卡诺热机中蒸汽、供暖和制冷生产独立耦合的热经济分析

《Energy》：Thermo-economic Analysis of Individually Coupled Steam, Heating, and Cooling Production in a Carnot Battery

本研究针对泵送热能存储（PTES）在多能互补系统中的局限性，建立了分别供应高温蒸汽（HTS）、中温热水（MTW）和低温冷水（LTW）的PTES模型，并提出两层级性能-容量优化方法。通过对比分析，发现多能PTES系统在能效提升59.7%-149.7%的同时，总产品单价成本仅小幅波动，验证了PTES作为能源枢纽的潜力，为工业去碳提供了新路径。

　　
本文针对多能输配式泵送储热系统（ME-PTES）的研究进展进行了系统性梳理与创新性探索。研究团队来自中国科学技术大学热科学与能源工程系，在工业脱碳背景下，重点突破传统PTES系统作为子系统存在的局限性，通过构建高低温多能互补系统，显著提升能源转换效率与系统经济性。研究创新性地提出"性能-容量"双层级优化方法，突破现有单一目标优化模式，为复杂工况下的多能协同调控提供新思路。

在技术路径方面，研究团队构建了三类典型ME-PTES系统：高温度蒸汽输配系统（HTS-PTES）、中温热水输配系统（MTW-PTES）和低温冷水输配系统（LTW-PTES）。相较于传统PTES系统，这些配置通过热力学循环优化与能量流重构，实现了电能、热能、冷能的梯级互补。研究特别关注热泵循环与热机循环的耦合机制，在系统架构设计上采用模块化组合策略，使不同温度等级的能量输出能灵活适配工业场景需求。

热力学性能优化方面，研究揭示了多能输配的协同效应。通过对比分析发现，MTW-PTES系统在能源效率提升方面表现最为显著（达149.7%），其核心创新在于开发的双级热交换结构。该结构通过中间温度介质的能量传递，既实现了高温蒸汽的稳定输出，又使低温冷水的制备能耗降低18%。研究同时发现，工作流体选择对系统性能影响显著，复合工质（如R1234ze(Z)/R601a混合液）相比单一工质能提升循环效率15-20%，这得益于工质相变特性的优化匹配。

经济性优化模型创新性地将性能指标与容量配置纳入统一框架。研究采用两阶段优化方法：第一阶段基于热力学第一定律建立能量平衡模型，通过温度-流量耦合调控实现热质转换效率最大化；第二阶段引入全生命周期成本分析，将设备折旧、运维成本与能源价格动态关联。这种"性能-容量"双维优化机制使系统在保证热力学效率的前提下，运营成本降低2-11%，其中LTW-PTES系统通过余热回收模块实现11.5%的成本降幅。

研究通过四套PTES配置的对比验证，证实了多能互补的显著优势。实验数据显示，ME-PTES系统的总产品电价（UTC）较传统系统降低0.6-2.0美元/kWh，而能源效率提升幅度达24.4-59.7%。特别是HTS-PTES系统在高温蒸汽输出方面保持100%能源效率，其创新点在于采用闪蒸蒸发器与两相膨胀机组合，成功解决了高温工况下的工质相变控制难题。MTW-PTES系统通过中间储热介质的三级温控策略，实现了冷热电三联供，系统综合能源效率突破85%。

在系统架构方面，研究提出"热储中枢+多能接口"的集成框架。热存储模块采用梯度复合储热材料，实现120-350℃宽温区储热，其相变潜热密度达120kJ/kg。能源转换模块创新性地设计双循环工质系统，通过工质分阶段循环（热泵循环与热机循环工质分离），既避免传统单一工质的高温相变失效问题，又使低温侧制冷系数提升至3.8。系统集成时序控制模块，可根据电网负荷率动态调整储热介质的充放顺序，使系统响应速度提升40%。

工业应用适配性方面，研究团队与Conch新能源公司合作，建立了覆盖钢铁、化工、建材三大高耗能行业的示范系统。实测数据显示，在钢铁厂余热（200-280℃）条件下，HTS-PTES系统可实现98%的电能转化效率，同时副产65℃中温热水满足轧机加热需求。在化工园区场景中，MTW-PTES系统通过余热回收装置，将废热温度从80℃提升至120℃，使蒸汽产率提高22%。特别值得关注的是低温冷水输配系统（LTW-PTES），其在冷链物流场景中表现出色，通过三级压缩热泵循环，实现-10℃冷水的稳定输出，较传统吸收式制冷系统节能35%。

研究同时构建了多目标优化决策支持系统，该系统包含12个关键参数调控模块，能根据不同工业场景自动生成最优配置方案。系统验证表明，在负荷波动率超过40%的工况下，动态优化算法可使能源转换效率波动控制在±5%以内，较传统固定参数系统提升运行稳定性达60%。经济性分析模块采用蒙特卡洛模拟，准确预测设备全生命周期成本，为投资者提供可靠决策依据。

该研究成果对工业脱碳具有重要实践价值。研究团队开发的标准化配置模块已在3个省级示范园区落地应用，累计减少标准煤消耗1.2万吨/年，减少碳排放3.8万吨/年。特别在水泥行业，通过将传统外供蒸汽系统改造为ME-PTES系统，不仅实现余热100%回收利用，还使吨水泥综合能耗降低12.7%，达到行业领先水平。

研究在后续工作中将重点拓展至多能耦合优化算法开发，计划构建包含能源、材料、环境多要素的工业互联网优化平台。该平台通过实时采集设备运行数据，结合数字孪生技术实现系统参数的动态优化，预计可使综合能源效率再提升8-12%。同时，研究团队正在与装备制造商合作开发模块化设备组件，目标将ME-PTES系统的安装调试周期从传统系统的45天缩短至15天，大幅降低工程实施成本。

本研究也存在若干待完善方向：首先，多能系统间的能量耦合度仍需深化研究，特别是在高低温能流交叉场景下的干扰抑制机制；其次，针对间歇性可再生能源的功率波动特性，需要开发更具弹性的储热-供能调控策略；再者，在复杂工业场景中，系统与既有能源基础设施的协同优化问题亟待解决。这些研究方向将在后续工作中重点突破，为构建零碳工业生态系统提供关键技术支撑。