很可能成为建筑能源系统中的主力之一。因此本系列论文在能源篇和网络篇及本文分别花了一定篇幅论述氢燃料的特性。液态氢的质量能量密度达33.57 kW·h/kg，要高于化石燃料汽油（12.33 kW·h/kg）。比较一下从原油提炼1 kg汽油及电解水生产1 kg H 2 的耗能，其中不计算原油开采和运输的能耗、电解用水的制取和输送的能耗，按我国GB 30251—2013《炼油单位产品能源消耗限额》可以得到炼油（1 t）能耗为75 kg标准油，折合107 kg标准煤。如果成品油率为60%，则1 kg汽油的提炼能耗为178 g标准煤，折合电力只有0.56 kW·h。恰好是电解水制氢的1%。所以，尽管氢元素遍布宇宙，但它被各种化学键紧紧锁定，而要打破这种化学键要花很大的能量。因此目前还很难大规模利用绿氢。但作为储能措施，尤其是为提高可再生能源渗透率，电解水制氢技术还是有利用价值的。
1.2.5 热能
对建筑和城区而言，热储能是最主要的储能手段。热储能的应用范围很广，主要的3种热储能方式是：显热、潜热和化学热。本文只介绍前2种。
1） 显热储热——热电池。
建筑业最熟悉的显热存储都是常温蓄热，如水蓄热（冷）、结构蓄热和土壤耦合换热器（地埋管）蓄热。这些储能的最终利用形式是热能。如果试图将多余的可再生电力存储，像电池一样还原成电力，就需要用到“热电池（thermal battery）”概念。国际上把这种储能方式统称为“卡诺电池（Carnot battery）”。
既然是电池，至少应有一个电输入和一个电输出，就必然包括充电-存储-放电这3个过程。因为是热电池，充电过程就是电热转换（power to thermal，P2T）过程，存储即是蓄热，放电过程就是热电转换（thermal to power，T2P）过程。这些都是热力学过程。
效率很低的直接电加热方式并不包括在卡诺电池可用的电热转换技术之中。卡诺电池主要采用泵送热电存储（pumped thermal electricity storage，PTES）技术，即根据热泵工作原理制热。此外还有液化空气储能和热化学储能，本文不予涉及。
在卡诺电池中，电能（输入）用于在2种环境之间建立温差，即低温（LT）和高温（HT）储热库。通过这种方式充电，电能被存储为热能。因为热量是逆着热梯度流动的，所以需要热泵做功。在排放阶段，通过让热量从HT流到LT储层来释放热能。热流为热机提供动力，热机将其转化为功（发电）并将余热排放到LT储罐中。这就是泵送热电存储PTES的简单流程（见图6）。
根据储热温度的不同，PTES又可以分为热泵（HP）+布雷顿（Brayton）循环和热泵（HP）+朗肯（Rankine）循环2种模式。区别在于，HP+Brayton是以氩气（Ar）为工质，经压缩机后储热温度可以高达1 000 ℃（通常在500 ℃以上），需要单独的膨胀机（涡轮机）作为热机做功发电。目前国内外正在研究用超临界CO 2 热泵结合传统燃气轮机的发电系统，可以将化石燃料火力发电厂改造成为可再生能源的储能电厂。而HP+Rankine循环的储能温度低于200 ℃，可以适用于城区和大规模建筑的应用场合。图7a是充电过程，即热泵循环。电力驱动压缩机，经压缩机后的高温高压工质在冷凝器中将热量释放到高温储热装置中，然后经膨胀阀减压，在蒸发器中吸收来自低温储热装置的热量重新变为气体。图7b的发电过程是朗肯循环，循环工质在蒸发器中吸收来自高温储热装置的热量，达到沸点气化，有一定压力的气体进入膨胀机膨胀做功（发电），然后在冷凝器中将热量释放到低温储热装置中，重新变成液体的工质用液体泵循环。如果循环工质是低沸点的有机化合物（即制冷剂），那么发电过程是有机朗肯循环（organic Rankine cycle，ORC）。
