中國儲能網(wǎng)訊：
摘 要 儲熱儲冷技術(shù)是實(shí)現(xiàn)能源時(shí)空轉(zhuǎn)移、提升系統(tǒng)靈活性與效率的關(guān)鍵技術(shù)，對推動能源轉(zhuǎn)型與工業(yè)建筑脫碳至關(guān)重要。本文通過分析全球主要國家/地區(qū)的戰(zhàn)略布局、技術(shù)分類特點(diǎn)、2016—2025年專利態(tài)勢及典型應(yīng)用場景，系統(tǒng)揭示了該技術(shù)的發(fā)展規(guī)律。研究發(fā)現(xiàn)：全球已形成戰(zhàn)略共識，但發(fā)展路徑各具特色，美國側(cè)重市場驅(qū)動，歐盟強(qiáng)化法規(guī)引導(dǎo)，中國則以國家工程推動規(guī)模化發(fā)展；技術(shù)層面，顯熱、潛熱與熱化學(xué)儲熱各具優(yōu)勢且互補(bǔ)發(fā)展；專利分析表明，中國在申請總量上占優(yōu)，但高價(jià)值專利占比偏低，技術(shù)研發(fā)聚焦于系統(tǒng)載體、材料性能與應(yīng)用場景三大熱點(diǎn)；技術(shù)應(yīng)用已深度滲透電力、工業(yè)、建筑等領(lǐng)域，并拓展至數(shù)據(jù)中心等特殊場景，價(jià)值實(shí)現(xiàn)路徑清晰。綜上，儲熱儲冷技術(shù)是實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)的關(guān)鍵支撐，未來應(yīng)重點(diǎn)突破材料瓶頸、深化系統(tǒng)集成、創(chuàng)新商業(yè)模式，以加速其商業(yè)化進(jìn)程。
關(guān)鍵詞 儲熱儲冷；專利分析；應(yīng)用場景；技術(shù)發(fā)展；能源轉(zhuǎn)型
熱儲能技術(shù)是指將熱能以顯熱、潛熱或熱化學(xué)等形式儲存，并在需要時(shí)釋放的技術(shù)。該技術(shù)覆蓋了從低溫到高溫的寬廣區(qū)間，在能源、工業(yè)及建筑等領(lǐng)域的跨季節(jié)儲熱場景中應(yīng)用廣泛。國際能源署(IEA)在《電力2025》報(bào)告中強(qiáng)調(diào)熱，熱能存儲與氫能同為提供長周期靈活性的關(guān)鍵技術(shù)，對提升高比例可再生能源電力系統(tǒng)的適應(yīng)能力至關(guān)重要。其另一份報(bào)告《工業(yè)低溫?zé)崮茈姎饣欠窬哂懈偁幜Α分幸仓赋觯I(yè)低溫?zé)岬碾姎饣?，結(jié)合熱泵與儲熱技術(shù)，已成為全球工業(yè)和建筑脫碳的重要路徑；儲熱系統(tǒng)被視為工業(yè)余熱回收、電網(wǎng)調(diào)峰及分布式熱管理等多個(gè)應(yīng)用場景的關(guān)鍵技術(shù)組成。為此，針對多應(yīng)用場景的不同溫度熱能需求，開發(fā)多溫區(qū)、高性能的材料體系，不僅是實(shí)現(xiàn)儲熱儲冷系統(tǒng)集成創(chuàng)新的核心基礎(chǔ)，更是大幅提升整體能源利用效率、降低脫碳成本，并最終推動可再生能源成為主力熱源的關(guān)鍵技術(shù)突破口?；诖?，本文首先梳理全球主要國家/地區(qū)的戰(zhàn)略規(guī)劃，進(jìn)而分析儲熱儲冷技術(shù)的分類及特點(diǎn)，隨后通過專利數(shù)據(jù)揭示技術(shù)研發(fā)態(tài)勢，最后探討其在各領(lǐng)域的典型應(yīng)用場景，旨在全面呈現(xiàn)該技術(shù)的發(fā)展規(guī)律與未來趨勢。
