季节性热能存储

季节性热能存储(STES)，也称为跨季节热能存储，是长达数月的热能或冷能存储。热能可以在可用时收集，并在需要时使用，例如在相反的季节。例如，太阳能集热器产生的热量或空调设备产生的废热可以在炎热的月份收集起来，在需要时用于空间供暖，包括在冬季月份。工业过程产生的废热同样可以储存起来并在以后使用，或者可以储存冬季空气的自然寒冷，用于夏季空调。季节性热能存储商店可以为区域供热系统以及单个建筑物或综合体提供服务。在用于取暖的季节性蓄水池中，年设计峰值温度一般在27至80°C（81至180°F）范围内，一年内蓄热区的温差可达几十度。一些系统使用热泵来帮助在部分或全部循环期间对存储进行充电和放电。对于冷却应用，通常只使用循环泵。区域供热的例子包括DrakeLanding太阳能社区，在没有热泵的情况下，地面储存提供了97%的年消耗量，以及丹麦池塘储存的增压。

季节性热能存储技术有多种类型，涵盖从单个小型建筑到社区区域供热网络的一系列应用。一般来说，效率会随着尺寸的增加而提高，而具体的建造成本会随着尺寸的降低而降低。

UTES（地下热能储存），其中储存介质可以是从泥土或沙子到固体基岩或含水层的地质地层。UTES技术包括：

• ATES（含水层热能储存）。ATES存储由双重组成，总共有两个或多个井进入深含水层，该含水层包含在上方和下方的不透水地质层之间。双峰的一半用于抽水，另一半用于回注，因此含水层保持水文平衡，没有净提取。热（或冷）存储介质是水和它所占据的基质。德国国会大厦自1999年以来一直在供暖和制冷，ATES商店位于不同深度的两个含水层中。在荷兰，有超过1,000台ATES系统，现在是标准建筑选项。RichardStockton已经在运行一个重要的系统大学（新泽西州）几年。ATES的安装成本低于BTES，因为通常钻孔较少，但ATES的运营成本较高。此外，ATES需要特定的地下条件才能可行，包括存在含水层。
• BTES（钻孔热能储存）。BTES存储可以在任何可以钻孔的地方建造，由一到数百个垂直钻孔组成，通常直径为155毫米（6.102英寸）。已经建造了各种规模的系统，包括许多相当大的系统。地层可以是从沙子到结晶硬岩的任何东西，根据工程因素，深度可以从50米到300米（164到984英尺）不等。间距范围为3到8米（9.8到26.2英尺）。热模型可用于预测地面的季节性温度变化，包括通过匹配一个或多个年度周期的热量输入和输出来建立稳定的温度状态。可以使用钻孔场创建温暖的季节性热量储存器，以储存夏季捕获的剩余热量，以主动提高大型土壤热库的温度，以便在冬季更容易（并且更便宜）提取热量。季节性热传递使用嵌入在沥青太阳能集热器中的管道中循环的水，将热量传递到钻孔场中创建的热库。冬季使用地源热泵从地热库中提取热量，通过地板采暖提供空间供暖。由于热泵以25°C(77°F)的热温度而不是从地面10°C(50°F)的冷温度开始，因此获得了较高的性能系数。自1995年以来在理查德斯托克顿学院运行的BTES，最高温度约为29°C(84.2°F)包括400个钻孔，深度为130米（427英尺），位于3.5英亩（1.4公顷）的停车场下方。它在六个月内的热量损失为2%。由于用于BHE的PEX管道的特性，BTES商店的温度上限为85°C(185°F)，但大多数都没有达到该限制。根据地质条件，钻孔可以是灌浆或注水的，并且通常具有超过100年的预期寿命。BTES及其相关的区域供热系统都可以在运行开始后逐步扩展，例如在德国内卡苏尔姆。BTES商店通常不会影响土地的使用，并且可以存在于建筑物、农田和停车场下。几种STES中的一种的例子很好地说明了跨季节蓄热的能力。在加拿大艾伯塔省，DrakeLanding太阳能社区（自2007年开始运营）的住宅全年97%的热量来自区域供热系统，该系统由车库屋顶上的太阳能热电池板提供的太阳能提供。这一壮举——一项世界纪录——是通过在中央公园下方的大量原生岩石中进行季节性蓄热来实现的。热交换通过一组144个钻孔进行，这些钻孔钻入地下37米（121英尺）。每个钻孔的直径为155毫米（6.1英寸），并包含一个由小直径塑料管制成的简单热交换器，水通过该热交换器循环。不涉及热泵。这一壮举——一项世界纪录——是通过在中央公园下方的大量原生岩石中进行季节性蓄热来实现的。热交换通过一组144个钻孔进行，这些钻孔钻入地下37米（121英尺）。每个钻孔的直径为155毫米（6.1英寸），并包含一个由小直径塑料管制成的简单热交换器，水通过该热交换器循环。不涉及热泵。这一壮举——一项世界纪录——是通过在中央公园下方的大量原生岩石中进行季节性蓄热来实现的。热交换通过一组144个钻孔进行，这些钻孔钻入地下37米（121英尺）。每个钻孔的直径为155毫米（6.1英寸），并包含一个由小直径塑料管制成的简单热交换器，水通过该热交换器循环。不涉及热泵。
• CTES（洞穴或矿井热能储存）。如果STES存储在足够靠近热（或冷）源和市场的地方，则可以在被淹没的矿井、专门建造的腔室或废弃的地下油库（例如，在挪威开采到结晶硬岩中的那些）中进行存储。
• 能源桩。在大型建筑物的建造过程中，与BTES商店使用的BHE换热器非常相似，它们被盘绕在用于打桩的钢筋笼内，然后浇注混凝土。然后桩和周围的地层成为存储介质。
• GIITS（地理季节性绝热蓄热）。在任何具有主楼板楼板的建筑物的施工过程中，大约需要加热的建筑物占地面积且深度>1m的区域在所有6面均采用HDPE闭孔绝缘材料进行绝缘。管道用于将太阳能传输到隔热区域，并根据需要提取热量。如果有大量的内部地下水流，则需要采取补救措施来防止它。