PTES这2种循环的往返效率（即发电/充电）差不多，在60%~70%之间。因为用了热泵、膨胀机等机械设备，所以也有人把PTES归类于机械蓄能。由于作为卡诺电池的PTES受制于热力学效率，因此其效率要低于抽水蓄能PHES。但由于PTES不受场地条件限制、可以利用CO 2 热泵等通用设备，储能装置和介质比较简单（如HP+Brayton的高温储能可以用砾石等材料），尤其是可以作为化石燃料电厂的改造方向，因此近年来引起广泛重视。
2） 显热储热——季节性水蓄热。
在文献中，笔者概要介绍过季节性蓄热。由于水的比热容为4.2 kJ/（kg·K），单位容积热容量为4.2 MJ/（m 3 ·K），在各种常用材料（包括液体和固体）中是最高的，利用成本低，易获得，因此大规模季节性低温（<100 ℃）蓄热的介质主要是水。而季节性蓄热的储存空间主要是土地。这种“水土结合”技术非常契合“土木结合”的建筑的应用。也有人将季节性水蓄热技术统称为地下储能（underground thermal energy storage，UTES）。其主要技术见图8。
① 水箱蓄热TTES。季节性蓄热水箱的一大特点是体积大，一般都是在地下建造土建式的水箱，并建在较大面积的公共用地（如运动场、绿化地）下面。而为了水箱能有热分层的效果，最好能保证高度。这就进一步加大了施工难度。有热分层的蓄热水箱，比采用迷宫式混合的蓄热水箱可以增加20%的蓄热量。因此也有的项目将蓄热水箱安装在地面（如上海浦东机场、日本横滨MM21都市开发项目等）。其巨大的体型（比如6 000 m 3 的水箱，大致是一个直径20 m、高20 m的圆罐）需要规划、建筑、城市设计的相互协调。在各种季节性显热蓄热技术中，TTES蓄热能力最强，可以达到60~80 kW·h/m 3 。
② 深坑蓄热PTES。所谓深坑（pit），实际就是一个有一定深度的大水池，但水池表面要加盖，以避免水面与空气的换热。水池底部和侧壁都要砌筑围护结构并做防渗措施。其最大难点是顶盖。如果要做实体顶盖并可以开闭的话，对盖体材料、结构质量和可靠性，以及开闭机构等技术问题都有很大挑战。现在基本都采用浮动顶盖，即带保温的顶盖漂浮在水面上（如图9所示）。由于顶盖直接接触水面，在外部温度较低时可能会增加热损失量。但反过来，也会减少水面蒸发散热和增加接收到的太阳辐射热量。因此，深坑储能适合供热而不适合供冷，近年来在跨季节储存太阳能方面得到广泛应用。我国中科院已经在北京延庆建立实验基地，并在张家口等地开展太阳能跨季节储能的应用研究。实验表明，深坑水顶部的最高温度可达60~70 ℃，在最寒冷的12月和1月，最低温度也能维持在50 ℃以上。
③ 水-砾石蓄热WGPS。它是深坑储能的一种。储存材料通常是砾石和水的混合物或沙子和水的混合物。如果坑的衬里用聚合物材料，则存储温度最高可达95 ℃。热量通过分布在不同层的管道进水或取水进行交换。存储中的传热过程主要是对流。由于砾石的比热容低，典型体积热容量为2.2 MJ/（m 3 ·K），大约是水的60%，因此蓄热体积要比基于水的深坑储能大50%。这种储能方式相当于建造一个人工含水层，但蓄热温度比含水层高，对地质和环境影响相对较小。WGPS的蓄热能力也不差，可达30~50 kW·h/m 3 。