Part.1
全球主要國家/地區(qū)儲熱儲冷戰(zhàn)略規(guī)劃布局
當(dāng)前，在全球應(yīng)對氣候變化與保障能源安全的雙重目標(biāo)下，儲熱儲冷領(lǐng)域正進(jìn)入多元技術(shù)路線并行推進(jìn)、應(yīng)用場景加速擴(kuò)張的關(guān)鍵階段。供熱與制冷的脫碳進(jìn)程對實(shí)現(xiàn)凈零排放目標(biāo)具有重要影響，此外熱儲能能夠在電力、工業(yè)和建筑等終端用能領(lǐng)域顯著提升系統(tǒng)靈活性，促進(jìn)高比例可再生能源消納與季節(jié)性用能平衡，是構(gòu)建新型能源體系的重要支撐技術(shù)之一。在此背景下，全球主要經(jīng)濟(jì)體圍繞材料、裝備、系統(tǒng)、場景開展全方位布局，儲熱儲冷已逐步從輔助技術(shù)走向能源系統(tǒng)深度脫碳的核心環(huán)節(jié)，圖1為儲熱儲冷技術(shù)全球主要國家/地區(qū)戰(zhàn)略布局。
圖1 儲熱儲冷技術(shù)全球主要國家/地區(qū)戰(zhàn)略布局
Fig. 1 Strategic landscape of thermal energy storage and cooling technology in major countries/regions worldwide
1.1 美國
美國儲熱儲冷戰(zhàn)略正從研發(fā)扶持向規(guī)?；虡I(yè)部署加速演進(jìn)，其核心是通過政策激勵與市場機(jī)制雙重驅(qū)動，將儲熱確立為構(gòu)建低成本、高可靠清潔電網(wǎng)的關(guān)鍵支柱。在戰(zhàn)略規(guī)劃層面，2021年7月，美國能源部提出“長時(shí)儲能攻關(guān)”計(jì)劃，目標(biāo)是在未來十年內(nèi)，將數(shù)百吉瓦的清潔能源引入電網(wǎng)，將儲能時(shí)間超過10小時(shí)的系統(tǒng)成本降低90%。該計(jì)劃強(qiáng)調(diào)儲熱等多元技術(shù)路線，涵蓋熔融鹽、相變材料、熱化學(xué)儲熱、地質(zhì)儲熱(GeoTES)等，并視其為實(shí)現(xiàn)2035年100%清潔電力目標(biāo)的關(guān)鍵支撐。2022年5月，美國能源部宣布根據(jù)《兩黨基礎(chǔ)設(shè)施法案》撥款，四年內(nèi)共資助5.05億美元，專門用于長時(shí)儲能技術(shù)開發(fā)與示范，儲熱技術(shù)被列為重點(diǎn)支持方向之一。該法案支持包括“阿拉斯加鐵路帶熱泵儲能項(xiàng)目(POLAR)”等在內(nèi)的多個(gè)儲熱示范項(xiàng)目，推動跨季節(jié)與高寒地區(qū)儲熱技術(shù)落地。2024年2月，美國能源部(DOE)再次通過《兩黨基礎(chǔ)設(shè)施法案》撥款7500萬美元，專門支持七個(gè)前沿的長時(shí)儲能示范項(xiàng)目，其中多個(gè)聚焦儲熱技術(shù)，旨在驗(yàn)證其在真實(shí)電網(wǎng)環(huán)境中的經(jīng)濟(jì)性與可靠性。2025年美國《大而美法案》正式生效，將儲能投資稅收抵免政策延長至2036年，明確儲熱儲冷項(xiàng)目可享受最高達(dá)40%的投資稅收抵免，為商業(yè)示范與規(guī)模化部署提供長期政策窗口。在應(yīng)用規(guī)模與技術(shù)示范方面，美國正從單一的光熱發(fā)電配套，向多元電網(wǎng)服務(wù)與工業(yè)應(yīng)用快速拓展。據(jù)美國能源部2024年發(fā)布的報(bào)告，全美已規(guī)劃和在運(yùn)的非抽水蓄能長時(shí)儲能項(xiàng)目中，儲熱技術(shù)占比顯著，其中熔融鹽儲熱技術(shù)因在已投運(yùn)光熱電站(如新月沙丘、伊萬帕)中的成熟應(yīng)用，成為當(dāng)前部署的主力。
