综述：用于实现零碳城市供暖的季节性钻孔热能储存：机制、优化及应用挑战

《Renewable and Sustainable Energy Reviews》：Seasonal borehole thermal energy storage for zero-carbon city heating: Mechanisms, optimization, and application challenges

地热储能技术（BTES）在应对冷气候城市供热减排压力中具有潜力，但面临长周期存储、热惯性大和能量密度低等挑战。本文系统综述了BTES的热传递机制、设计优化方法、多能系统集成策略及工程应用案例，提出高效率BTES设计框架并指出地质评估、系统级整合和长期性能评估的未来研究方向。

　　

崔梦颖|尹永高|赵东林|曹博文|陈欣|卜根

东南大学能源与环境学院，南京，210096，中国

摘要

寒冷气候地区的城市供暖行业面临着减少碳排放的日益严峻的压力，这凸显了对零碳、高效且经济可行的解决方案的需求。钻孔热能储存（BTES）是满足这一需求的最有前景的热能储存技术之一。然而，它面临着诸如储存周期较长、热惯性较大以及能量密度较低等挑战。本文综述了BTES在多个尺度上的最新进展，涵盖了传热机制、设计优化、系统集成和工程应用等方面。首先，总结了传热模型的发展情况，重点关注了计算成本、模拟精度和性能可靠性。BTES系统的热损失对储存性能具有决定性影响，主要受系统规模、土壤热导率和运行温差的影响，可通过优化系统设计和地质评估来缓解这些问题。此外，集成BTES的供暖系统应考虑热源的特性和应用场景，以确定合适的运行模式。报道的大规模工程应用展示了BTES强大的气候适应性和潜力，其储存效率范围为19%至63%。最后，我们提出了一个高效的BTES设计框架，并指出了系统级集成到区域供暖网络中的研究重点。

引言

供暖是能源的主要用途之一，约占能源行业排放量的四分之一，因此需要进一步实现脱碳[1]。随着供暖系统逐渐摆脱对化石燃料的依赖，需要高效利用可再生能源和废热来开发以零碳热源为中心的新供暖系统。由于可再生能源的间歇性和不稳定性，匹配供需的时间尺度已从几天扩展到几个季节[2]，因此全年都需要对供暖系统进行不同程度的灵活控制。可以通过引入灵活的热源、应用热能储存技术或两者结合来调节供需不平衡。其中，热能储存技术在供暖系统的零碳转型中发挥着关键作用[3,4]。它有助于时间和能量的重新分配，从而缓解可再生能源发电的波动，减少对热力和电力系统的影响，并提高可再生能源和废热在工业和建筑领域的占比。

热能储存技术实现了能源的季节性管理，其中季节性显热储存为大规模应用提供了一种成本效益高的解决方案[5]。季节性显热储存将热量储存在土壤、水和砾石等材料中以应对需求[6]。根据结构不同，热能储存技术可分为含水层热能储存（ATES）、钻孔热能储存（BTES）、储罐热能储存（TTES）、坑式热能储存（PTES）和洞穴热能储存（CTES）[7,8]。

BTES利用水将能量传递并储存在土壤中。特定深度的土壤温度全年保持稳定，这有助于提高储存效率。BTES的应用范围已从欧洲、北美和中国等地扩展到气候相对温和的西班牙和日本等国家[9]。然而，与水热储存系统相比，BTES在运行温度和能量密度方面存在局限性[7,10]。土壤的热容量大约是水的一半[11]，浅层土壤的体积热容量会随着含水量的增加而略有提高[12]，但仍远低于水。因此，BTES的体积必须是储罐热能储存系统的3-5倍[13]，单位体积的热提取量通常为15-30 kWh/m3[14]。与其他热能储存系统相比，BTES具有成本优势。随着热能储存技术的发展，大规模BTES系统结合中长期或短期热能储存可以有效提升能源系统的响应速度和储存能力，从而获得显著效益[15]。

如图1所示，自1991年以来，BTES的研究重点已从早期的可行性验证转向大规模部署和能源网络集成。表1总结了过去五年发表的综述论文，内容涉及技术比较[6,16]、具体应用[17,18]、传热机制[19]以及研究热点和趋势的识别[9]。BTES的一个关键应用是将其与供暖或能源网络集成，从而提高整个系统的效率和经济效益[17,18]。然而，大规模热能储存应用面临热损失较大和太阳能贡献较低等挑战[16]。这些应用需要精心设计和有效控制。过去的设计和估算方法主要依赖于地源热泵（GSHP）钻孔场的工程经验[20,21]。此外，曾等人[4]研究了非饱和土壤的热水力学性质以及热和水分传输的耦合现象。土壤的热性质往往被理想化处理，长期运行对热能储存容量的影响以及温度等级的下降尚未得到充分量化。

尽管BTES在供暖应用中得到了广泛探索，但仍面临一些关键挑战，包括提高充放电性能、降低投资和运营成本以及与复杂能源系统的集成。现有研究尚未提供一个将BTES设计理论与系统级集成和实际供暖需求联系起来的连贯框架。因此，本文围绕系统设计和实际可行性展开，综合了已发表的研究和工程应用，进一步探讨了BTES的关键特性和集成配置。首先，总结了BTES的传热模型、运行机制、设计方法和地质评估，为进一步发展BTES奠定了理论基础。随后，从系统层面回顾了BTES与多能源系统的集成及代表性应用场景。最后，基于现有工程案例的研究结果讨论了BTES的发展趋势，并提出了未来研究的建议。

BTES设计原理与方法

如图2所示，BTES在地下热能储存中以固体介质作为主要储存介质，传热主要通过传导实现。与含水层和洞穴热能储存相比，BTES的有效储存容量和长期热演变更依赖于可靠的地质热性质表征以及高效的钻孔场设计和控制。本节首先回顾了BTES的传热机制

BTES可用的热源类型

BTES系统的可行性在很大程度上取决于当地热源的可用性[107]。由于热源与供暖需求在时间、空间和质量上的不匹配，BTES充当了能量传输的缓冲器，实现了可持续的热能储存和供应。

BTES的热源可以分为自然热源和废热源，如图13所示。全球范围内存在大量的废热资源；约72%的全球能源输入

应用案例

如表3所示，最近的BTES应用正朝着大规模实施、专业运营和多源集成方向发展。报道的系统涵盖了广泛的储存温度范围（20–90°C），储存效率介于19%至63%之间。其中，短期热能储存也被用于提高供暖系统的稳定性。

早期的BTES项目表明，低品位的热量可以在地下地质结构中季节性储存。

结论

预计未来对化石燃料的依赖将减少，取而代之的是以可再生能源和其他零碳能源为主的低碳能源结构。为了确保多源集成下热网络的稳定性和可靠性，开发可靠的热能储存系统至关重要。本文综述了BTES在多个维度上的重大进展，包括传热机制、建模方法、性能和系统

资金支持

本工作得到了中国国家重点研发计划（编号：2024YFC3810003）的支持。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所报告工作的财务利益或个人关系。