世界正面临严重的环境污染和能源危机[1]，这推动了向清洁能源系统的转型[2]。通过提高能源效率和增加清洁能源的使用，可以减少对化石燃料的依赖以及温室气体的排放[3]。热泵（HP）是一种节能技术，具有高能源效率、广泛应用性和环保性等优点[4,5]。到2030年，热泵提供的全球供暖能力预计将几乎翻倍[6]。然而，热能供需在时间和空间上的广泛不匹配限制了能源系统的效率以及清洁能源的整合[7]。热存储（HS）是提高系统灵活性和稳定性的一个有前景的解决方案[8]。将热泵与热存储结合（HPHS）形成一个集成的热管理系统，是构建先进能源系统的一个有前景的方向[9]。
HPHS技术已在世界各地的多个大规模、长期示范项目中得到应用[10]。1980年，瑞典建立了第一个结合了热泵和热存储的太阳能供暖厂[11]，该厂主要为55户家庭提供供暖。然而，仍需要额外的化石燃料供暖。近年来，HPHS系统的规模不断扩大，应用领域也更加多样化。2017年，韩国在忠北创新城建立了金川生态能源小镇，该小镇集成了热泵和热存储技术[12]，覆盖面积达72,000平方米，实现了净零能源消耗，主要能源节省率达到73%。2019年，北京市延庆区投入使用了首个太阳能区域供暖系统，该系统利用热泵和热存储技术为19,000平方米的区域提供供暖[13]，替代了燃煤供暖系统，减少了空气污染，主要能源消耗减少了约70%，系统性能系数（COP）提高了9.4%。2023年，德国部署了一个新型能源系统，该系统结合了500千瓦的高温热泵和基于矿井的季节性热存储，为区域供暖网络提供热量[14]，每年可减少高达4800吨的二氧化碳排放[15]。
HPHS技术在多种能源场景中展现出巨大的潜力和显著的优势[16]。与电加热相比，热泵技术所需的驱动能量显著减少，它可以从废热[17]、周围地面[18]和附近的水源[19]中提取低品位热量，并将其转化为高品位热量。热存储功能实现了热能的灵活调度。将这两种技术结合使用，提高了系统的灵活性并扩展了应用范围。郭等人[20]开发了一种基于热泵、热存储和光伏的复合循环系统，用于住宅供暖、发电和制冷。实验结果表明，该系统降低了46.1%的生产能耗，其性能系数（COP）比传统系统高出10.0%–60.0%。王等人[21]提出了一种集成热泵、热存储、光伏和氢生产的综合能源系统，该系统利用热泵提升废热，并通过热存储来缓解波动，从而为水电解制氢提供稳定的热源。研究表明，将HPHS应用于氢生产系统可以提高运行稳定性、降低能耗并提升系统效率。朱等人[22]对HPHS在超低温区域供暖网络中的应用进行了实验研究，通过优化设计和运行，在模拟条件下，供暖能力提高了58%。孙等人[23]将热泵和热存储技术应用于低阶煤电厂，提高了能源效率并减少了碳排放，实验表明日碳排放减少了125.8%，能量效率提高了93.0%。
氢作为一种清洁能源[24]，被视为理想的替代燃料[25]。关于氢的生产[26]、运输[27]和存储[28]等过程的研究日益增多。金属氢化物储氢（MHHS）技术因其高体积密度、低运输压力和高安全性[30]而成为关键的研究方向。金属氢化物（MH）在吸收氢气时会释放热量，而在解吸过程中需要热量[31]。热传递影响反应器的性能，因此MHHS中的热管理至关重要。然而，MH粉末的低热导率阻碍了热传递效率的提高。当前的研究重点在于优化MH反应器结构以改善热传递[32]。Parashar等人[33]设计并实验测试了一种创新、轻量化且高效的多管MH反应器，该反应器实现了20.6千克/立方米的氢存储密度和82.3%的存储效率。Parashar等人[34]对带盘状翅片的多管反应器进行了数值模拟，表明优化翅片间距和厚度可使氢的存储和释放时间分别比基准反应器减少38%和31%，为提高热传递性能提供了理论依据。Muthukumar等人[35]开发了一种铜翅片反应器，其中含有La0.7Ce0.1Ca0.3Ni5，实验表明铜翅片由于具有更好的热导率，使解吸时间减少了20.9%–23.6%。