1.2 歐盟
歐盟的儲熱儲冷戰(zhàn)略以系統(tǒng)集成與供熱脫碳為核心導(dǎo)向，正從鼓勵性政策轉(zhuǎn)向帶有強(qiáng)制性目標(biāo)的法規(guī)驅(qū)動，旨在構(gòu)建一個(gè)高度一體化、可再生能源主導(dǎo)的區(qū)域能源系統(tǒng)。歐盟的戰(zhàn)略實(shí)施具有鮮明的法規(guī)與市場雙輪驅(qū)動特征。在《歐洲綠色協(xié)議》和“REPowerEU”計(jì)劃的框架下，2024年生效的《建筑能效指令(EPBD)》修訂案要求所有新建筑從2030年起實(shí)現(xiàn)零碳排放，并大力推動現(xiàn)有建筑改造，這為建筑集成儲熱儲冷系統(tǒng)創(chuàng)造了巨大的強(qiáng)制性市場。在項(xiàng)目資助方面，2024年以來多項(xiàng)歐盟資助項(xiàng)目聚焦季節(jié)性儲熱、高密度相變材料、地下熱能存儲等前沿方向，如USES4HEAT、TREASURE、THUNDER、INTERSTORES等，涵蓋建筑、工業(yè)、數(shù)據(jù)中心等多元場景；而歐洲能源研究聯(lián)盟(EERA)則通過儲熱聯(lián)合計(jì)劃(Joint Programme on Thermal Energy Storage)，聯(lián)合產(chǎn)學(xué)研資源，推進(jìn)儲熱材料、系統(tǒng)集成與標(biāo)準(zhǔn)制定，目標(biāo)是到2030年實(shí)現(xiàn)大規(guī)模商業(yè)化部署。在應(yīng)用規(guī)模上，歐盟憑借全球領(lǐng)先的區(qū)域供熱網(wǎng)絡(luò)，已成為大規(guī)?？缂竟?jié)儲熱技術(shù)的領(lǐng)導(dǎo)者。根據(jù)歐洲供熱與制冷協(xié)會(Euroheat & Power)2024年報(bào)告，歐盟范圍內(nèi)已投入運(yùn)營的大型跨季節(jié)儲熱項(xiàng)目超過50個(gè)，總儲熱容量持續(xù)增長。
1.3 日本
日本的儲熱儲冷戰(zhàn)略緊密圍繞能效極限提升與分布式能源管理展開，其特點(diǎn)是以精細(xì)化標(biāo)準(zhǔn)引領(lǐng)市場，以技術(shù)創(chuàng)新應(yīng)對資源約束，最終服務(wù)于全社會的深度脫碳與能源安全。日本的戰(zhàn)略實(shí)施依賴“國家目標(biāo)-研發(fā)路線圖-行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)”協(xié)同體系。早在2018年日本頒布《第5期能源基本計(jì)劃》，提出了面向2030年及2050年的能源中長期發(fā)展戰(zhàn)略，將儲熱列入實(shí)現(xiàn)2030?年溫室氣體減排26%、2050?年減排80%的關(guān)鍵技術(shù)之一，明確提出要發(fā)展低溫與高溫儲熱系統(tǒng)，以提升供熱靈活性和峰谷調(diào)節(jié)能力。