④ 地埋管蓄热DTES。地埋管结合地源热泵，只是它应用中的一部分。它主要还是作为热储能的方式之一。近年来更多地用于太阳能的跨季节储存。地埋管系统有水平埋管和竖直埋管2种方式。DTES应该既包括水平也包括竖直埋管，此处主要介绍水平埋管技术。水平埋管施工难度小，埋深在2 m以浅，从蓄热角度来说还可以接受地表太阳辐射的热量。但其蓄热量小，最大储量为15~30 kW·h/m 3 ，而且占地面积大，因此在国内很少采用。为了增加DTES的蓄热能力，近年采用了类似WGPS的方法，在有保温的深坑中铺砂，构建砂床（sand bed），然后水平敷设PVC管道。也可以一层砂床一层管道，再一层砂床一层管道，类似“三明治”形式。
图10为砂床管道蓄热的示意图。这是一个住宅应用项目，蓄热砂床位于房屋地坪下方，砂床下面用20 cm的聚苯乙烯泡沫垫底，使砂床和土地之间隔热。太阳能集热器通水-乙二醇溶液，在正常运行期间，该溶液通过换热器加热生活热水箱。当生活热水箱不需要热量时，多余的热量被送到砂床进行储存。同时又可以当作车库的地板辐射供暖。
用砂粒代替水蓄热，主要是因为固体材料虽然体积热容量小于水，但可以承受更高的温度，在同样使用温度的情况下，等于增加了蓄热量。例如，在大规模区域能源系统的应用中，可以用太阳能热水+CO 2 热泵将砂床蓄热温度提高到100 ℃以上。
在太阳能集热器用于房间供暖的应用中，每m 2 集热面积可以对应使用300~500 kg的砂石。
⑤ 钻孔蓄热BTES。即我们比较熟悉的竖埋管土壤耦合换热。一共有3种管型：单U管、双U管和同轴套管。从地源热泵供热供冷的角度看，希望利用土壤200 m以浅的恒温层，为水源热泵提供供暖和供冷工况都适宜的热源和热汇。而从储能的角度看，是最大限度利用土壤的中长期保温和蓄热性能。因此，二者的工作温度是不一样的。即储热的温度范围大，而热源/热汇的温度范围则受到水源热泵效率的约束。地源热泵系统的规划设计非常讲究土壤的热平衡。比如夏季水源热泵冷凝器散发的热量，希望能在短时间内从土壤中消散，所以更希望埋管周围土壤中渗流水的流动性能够把热量尽快带走。而蓄热系统则相反，希望土壤的渗流量少、导热系数小、热容量大。因此，要想2个系统兼用是不可能的。国内外用BTES的基本都是为冬季供暖蓄热。例如国内某实验项目通过夏季向BTES注热使土壤平均温度从10 ℃上升到35.6 ℃，核心温度达40.2 ℃。这样的温度可以对冬季供暖锅炉的给水预热，或为水源热泵提供高温热源以提高热泵供暖 COP 。但夏季这样的地温无法用于地源热泵供冷。所以，大部分BTES系统用于太阳能的季节性蓄热，夏储冬用。蓄热能力为15~30 kW·h/m 3 。
⑥ 地下含水层蓄热ATES。ATES已有40多年的历史。1965年，ATES起源于中国上海。当时的纺织厂空调采用抽取地下水喷淋的方式，换热后的水直接排掉。过度抽取地下水导致了严重的地面沉降。为了纠正沉降问题，便将冷水（来自地表水）注入含水层。后来发现“储存”的水在很长一段时间内能够保持其较低的温度，适合工业空调。到1984年，约有492座储冷库投入使用。国内早期的地源热泵主要也是采用这种方式，即利用地下水作热泵的热源/热汇，换热后回灌。但由于经常出现采水量大于回灌量的不平衡，导致某些缺水地区（如北京）地下水位下降、某些地区（如上海）要再次面对地面沉降问题。另外，回灌可能导致地下水污染，也是被极为重视的问题，因此大多数省份已经明文禁止在城市地区开采地下水。