• 坑存储。在丹麦的许多区域供热系统中，STES使用填充有砾石和水作为存储介质的内衬浅挖坑。储存坑先覆盖一层绝缘层，然后是土壤，用于农业或其他用途。丹麦马斯塔尔的一个系统包括一个由太阳能热板提供热量的坑式储存器。它最初为该村提供20%的全年供暖，并正在扩大以提供两倍的热量。2015年，世界上xxx的坑式储存库（200,000立方米（7,000,000立方英尺））在丹麦Vojens投入使用，太阳能热能为世界上xxx的太阳能区域供热系统提供50%的年能源。在这些丹麦系统中，每个容量单位的资本支出可以在0.4到0.6欧元/千瓦时之间实现。
• 大规模蓄水蓄热。大型STES储水罐可以建在地面上，绝缘，然后用土壤覆盖。
• 卧式换热器。对于小型安装，可以将波纹塑料管的热交换器浅埋在沟槽中以形成STES。
• 土堤建筑。在周围的土壤中被动地储存热量。
• 水合盐技术。与水基蓄热相比，该技术实现了显着更高的存储密度。见热能储存：水合物技术

自1981年以来，国际能源署的储能节能(ECES)计划每三年举办一次全球能源会议。这些会议最初只关注STES，但现在这些技术已经成熟，其他主题如相变材料(PCM)和电能存储也被覆盖。自1985年以来，每个会议的名称末尾都有库存（用于存储）；例如EcoStock、ThermaStock。它们在世界各地举行。最近的是在西班牙莱里达举行的InnoStock2012（第12届国际热能储存会议）和在北京举行的GreenStock2015。EnerStock2018将于2018年4月在土耳其阿达纳举行。IEA-ECES计划延续了早期国际热能储存委员会的工作，该委员会从1978年到1990年有一个季度通讯，最初由美国能源部赞助。时事通讯最初被称为ATESNewsletter，在BTES成为一种可行的技术后，它被更改为STESNewsletter。

小型被动供暖建筑物通常使用与建筑物相邻的土壤作为低温季节性蓄热器，在年循环中达到与年平均气温相似的最高温度，在较冷的月份温度下降以供暖。这样的系统是建筑设计的一个特点，因为与“传统”建筑的一些简单但显着的差异是必要的。在土壤中约20英尺(6m)的深度处，如果水位下降不超过太阳能恢复热量的自然能力，则温度在全年范围内自然稳定。这种储存系统在一年的过程中在狭窄的储存温度范围内运行，这与上述其他STES系统不同，后者的年温差较大。美国在1970年代和1980年xxx发了两种基本的被动式太阳能建筑技术。它们利用与隔热、防潮土壤的直接热传导作为空间供暖的季节性储存方法，直接传导作为热返回机制。在一种方法中，被动式年蓄热(PAHS)、建筑物的窗户和其他外表面捕获太阳热量，太阳热量通过地板、墙壁，有时甚至是屋顶传导到相邻的热缓冲土壤中。当内部空间比存储介质更冷时，热量会被传导回居住空间。另一种方法，“年化地热太阳能”（AGS）使用单独的太阳能收集器来捕获热量。收集的热量通过传热介质（例如空气或水）的对流被动或通过泵送主动传递到存储设备（土壤、砾石床或水箱）。这种方法通常以设计用于六个月加热的容量来实施。世界各地使用太阳能储热的一些例子包括：英国东安格利亚的一所大学SuffolkOne使用埋在公交车转弯区域的管道集热器来收集太阳能，然后储存在18每100米（330英尺）深的钻孔用于冬季取暖。加拿大的DrakeLanding太阳能社区在52户家庭的车库屋顶上使用太阳能集热器，然后将其储存在35米（115英尺）深的钻孔阵列中。地面可以达到超过70°C的温度，然后用于被动加热房屋。该计划自2007年以来一直成功运行。在丹麦布勒德斯特鲁普，大约8,000平方米（86,000平方英尺）的太阳能集热器用于收集大约4,000,000千瓦时/年，类似地存储在50米（160英尺）深的钻孔阵列中.