與此配套，日本新能源產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合開發(fā)機(jī)構(gòu)(NEDO)發(fā)布《下一代熱泵系統(tǒng)研發(fā)》路線圖，將顯熱儲存、潛熱儲存、化學(xué)儲能劃分為2020—2030年的重點(diǎn)研發(fā)項(xiàng)目，目標(biāo)在2030年實(shí)現(xiàn)小型高溫蓄熱與多溫度型蓄熱的商業(yè)化。行業(yè)組織如日本熱泵與儲熱中心(HPTCJ)則致力于制定和推廣儲熱儲冷與熱泵系統(tǒng)集成與技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，以規(guī)范市場、引導(dǎo)消費(fèi)。在應(yīng)用規(guī)模上，日本側(cè)重于在商業(yè)建筑和分布式能源節(jié)點(diǎn)中大規(guī)模部署中小型儲冷儲熱裝置。根據(jù)日本冷凍空調(diào)工業(yè)協(xié)會(JRAIA)2024年統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，冰蓄冷、水蓄熱等系統(tǒng)在新建大型商業(yè)綜合體中的滲透率已超過40%。
1.4 中國
中國的儲熱儲冷戰(zhàn)略體現(xiàn)為國家工程驅(qū)動與全產(chǎn)業(yè)鏈培育的規(guī)?；l(fā)展路徑，核心目標(biāo)是通過快速的技術(shù)迭代和成本下降，使其成為支撐新型電力系統(tǒng)與工業(yè)節(jié)能的確定性基礎(chǔ)設(shè)施。中國的戰(zhàn)略推進(jìn)呈現(xiàn)“頂層規(guī)劃-重大示范-產(chǎn)業(yè)政策”聯(lián)動效應(yīng)。繼2022年《“十四五”新型儲能發(fā)展實(shí)施方案》強(qiáng)調(diào)儲熱儲冷與電化學(xué)儲能、壓縮空氣等多元技術(shù)路線并重以來，2024年國家能源局進(jìn)一步組織“熔鹽儲熱輔助煤電靈活性改造”試點(diǎn)項(xiàng)目，探索將傳統(tǒng)煤電機(jī)組轉(zhuǎn)變?yōu)樯疃日{(diào)峰與備用電源的新模式。2025年工業(yè)和信息化部等八部門聯(lián)合印發(fā)《新型儲能制造業(yè)高質(zhì)量發(fā)展行動方案》，明確從制造端發(fā)力，攻克高性能相變材料、高溫熔鹽泵等關(guān)鍵部件，提升國產(chǎn)化率與產(chǎn)業(yè)競爭力。此外，作為國家戰(zhàn)略科技力量，中國科學(xué)院率先布局并持續(xù)推動儲熱儲冷領(lǐng)域的核心技術(shù)研發(fā)與集成示范。特別是通過部署“戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)”，組織下屬工程熱物理研究所、過程工程研究所等優(yōu)勢單位，在高溫儲熱材料、系統(tǒng)集成及工程應(yīng)用方面取得了一系列突破性成果，為我國在該領(lǐng)域的戰(zhàn)略布局提供了堅(jiān)實(shí)的科技支撐。在應(yīng)用規(guī)模上，中國已成為全球光熱發(fā)電配套儲熱和清潔供暖儲熱最大的增量市場。根據(jù)國家能源局2024年一季度新聞發(fā)布會數(shù)據(jù)，全國已建成太陽能熱發(fā)電項(xiàng)目總裝機(jī)約590 MW，均配置4小時(shí)以上熔鹽儲熱系統(tǒng)；位于青海、甘肅等地的多個(gè)吉瓦級光熱光伏一體化基地正在建設(shè)中。在北方清潔供暖領(lǐng)域，基于固體電蓄熱、相變材料等技術(shù)的儲熱項(xiàng)目已推廣至數(shù)百萬戶居民。