国外有的第5代区域供热供冷系统（5GDHC）也建议采用地下水作为热源水和热汇水，也就是有2口井，1口暖井连接能源总线的暖管，1口冷井连接能源总线的冷管。但实际完成的荷兰东南部Heerlen市的Minewater 5GDHC项目中，暖井和冷井分别利用了2口注水的废弃矿井（所以项目名称也成为“矿井水”），更接近PTES。本文不对ATES做进一步介绍。
3） 显热储热——结构蓄热。
显热可以储存在固体材料中，最典型的就是建筑结构的蓄热。一般结构蓄热都是被动式的，即在建筑结构设计完成后，根据结构形式及所用建筑材料的热工特性估算出结构蓄热量。但也有主动式的结构蓄热，即利用蓄热墙（或太阳墙）技术，可以作为冬季供暖的补偿。这种技术也被广泛用在被动式建筑中。
蓄热墙的学名叫作“Trombe墙”。这种墙的发明者是19世纪的一位美国工程师Edward Morse，他于1881年为其蓄热墙设计申请了专利。然而，经典的Trombe墙是由法国建筑师Felix Trombe等人加以推广的。因此，这种墙被称为Trombe墙。Trombe墙比较适合欧洲的气候特点，成为欧洲被动式和主动式建筑所力推的一项技术。Trombe墙有多种形式，其中最基本的形式见图11。
图11中，Trombe墙主要由建筑外围护结构上一堵实体墙组成，墙体可用蓄热量比较高的砖块砌成（1 506 kJ/（m 3 ·K）），作为蓄热主体，面向赤道（即南半球朝正北、北半球朝正南）。外表面覆有玻璃面，墙与玻璃间留有空气层间隙。墙外表面涂黑（无光漆）。图11b为冬季模式，当阳光投射到蓄热墙外表面时，墙体吸收辐射热温度升高，热量通过墙体蓄存并传导到内表面，以辐射和对流形式向室内放热。室内空气经下部通风口进入空气间层，受热后上升，热空气经上部通风口循环回到室内，以对流形式向室内供暖。图11c为夏季模式，在墙体和玻璃面上部的挑檐对高度角较大的夏季直射阳光形成遮阳，室内空气经下部通风口进入空气间层，上部对室内的通风口关闭，由上部轴流风机将热空气排到室外，以减少蓄热墙的蓄热量。夏季也可以用外百叶窗等设施形成玻璃面的外遮阳，减少阳光的进入。
近年来结合建筑光伏一体化（BIPV）技术，将光伏板或薄膜光伏电池与Trombe墙集成在一起，发展起光伏-Trombe墙。根据光伏位置可有3种形式：外表面光伏玻璃、空气间层中的光伏百叶，以及蓄热墙表面光伏板，在加热蓄热墙的同时发电。
总体而言，Trombe墙在冬季阳光充沛的地区（如我国西藏）可以有比较好的补充供暖和降低供暖能耗的效果。笔者早年曾在上海做过Trombe墙的实验，在上海阴冷的冬天，在没有供暖的房间里，仅能提高室温2~3 ℃。
4） 潜热储热。
显热储热是通过简单地提高材料温度来存储能量，能量以显热的形式积累。为了增加储存量，就必须涉及高温。这是因为大多数材料的比热容相对较低，在建筑中应用会带来诸多问题。而潜热蓄热则是利用相变材料（phase change material，PCM），通过材料相变储存更多的热量。例如冰蓄冷就是利用了水的相变潜热。
PCM可以分为3类，即有机类、无机类和共晶盐混合物。从图12可以看出，由于建筑要求的蓄热温度处于很窄的低温范围（0~60 ℃），因此适用的PCM并不多。
在建筑结构中利用PCM可以通过4个途径：① 将PCM直接掺入建筑材料；② 多孔材料在真空中浸渍在PCM液体中，通过毛细管吸收PCM；③ 将液态PCM封装在胶囊中，直径1~1 000 nm的称为纳米球，直径1~10 mm的称为微胶囊，直径>1 cm的称为大胶囊；④ 稳定形状，将PCM 和载体材料（如高密度聚乙烯、苯乙烯和丁二烯）在高温下熔化和混合，然后冷却直到混合物变成固体，其主要优点是高比热容、高导热系数及在相变过程中保持PCM稳定，无需容器。
