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压缩空气储能（CAES）系统通过共享热交换器减少设备数量和成本，研究以五级压缩四级膨胀的AA-CAES系统为例，提出三种复用方案（直接复用加热器、冷却器或冷却器+新加热器组合），通过热性能评估确定各阶段最优方案，结果显示总面积减少且经济性显著提升。
Weimin Tao|Xiaoyu Zhang|Xinxing Lin|Wen Su|Xiaodai Xue|Peng Li|Xiguang Lu
中南大学能源科学与工程学院，中国湖南长沙410083
摘要
压缩空气储能（CAES）是一种有前景的大规模储能技术。然而，在现有的CAES系统中，用于充放电过程的热交换器总是分别部署。这种配置导致热交换器闲置、投资成本高以及系统紧凑性差。因此，一个自然的想法是使用共享热交换器来满足充放电过程中的空气冷却和加热需求，同时减少热交换器的总数。为了评估这一想法的可行性，本文以一个具有五个压缩-冷却阶段和四个膨胀-加热阶段的AA-CAES系统为例。首先，在设计条件下，根据U型管热交换器的类型，使用HTRI软件独立设计了加热器和冷却器。然后，根据加热器和冷却器的设计结果，提出了三种创新的热交换器重用方案：
案例1（直接重用独立设计的加热器），
案例2（直接重用独立设计的冷却器），以及
案例3（在独立设计的冷却器基础上新增并联加热器）。通过评估每种方案在充放电条件下的热性能，发现：
案例1中的放电加热器可以满足充电阶段的空气冷却需求；而在
案例2中，充电过程中设计的冷却器在放电条件下的压降显著增加，第四阶段的热负荷偏差特别大。对于
案例3，重用冷却器并新增加热器的组合充分满足了空气加热的热传递需求。最后，比较了三种重用方案的性能，并根据热负荷、压降和传热面积确定了每个阶段的最优方案，以最小化总面积并获得最佳热性能。结果表明：
案例1适用于第一和第二阶段的热交换器；对于第三阶段的热交换器，
案例2更为合适；对于第四阶段，建议采用
案例3。与使用独立热交换器相比，所提出的方案可以在满足空气冷却和加热需求的同时减少总传热面积。从经济性角度来看，即使考虑所需阀门和管道的额外成本，所提出的方案仍具有显著的经济优势。上述研究为AA-CAES系统中热交换器的有效集成和经济性改进提供了一种新的方法。
术语表
命名法
| A | 传热面积，m2 | RH | 重用热交换器 |
| AA-CAES | 先进绝热压缩空气储能 | RH-Case | 案例中的重用热交换器 |
| AH | 新增热交换器 | RTE | 往返效率，% |
| ATCSR | 年总成本节约率 | RTPC | 往返性能系数 |
| C | 成本，$ | S | 节约额，$ |
| CAES | 压缩空气储能 | SC-CAES | 超临界压缩空气储能 |
| 案例1、案例2、案例3 | 案例1至案例3 | t | 时间，h |
| 冷却器1–5 | 冷却器1至5 | V1-V16 | 阀门1至16 |
| CT | 冷却塔 | 下标 |
| CWT | 冷却 |
AA-CAES案例研究
为了研究AA-CAES中热交换器重用的可行性，本研究以一个先前发表的100 MW × 5 h AA-CAES系统作为案例[30]。根据充放电过程的要求，设计了独立的空气加热器和冷却器，并提出了相应的热交换器重用方案。
所考虑的AA-CAES系统如图2所示。它由压缩子系统、膨胀子系统和热储存子系统组成。
热交换器选择
壳管式热交换器是目前AA-CAES系统中最广泛使用的类型[31]。对于壳管式热交换器，管壁被封闭在一个作为传热表面的壳体内[32]。壳管式热交换器由壳体、传热管束、管板、挡板和管箱组成。壳体通常是圆柱形的，内部装有管子，这些管子的两端固定在管板上。此外，一种热流体和一种冷流体在壳体内流动。
独立热交换器设计结果
根据表1和表2中指定的运行参数，使用HTRI软件设计了热交换器，遵循图4中概述的程序。冷却器的设计结果见表3。
从表3可以看出，冷却器1–5的传热负荷分别为22.58 MW、22.68 MW、22.95 MW和23.61 MW。冷却器1–4的传热温差范围为4.4°C至5.1°C。
热交换器重用方案
为了降低CAES系统的成本，本研究在充放电过程中重用热交换器，这两个过程发生在不同的时间。在充电过程中，热交换器作为冷却器使用；在放电过程中，热交换器作为加热器使用，从而减少了所需的热交换器数量。基于图2所示的CAES系统，重用热交换器的工艺流程图如图5所示。冷却器1–4与加热器1–4一起被重用。
结论
由于AA-CAES系统中热交换器的成本较高，并且充放电过程中总是存在未使用的单侧热交换器，因此提出了重用热交换器的想法。首先，对于一个具有五个压缩阶段和四个膨胀阶段的AA-CAES系统，使用HTRI软件分别设计了U型管热交换器。然后提出了三种重用方案，即：案例1（重用加热器）、案例2（重用冷却器）和案例3（重用冷却器）。
CRediT作者贡献声明
Weimin Tao：撰写——初稿、软件、资源、调查、资金获取、概念化。Xiaoyu Zhang：可视化、资源。Xinxing Lin：项目管理。Wen Su：撰写——审阅与编辑、方法论、概念化。Xiaodai Xue：撰写——审阅与编辑。Peng Li：资源。Xiguang Lu：资金获取。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
致谢
本工作得到了湖南省重点研发项目（2025WK2007）和中南大学创新驱动研究计划（2023CXQD056）的支持。