全球主要國家/地區(qū)儲熱儲冷典型應(yīng)用案例如表1所示。
表1 全球主要國家/地區(qū)儲熱儲冷典型應(yīng)用案例
Table 1 Typical application cases of thermal energy storage technology in major countries/regions worldwide
Part.2
儲熱儲冷技術(shù)分類及技術(shù)特點(diǎn)
在全球戰(zhàn)略共識與差異化路徑的驅(qū)動下，儲熱儲冷技術(shù)呈現(xiàn)出多元化的發(fā)展態(tài)勢。要深入理解各國的戰(zhàn)略布局與產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀，首先需要對儲熱儲冷的技術(shù)路線及其特點(diǎn)進(jìn)行系統(tǒng)梳理。典型儲熱技術(shù)主要可分為顯熱儲熱、潛熱儲熱、熱化學(xué)儲熱等，儲冷技術(shù)與儲熱對應(yīng)，同樣分為顯冷、潛冷和冷化學(xué)三類，以儲熱技術(shù)為例，各自適用于不同的場景并具有相應(yīng)特點(diǎn)，總結(jié)如圖2所示。
圖2 典型儲熱儲冷技術(shù)分類及特點(diǎn)
Fig. 2 Classification and characteristics of thermal energy storage technologies
2.1 顯熱儲熱技術(shù)
顯熱儲熱技術(shù)利用材料(如熱水、熔鹽、固體材料)的比熱容和溫度變化實(shí)現(xiàn)熱量存儲，過程中僅發(fā)生溫度變化而無相變或化學(xué)反應(yīng)，相對來說具有更低廉的成本及更高的技術(shù)成熟度。常見的儲熱介質(zhì)包括液態(tài)(如水、導(dǎo)熱油、熔鹽、液態(tài)金屬)和固態(tài)材料(如巖石、砂礫)。液態(tài)介質(zhì)傳熱性能好但成本較高，固態(tài)介質(zhì)則更適用于大規(guī)模應(yīng)用。顯熱儲熱適用于技術(shù)成熟度要求高、成本敏感的短期儲能場景(如小時(shí)至日周期)，例如火電機(jī)組深度調(diào)峰、低品位市政供暖等領(lǐng)域。
在火電機(jī)組深度調(diào)峰領(lǐng)域，典型技術(shù)包括熱水罐和熔鹽儲熱。熱水罐和電極鍋爐是最早應(yīng)用于火電深度調(diào)峰的技術(shù)，已在多個(gè)電廠完成示范。該方式工藝簡單、對原有系統(tǒng)改動小，但存在占地面積大等問題，同時(shí)儲熱溫度較低導(dǎo)致釋放熱能難以滿足高參數(shù)工業(yè)蒸汽需求，需與其他技術(shù)互補(bǔ)使用。熔鹽儲熱技術(shù)通過高效儲存和釋放熱能，顯著提升機(jī)組的靈活性和調(diào)峰能力。典型應(yīng)用的熔鹽包括太陽鹽(硝酸鈉與氯化鈉混合物)、HITEC鹽(三元硝酸鹽混合物)。在熔鹽儲熱與火電機(jī)組耦合過程中，通過合理選擇抽汽點(diǎn)和放熱階段抽取點(diǎn)，降低汽化潛熱階段的能量損失，提升往返效率。江蘇國信靖江發(fā)電有限公司示范工程2022年12月投運(yùn)，采用煤電機(jī)組耦合熔鹽儲熱技術(shù)，最低發(fā)電負(fù)荷降至25%。宿州電廠2023年開工建設(shè)1110 MWh熔鹽儲熱項(xiàng)目，用于深度調(diào)峰。河北龍山電廠2024年12月投運(yùn)全國首套600 MW機(jī)組抽汽熔鹽儲能項(xiàng)目，調(diào)峰能力達(dá)400 MWh，機(jī)組爬坡能力提升1.5倍。