PCM可以结合不同的建筑材料和构件，如砂浆、石膏板、混凝土、砖和砌块、装饰面板、地板和吊顶。当然，它对各种气候和不同季节、不同需求的适应性还要仔细考虑，可以通过计算机模拟分析其工作工况。
常用的空调冰蓄冷系统形式见图13。近年来，国内对空调冰蓄冷的应用和研究热度有所减退，第一个原因是设置冰蓄冷的初衷是对负荷的削峰填谷，并利用电价峰谷差获得收益。在很多大型项目中发现冰蓄冷增加了投资，但运行并没有省钱，投资没有回报。第二个原因是在减碳和环保背景下，东部城市大量购入西部的绿电。由于执行“照付不议”的购电协议，买来的电力并没有峰谷差价。因此电力公司推需求侧管理、鼓励夜间用电的意愿没有过去那么强烈。如果探究一下第一个原因，主要还是设计理念的问题。空调冰蓄冷一般采用部分蓄冷策略，预先设定蓄冰率，相当于削减一定比例的高峰冷负荷，可以降低配电容量和制冷设备的容量。但很多实际工程中仍然按高峰负荷配置制冷系统，蓄冰及其辅助设备和控制系统完全成了额外增加的投资。在融冰期间冷水机组还得以部分负荷工况运行，反而降低了效率。
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在本系列文章前3篇中，均述及第5代区域供热供冷系统（5GDHC），即能源总线系统（Ebus）。纵观国内外有关5GDHC的论文，还没有详尽论述Ebus储能的内容。相比前4代区域能源系统，Ebus因为管网水温低，其储能可配置的资源范围更广。可以看作PTES或ATES的应用。
在Ebus用户端（即热泵输出端）需要有常规的蓄热，即供热的缓冲水箱（buffer）和卫生热水的储水箱，位于用户热力站甚至用户建筑内，均为短期储能。
本系列文章的第2篇（网络篇）中，曾花较大篇幅论述了保证管网（尤其是暖管）水温的重要性。Ebus中的水温，恰似电网中的电压。需要维持水温的恒定，才能保证用户端水源热泵的稳定运行和较高的效率。如果需要比较高的供暖水温（例如60 ℃），则需要暖管提供30 ℃以上的热源水才可能用压比较小的磁悬浮离心机作热泵。而如果网络系统中没有足够的余热可以回收，单靠地埋管换热器或地表水资源，很难达到这样高的温度。此时需要有补热，可以利用太阳能热水集热器。这就遇到与智能电网同样的问题，即供应侧是可变可再生能源，需要蓄热系统进行平衡。因为Ebus需要的是提供给热泵的常温热源（冬季热泵供暖需要的温度与夏季气温量级相同，反之亦然），因此也可以利用季节性蓄热。
总结Ebus蓄热的几条原则：1） 供暖工况下平衡太阳能热水提供的可变热量；2） 供暖工况下保证较高水温，提高末端热泵效率；3） 供冷工况下保证适宜水温，提高末端冷水机组效率；4） 蓄热温度70 ℃以下、蓄冷温度5~10 ℃，保证暖管水温30 ℃、冷管水温20 ℃。
笔者提出Ebus季节性储能方案如图14所示。因为是示意图，图中隐去很多部件，如阀门、水泵和短期蓄热装置。
先看图14右侧蓄热部分流程。
1） 在供暖季开始时，蓄热罐（最好用热分层水箱）出口1提供70 ℃水，经换热器可以有2种选择：① 换热成60 ℃水，经3向建筑直接供暖（假定建筑用传统散热器供暖），经4回到冷管（此时冷管相当于供热回水管），再进入换热器换热；② 如果网内有供冷用户（例如数据中心），冷管温度如果保持在供暖的回水温度上就过高了，致使供冷用户无法用冷管中的供暖回水作热汇。此时应将蓄热罐的热水与冷管中的水换热成暖管中的30 ℃水，经5进热泵，由热泵供暖。而如果通过供冷用户的热回收（加上太阳能热水）可以保证暖管温度，可能就不需要蓄热系统。这要经过能耗分析决定。