建筑师MatyasGutai获得欧盟拨款，在匈牙利建造一座房屋，该房屋使用大量充水墙板作为集热器和带有地下储热水箱的蓄水池。该设计采用微处理器控制。

许多家庭和小型公寓楼已经展示了将用于储热的大型内部水箱与安装在屋顶的太阳能集热器相结合。90°C(194°F)的储存温度足以供应生活热水和空间供暖。xxx座这样的房子是1939年的MITSolarHouse#1。1989年在瑞士奥伯堡建造了一栋八单元的公寓楼，三个储罐共储存118立方米（4,167立方英尺）的热量，比建筑物储存的热量更多需要。自2011年以来，该设计正在被复制到新建筑中。在柏林，作为IEATask13低能耗住宅示范项目的一部分，于1997年建造了“零供暖能源住宅”。它在地下室的一个20立方米（706立方英尺）的水箱内储存温度高达90°C（194°F）的水。2009年在爱尔兰建造了一个类似的例子，作为原型。太阳能季节性储存器包括一个23立方米（812立方英尺）的水箱，里面装满了水，安装在地下，四周高度隔热，用于在一年中储存来自抽空太阳能管的热量。该系统是作为实验安装的，用于加热爱尔兰戈尔韦的世界上xxx座标准化预制被动式房屋。目的是确定这种热量是否足以在冬季月份消除已经非常高效的家庭对任何电力的需求。基于对玻璃的改进，零采暖建筑现在可以在没有季节性储能的情况下实现。

STES也广泛用于温室的加热。ATES是该应用程序常用的存储类型。夏季，温室用地下水冷却，地下水从含水层的“冷井”抽出。水在此过程中被加热，并返回到含水层中的“暖井”。当温室需要热量时，例如延长生长季节，水会从暖井中抽出，在起到供暖功能的同时变冷，然后返回冷井。这是一个非常有效的自然冷却系统，它只使用循环泵而不使用热泵。

年化地太阳能(AGS)可在寒冷、多雾的北温带地区实现被动太阳能加热。它使用建筑物下方或周围的地面作为热质量来加热和冷却建筑物。经过6个月的设计导热滞后后，热量会返回或从建筑物的居住空间中排出。在炎热的气候中，将收集器在冬天暴露在寒冷的夜空下可以在夏天为建筑物降温。大约三米（十英尺）的泥土提供了六个月的热滞后。建筑物周围有一条6米宽（20英尺）的埋地绝缘裙，可以防止雨水和雪从通常位于建筑物下方的泥土中融化。污垢通过地板或墙壁进行辐射加热和冷却。热虹吸管在污垢和太阳能收集器之间移动热量。太阳能集热器可以是屋顶的金属板隔间，也可以是建筑物或山坡一侧的宽扁盒子。虹吸管可以由塑料管制成并携带空气。使用空气可以防止漏水和水引起的腐蚀。塑料管道不会像金属管道那样在潮湿的土壤中腐蚀。AGS加热系统通常包括：

• 一个隔热、节能、环保的生活空间；
• 在夏季的几个月中，从阳光加热的子屋顶或阁楼空间、阳光空间或温室、地面、平板、热虹吸收集器或其他太阳能集热装置中捕获的热量；
• 热量从收集源传输到（通常）生活空间下方的土体（用于存储），该土体被地下周边斗篷或雨伞包围，既可以隔热，又可以防止热量流失到室外空气中，并且防止水分通过该蓄热体迁移；
• 一种高密度地板，其热性能旨在将热量辐射回生活空间，但只有在适当的底层绝缘调节时间滞后之后；
• 一种控制方案或系统，当感应到收集区域中的暖季空气比存储区域中的热时，激活（通常是光伏驱动的）风扇和风门，或者允许将热量转移到被动对流的存储区（通常使用太阳能烟囱和热激活阻尼器。）

通常，储存土体需要几年时间才能从当地深层土壤温度（因地区和场地方向而有很大差异）完全预热到可以提供高达xxx加热的最佳秋季水平过冬对居住空间的要求。这项技术不断发展，正在探索一系列变体（包括有源返回设备）。最常讨论这种创新的列表服务器是雅虎的有机架构。该系统几乎完全部署在北欧。在北美的DrakeLanding建造了一个系统。一个更新的系统是在伊利诺伊州科林斯维尔建造的一个自己动手的能源中性住宅，它将完全依靠年化太阳能进行调节。