大多数研究在吸收过程中释放的热量通过电加热来处理，而解吸过程仍然依赖电加热。最近的研究探索了通过将MH反应器与燃料电池或空间供暖结合来回收热量的潜力。Parashar等人[36]证明，1千瓦质子交换膜（PEM）燃料电池的废热足以满足他们的MH反应器的解吸热量需求。Parida等人[37]对结合了1千瓦PEM燃料电池的MH反应器进行了实验和数值研究，这种集成方式使整个系统的能源效率提高了1.8倍。鉴于单个MH反应器仅利用了PEM废热的16.3%，研究建议并联多个反应器以增强废热回收。
此外，MH在吸收和解吸过程中的最佳温度范围不同[38]。对于某些合金而言，低温可以提高吸收性能和容量，而高温则有利于解吸性能。多项研究探讨了温度对MH在氢吸收和解吸过程中的影响[39]。Chandra等人[40]开发了一种含有5千克LaNi5的氢存储反应器，并研究了水温、供应压力和流速的影响。结果表明，在298 K至308 K之间的较低水温下，吸收驱动力更强，吸收速率更快。在323 K至333 K之间的较高水温下，解吸驱动力和速率都有所提高。Parashar等人[41]构建并测试了一种带有冷却管的反应器，其中含有3.5千克AB5合金，实验数据显示，将水温从298 K提高到303 K和308 K分别降低了3.6%和9.6%的吸收容量；而在解吸过程中，将水温从293 K提高到298 K则提高了8.7%的解吸容量并加快了解吸速率。Parashar等人[42]开发了一种实验室规模的反应器，其中含有4.8千克Mg2Ni，并配备了冷却管，实验结果表明，在吸收过程中将供水温度提高50 K和100 K分别降低了3.3%和6%的吸收容量；在解吸过程中，将水温提高10 K、20 K和30 K分别提高了7.4%、12.3%和16.2%的解吸容量。Puszkiel等人[43]使用商用AB2氢存储合金进行了工业规模的实验表征、建模和生命周期评估，研究表明，在吸收过程中较高的温度会降低存储容量，而在解吸过程中较高的温度则会提高反应速率。此外，使用回收的热量进行解吸，而不是天然气或电加热，可以显著减少二氧化碳排放。
尽管MH反应器设计和热回收技术取得了进展，但关于将热泵与热存储结合用于MHHS热管理的研究仍然有限[44]。HPHS系统在提升低品位热量和平衡区域供暖的供需不平衡方面已被证明是有效的，为MHHS提供了一个有前景的解决方案：热泵可以将低品位吸收热量转化为高品位热量用于解吸，而热存储可以储存热量/冷量以弥补温度滞后。然而，关于HPHS在MHHS中的实验验证仍然不足，特别是在优化运行参数和量化能源效率提升方面。
本研究提出了一种基于HPHS技术的MHHS热管理系统。该系统利用热泵从吸收过程中回收低品位热量并将其转化为高品位热量用于解吸，同时热存储功能实现了热量的灵活供应并降低了能源消耗。通过优化集成逻辑，系统提高了热响应速度并减少了热量损失。实验研究在模拟的储氢负载条件下进行，分析了系统在不同水温下的性能，包括温度分布、系统功率、制冷/制热功率、能源消耗以及性能系数等参数。这些实验数据为高效氢存储系统的开发提供了支持，并填补了氢存储热管理系统实验分析方面的文献空白。