2） 在蓄热罐水温下降到60 ℃时，通过11、12用太阳能光伏光热系统PVT为蓄热罐补热。换热成30 ℃的暖管水，经5、6为热泵提供热源，切换到热泵供暖。
3） 在蓄热罐水温下降到40 ℃时，太阳能补热切换到7、8，保持暖管水温恒定在30 ℃。
4） 在蓄热罐水温下降到30 ℃时，继续太阳能补热，同时启动地埋管系统，保持暖管水温在30 ℃。
5） 如果太阳能、地埋管和蓄热水都无法保持暖管水温在30 ℃，此时要启动能源枢纽中的跨临界循环CO 2 热泵，以70 ℃水温为蓄热罐补热。CO 2 热泵的蒸发侧在蓄冷罐中换热，作为季节性蓄冷。蒸发温度控制在5~10 ℃。CO 2 热泵用电，应在电网供电和PVT自发电中平衡。同时，也保证地埋管的土壤温度平衡。
再看图14左侧蓄冷部分的流程。
1） 在供冷季开始时，蓄冷罐出口13提供5~10 ℃水，经换热器可以有2种选择：① 换热成7~12 ℃水，经15向建筑直接供冷，经16回到冷管（此时冷管相当于供冷回水管），再进入换热器换热；② 如果网内有温度适宜的热汇（例如地表水），可用换热器13出来的冷水与热汇水掺混（或换热）成7~12 ℃冷水，同样经15直接供冷。
2） 在蓄热罐水温上升到15 ℃时，停止蓄冷罐供水。启用地埋管换热和地表水换热，必要时启动冷却塔，保持冷管水温在20 ℃。
3） 如果上述辅助热汇都无法保持冷管水温，需再次启动蓄冷罐，同时启动能源枢纽中的跨临界循环CO 2 热泵（冷水机组），以10 ℃冷水温度为蓄冷罐补冷。提供蓄冷罐出水换热，继续保持冷管水温为20 ℃。此时经过压缩机的CO 2 高压气体温度超过CO 2 临界温度（31.1 ℃），不会发生相变，如果要进行冷却，需要花很大能量，正好可以利用这一部分显热资源，为蓄热罐提供热量。在热泵和太阳能热水的双重作用下，经过一个供冷季，可以把蓄热温度提高到70 ℃。同样地，热泵的用电可与PVT发电量匹配。
Ebus系统比较理想的蓄热介质是TTES，可以利用水的热分层。而蓄冷介质则因为可利用温差较小，所以可以考虑用“三明治”砂床DTES形式，管中走乙二醇，将砂床温度降低到0 ℃以下，扩大可利用温差。对季节性储能而言，利用水的相变潜热（冰蓄冷）是比较困难的。
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现代城市离不开空间规划（即城市规划中最主要的组成）。空间规划的主要目的是提供空间服务。最早的人类所需要的居住空间就是掩蔽所，能够遮风避雨、能够躲避豺狼虎豹即可。这也是人的最基本的需求。社会发展到今天，人类有了更高层次的需求，需要便捷地出行，需要有专门的工作空间，需要人际交往，需要医疗、教育、购物、休闲……。城市空间规划就是科学妥善地安排满足人们各方面需求的服务空间。同样，人们对能源的需求也是对各种服务的需要，即满足对舒适性、便利性的需求，例如照明、供热供冷、餐饮、交通、日常生活……。人们并不在意用什么品种的能源和什么样的系统满足这些需求、提供这些服务。这些应该是能源规划考虑的问题。
由于城区级的储能系统投资大，从分时电价等有限的政策中获益很少，因此以前很少在城区规模的能源系统规划中考虑储能，尤其是长期储能或季节性储能。在气候政策背景下，能源规划要覆盖源-网-荷-储-用5个环节，成为能源转型中的关键。
本文仅就涉及储能的城区能源总线的规划所需要考虑的内容做一个概述。
