《Journal of Energy Storage》：A comprehensive review of containers for mobilized heat and cold energy storage
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热能运输系统综述：分析移动热能存储（M-TES）技术建模、实验及原型应用，探讨容器几何、存储材料与换热配置，比较短距离运输经济性，揭示冷能存储潜力及热流阻塞等技术挑战，提出整合废热回收和新型材料的发展方向。
阿图尔·内姆斯（Artur Nem?）| 马格达莱娜·内姆斯（Magdalena Nem?）| 皮耶罗·贝维拉夸（Piero Bevilacqua）| 斯韦特兰娜·乌沙克（Svetlana Ushak）| 马里奥·格拉格达（Mario Grágeda）
热力学与可再生能源系，弗罗茨瓦夫科技大学，Wybrze?e Wyspiańskiego 27，50-370，弗罗茨瓦夫，波兰
摘要
对高效废热利用和热能管理的日益增长的需求给现代能源行业带来了重大挑战。移动式热能储存（M-TES）系统作为一种有前景的解决方案，正在被用于跨地区输送热能和冷能。
本文旨在对M-TES技术进行系统综述，整合了建模方法、实验研究以及全尺寸原型的研究成果。
综述探讨了各种容器几何形状、储存材料及热交换配置，并对热能和冷能输送的经济案例研究进行了区域间比较。特别关注了冷能储存应用方面的研究，这些领域在文献中仍较少被探索。
研究结果表明，M-TES在短距离内具有经济可行性，但其盈利能力很大程度上取决于环境和技术因素。实验研究揭示了诸如相变材料中的流动堵塞和通道形成等问题，同时大规模应用案例也较为有限。尽管存在这些挑战，M-TES在与废热回收系统的集成方面展现出巨大潜力，为可持续和灵活的能源运输方案提供了新的途径。
引言
供热网络为许多大中型城市的居民提供热量。然而，长距离供热成本的上升限制了这种供热方式的应用[1]。另一个问题是环境影响。气候变化目前是一个全球性的严峻挑战，迫使政府、工业界和国际社会彻底重新思考能源模式，加快从化石燃料向更可持续能源的转型，并提高能源利用效率。可再生能源被认为能够显著减少二氧化碳排放，从而缓解气候变化；拥有可再生能源系统的国家碳排放量已呈现下降趋势[2]。可再生能源在供热方面的积极作用体现在提高能源系统效率（间接途径）和减少化石燃料燃烧（直接途径）两方面[3]。在太阳能应用中，季节性和昼夜温差导致能源利用效率低下[5]。最新研究表明，热能储存（TES）在减少燃料消耗、降低损耗以及提升能源整体效率和供需平衡方面发挥着重要作用[6]。在太阳能系统中，TES可用于储存多余的冷却和加热能量，从而提高能源效率[7]。已有研究探讨了分时电价和不同储能方式在分布式能源系统中的成本节约潜力[8]，并研究了将蓄电池从可再生能源发电场运输到城市的可能性[9]，以增强电网在正常和紧急情况下的灵活性[10]。进一步的研究还探讨了优化太阳能利用的控制策略[11]。一种可靠且广泛使用的储能方法是利用储水罐中的热水[12]，在可再生能源暂时不足时可与低功率加热锅炉配合使用。然而，加热锅炉会排放大量二氧化碳[13]，这在寒冷和温带地区尤为突出，因为空间供暖和生活热水需求较高[14]。此外，低功率锅炉的效率较低[15]且成本较高[16]。解决这些问题的方法之一是通过车辆进行热能运输。尽管这种方法并不新鲜，但尚未得到充分重视。最后一次关于移动式热能储存（M-TES）应用的容器和材料综述发表于2018年[17]，此后相关研究数量有所增加，包括大量建模和实验室研究以及一些商业化应用案例。此外，移动式冷能运输的研究虽有所进展，但尚未进行系统综述。结合海水空调系统，该方法可将冷能需求降低49%[18]。
本文旨在通过综合建模、实验和全尺寸原型研究的结果，填补相关领域的知识空白。它揭示了容器几何形状对M-TES功能的影响，并探讨了多种储存材料的应用潜力。同时，本文还研究了冷能运输的潜力，这是以往研究较少涉及的领域。该综述为M-TES领域的未来研究和开发提供了重要指导。
本文结构如下：第2节介绍M-TES的基本技术和原理，重点讨论储存容器几何形状、热交换器、热传递机制及经济因素；第3节分为三部分，分别探讨建模方法、实验研究和全尺寸容器测试；第4节评估设计方案，总结输入输出参数和运营挑战；第5节讨论未来研究方向，强调废热回收的整合、储存材料的改进以及M-TES在供热和制冷技术中的应用扩展。
技术描述
M-TES系统的技术描述
早在20世纪90年代，斯塔尔（Starr）就预测了储能技术在21世纪的作用将日益重要。根据他的预测，到2060年，回收和储存的能源将占全球一次能源产量的40%以上（见图1）[19]。
废热的回收及其在不同场所和时间的应用是众多研究的重点。王等人[20]对高温废热利用进行了综述，而中等温度废热的相关研究也在不断开展中。
M-TES的最新进展
M-TES容器的测试可通过三种主要方式进行：第一种是基于分析模型和CFD的计算；第二种是小型实验室测试；第三种是全尺寸容器测试。这些方法分别在不同章节中进行了总结和介绍。
M-TES容器的主要特性比较
不同M-TES容器在尺寸、外部结构及内部热交换器或储存材料方面存在显著差异，这些差异进一步影响了系统的性能。鉴于M-TES系统的多样性，对其进行比较十分有必要。
从已发表的M-TES研究来看（见图39），最早的相关信息可追溯至21世纪初，主要是关于原型容器的研究。随后是实验和数值分析工作，最后是更深入的技术探讨。
未来研究方向
综述显示，M-TES的技术、经济和理论方面都受到了关注。尽管相关研究数量不多，但涵盖了技术分析、经济计算、供应链模拟以及多种热过程和流动机制的研究。
目前的技术发展水平虽然不高，但仍足以支持全尺寸M-TES系统的开发[128]。这一观点在近期关于M-TES技术的研究中也有体现[129]。
结论
利用工业废热是现代能源行业面临的关键挑战之一。通过对设计和工艺方案的综述，可以系统化M-TES的相关知识。基于现有分析，可得出以下结论：
- 技术和经济分析表明，M-TES在短距离内具有经济可行性，但其盈利能力受多种环境和技术因素影响，需进一步分析和优化。
作者贡献声明
阿图尔·内姆斯（Artur Nem?）：撰写初稿、可视化设计、方法论制定、数据整理、概念构建。马格达莱娜·内姆斯（Magdalena Nem?）：数据整理、概念构建。皮耶罗·贝维拉夸（Piero Bevilacqua）：审稿与编辑、撰写初稿。斯韦特兰娜·乌沙克（Svetlana Ushak）：审稿与编辑、撰写初稿。马里奥·格拉格达（Mario Grágeda）：审稿与编辑。
利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
本研究部分得到了波兰弗罗茨瓦夫科技大学热力学与可再生能源系的内部研究资金支持（项目编号：8211104160，MPK 9090750000）。马里奥·格拉格达（M. Grageda）和斯韦特兰娜·乌沙克（S. Ushak）感谢ANID/PUENTE项目（项目编号：1523A0006）和ANID/FONDECYT项目（项目编号：1231721）的支持。