在利用固體材料儲熱方面，目前較為成熟的技術(shù)路線包括填充床與蓄熱磚儲熱等，這些技術(shù)自20世紀(jì)80年代起在歐美國家工程化應(yīng)用，技術(shù)體系完善，尤其在低溫太陽能和電鍋爐領(lǐng)域已實(shí)現(xiàn)規(guī)?；瘧?yīng)用。華電新疆發(fā)電有限公司在新疆昌吉地區(qū)建設(shè)安裝的固體電蓄熱機(jī)組即屬于此類成熟技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)深度調(diào)峰60 MW的電負(fù)荷。與之不同的是，固體顆粒技術(shù)路線目前被視為前沿技術(shù)方向，其來源廣泛與成本低廉，且具有良好高溫?zé)岱€(wěn)定性，并與金屬材料高度相容、無腐蝕性等特點(diǎn)，同時(shí)固體顆粒儲熱兼具放熱穩(wěn)定和儲熱溫度高等優(yōu)勢，是極具有潛力的安全可靠、長時(shí)大容量的儲熱技術(shù)，但當(dāng)前尚未完全商業(yè)化應(yīng)用。
顯熱儲熱技術(shù)的主要局限性在于儲能密度低且自放熱問題突出。顯熱儲熱技術(shù)正朝著規(guī)?；⒌统杀净较虬l(fā)展，未來將重點(diǎn)解決儲能密度低和熱損問題，同時(shí)探索新型復(fù)合材料(如納米流體)以提升性能。
2.2 潛熱儲熱技術(shù)(相變儲熱)
潛熱儲熱技術(shù)利用相變材料在相變過程中吸收/釋放熱量，其儲能密度高且溫度近乎恒定。潛熱儲熱技術(shù)可以進(jìn)一步細(xì)分為以下類別：固-液相變儲熱，通過材料的熔化與凝固過程儲存/釋放熱量，是最常見的技術(shù)類型，典型材料包括石蠟類、鹽類(如硝酸鈉)等；固-固相變儲熱，通過晶體結(jié)構(gòu)的有序-無序轉(zhuǎn)變實(shí)現(xiàn)儲熱，避免液態(tài)相變材料的泄漏風(fēng)險(xiǎn)，典型材料包括某些高分子聚合物和金屬合金；液-氣相變儲熱，利用物質(zhì)在氣液相變時(shí)的潛熱進(jìn)行儲熱，但因需高壓或低溫條件，實(shí)際應(yīng)用較少。潛熱儲熱技術(shù)適合需要較高儲能密度和穩(wěn)定溫度輸出的中期儲能場景(如小時(shí)至周周期)。在建筑節(jié)能領(lǐng)域，相變材料常與建筑材料(如墻體、地板)混合使用，利用其相變潛熱特性增強(qiáng)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱慣性，以實(shí)現(xiàn)被動式溫控。在太陽能跨季節(jié)儲熱領(lǐng)域，潛熱儲熱系統(tǒng)被用于大規(guī)模太陽能供熱項(xiàng)目，例如區(qū)域供暖或工業(yè)供熱。在工業(yè)余熱回收領(lǐng)域，結(jié)合高溫?zé)岜眉夹g(shù)，將工業(yè)廢水中的低溫余熱轉(zhuǎn)化為高溫蒸汽，提升能源利用率。
在建筑與清潔供暖領(lǐng)域，潛熱儲熱已開展一系列工程示范。在中國科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)的支持下，中國科學(xué)院過程工程研究所采用長壽命、高儲熱密度的水合鹽相變材料，為北京冬奧會賽區(qū)山地建成小體積、模塊化相變儲熱示范工程，有效解決了極寒氣候下復(fù)雜結(jié)構(gòu)山地建筑的清潔供暖儲熱難題。在區(qū)域供熱與余熱回收方面，英國伯明翰大學(xué)牽頭建成世界首套利用復(fù)合相變材料的大型示范裝置，用于消納風(fēng)電并供暖，驗(yàn)證了相變儲熱在低成本、大規(guī)模區(qū)域供熱中的技術(shù)可行性，為后續(xù)商業(yè)化部署提供了重要參考。