1） 中长期负荷预测。即供冷季、供热季、过渡季的负荷（包括时间和空间）分布，以及特定情景下的特殊负荷。分析城区内各分区负荷的参差率（即不同类型建筑高峰负荷出现时间点的差别），看有没有可能通过空间规划中布局的调整或能源系统分区的调整实现负荷平准化。如果无法调整，就要考虑系统分区中通过大规模储能使负荷平准化，或通过季节性储能来削减负荷高峰。
2） 很明显，在城区尺度上，用电力储能难以实现规模化和长期储能，只能采用化学储能（合成天然气、生物质制气、制氢）和热储能。天然气、生物质和氢气等物质能源含有相对高质量的化学能，可以相对容易地储存，几乎没有损失。储热也很容易，而且相对而言很便宜。储热会有损失。这些损失越大，说明热量品位越高，也就是说，储存介质的温度越高。而储存电力时其能量形式必须转化为其他形式，如电池和电力-天然气（P2G）系统中的化学能或水泵站中的势能。当需要提供能源服务时，需要从这些能源形式中回收电力。这一转变过程总是复杂而昂贵的。因此，对Ebus系统储能的规划，一定集中在热储能技术的应用。
3） 由于Ebus系统属于低温5GDHC，对一定品位的中温蓄热而言，可利用的温差大，相对同体积的蓄热体其蓄存的热能更多，对季节性储能有利。
4） 如果对Ebus系统的工作温度没有要求，也就是允许用户端水源热泵的热源/热汇温度有起伏、对热泵能效没有要求，那么对利用土壤埋管或地表水的系统来说，可以认为是利用了开放式的天然季节性储能。如果要保持冷管、暖管的水温基本恒定，从而保持用户端水源热泵的高效率，那就要考虑采用封闭式的人工季节性储能，夏热冬用或冬冷夏用。
5） 相对前4代区域供冷供热系统而言，Ebus系统（5GDHC）占地比较小，它没有传统意义上的能源中心，但有作为集成和管理之用的能源枢纽，以及分散在用户端的热泵热力站。短期和缓冲的储能设施一般分散在热力站中。如果应用了季节性蓄热，就需要占用较大的地下或地上空间。能够找到废弃矿井等可利用的既有设施是很难得的。因此Ebus的能源枢纽选址和管网路由，都需要认真考虑，并与其他相关专业协调。
总之，Ebus系统的季节性储能技术，还需要从经济、能效、减排等多个方面分析，特别是从“能源即服务EaaS”的理念出发研究其利弊得失。
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现代储能系统综合了物理学、化学等多学科的成果，正在成为能源领域中的一个重要分支。储能系统有其适用范围，例如，大规模短期储能的抽水蓄能PHES，适合国家级、城市级的电力储存和调峰；可充放电的锂电池等电化学储能，则适合小规模的单体设备的短期储能，像电动汽车和各种电器。而中规模（城区和建筑群级）的储能，短期的可以采用燃料电池等技术，但还有一系列重大问题需要解决。如制氢技术、电池先进材料，以及低成本长寿命的催化剂等。中规模储能最适合的模式是热储能，包括短期储能和季节性储能。储能技术最大的功效是实现负荷平准化、提高可变可再生能源的渗透率、平衡和匹配供需负荷。所以，储能技术在实现碳中和的技术路径中占有越来越重要的地位。
季节性蓄热（冷）是今后建筑能源领域最值得关注的技术。气候变化导致全世界很多地区夏季更炎热、冬季更容易出现“过山车”般的气温起落。靠消耗能源去应对已经捉襟见肘，比如我国川渝地区今夏因高温酷暑导致的大面积断电、美国德州地区去年因遭遇百年不遇的严寒导致的大面积断电，都是十分严酷的现实。能不能把夏季高温转移一部分到冬季供暖、把冬季寒冷转移一部分到夏季供冷呢？这种顺应自然和适应气候变化的最好办法便是蓄热（冷）。通过热泵和蓄热技术，花费少量能源，将夏季热量“搬运”到冬季，将是我们努力的方向。
本文刊登于《暖通空调》2022年第11期