總體看來，當(dāng)前潛熱儲熱技術(shù)正處于從工程示范向商業(yè)化過渡階段，但整體技術(shù)成熟度仍低于顯熱儲熱。存在熱損失大和材料成本問題。未來需重點(diǎn)突破材料成本優(yōu)化、熱穩(wěn)定性提升及規(guī)?；到y(tǒng)集成。例如，開發(fā)復(fù)合相變材料以增強(qiáng)導(dǎo)熱性，或結(jié)合人工智能優(yōu)化系統(tǒng)控制策略。
2.3 熱化學(xué)儲熱技術(shù)
熱化學(xué)儲熱技術(shù)通過化學(xué)反應(yīng)(如分解/合成)儲存熱量，儲能密度較高，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離能量傳輸。常用的熱化學(xué)儲熱技術(shù)采用不同類別的化學(xué)反應(yīng)體系：金屬氫氧化物體系，利用氫氧化物加熱分解與水化合時(shí)的熱效應(yīng)進(jìn)行儲能；堿土金屬氧化物/碳酸鹽體系，通過氧化物與二氧化碳的可逆反應(yīng)或氫氧化物分解反應(yīng)實(shí)現(xiàn)儲能。金屬氫化物體系利用金屬與氫氣的可逆反應(yīng)(如Mg/H2體系)儲存能量。熱化學(xué)儲熱具備高儲能密度、低熱損失、靈活溫區(qū)調(diào)控的特點(diǎn)。主要適用場景針對大規(guī)?？缂竟?jié)儲能需求(日至月周期)，尤其適用于中高溫場景(573~1473 K)儲能密度較高(可達(dá)顯熱儲熱的8~10倍)，可實(shí)現(xiàn)常溫?zé)o損存儲，但工藝復(fù)雜、投資高。
目前熱化學(xué)儲熱技術(shù)處于實(shí)驗(yàn)室研究階段，尚未商業(yè)化，在工業(yè)余熱回收、太陽能熱發(fā)電晝夜連續(xù)供能、建筑供暖中的跨季節(jié)儲能等場景下具備應(yīng)用潛力，仍需解決反應(yīng)效率、催化劑壽命等關(guān)鍵問題。前沿的研究方向包括摻雜(如Li+、Na+)、結(jié)構(gòu)調(diào)控(多孔載體復(fù)合)提升循環(huán)穩(wěn)定性、開發(fā)大規(guī)模固定床/流化床反應(yīng)器等，解決傳熱效率瓶頸、與光伏、風(fēng)電耦合，構(gòu)建“可再生能源+TCES”一體化系統(tǒng)等。
Part.3
儲熱儲冷技術(shù)專利態(tài)勢與研發(fā)熱點(diǎn)分析
上述技術(shù)路線各具特色，其研發(fā)熱度和商業(yè)化路徑也引起了全球范圍內(nèi)的廣泛競爭與布局。為了量化評估各類技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀與創(chuàng)新活力，本部分將利用專利數(shù)據(jù)進(jìn)一步揭示其發(fā)展態(tài)勢。通過Incopat專利數(shù)據(jù)庫，獲得了全球儲熱儲冷技術(shù)相關(guān)專利數(shù)據(jù)集，數(shù)據(jù)采集時(shí)間段為2016—2025年，共得到相關(guān)專利139100條，經(jīng)過簡單同族合并后共100155項(xiàng)。
3.1 專利申請數(shù)量趨勢分析
從儲熱儲冷技術(shù)近十年專利申請數(shù)量的年度變化情況來看(圖3)，2016—2025年該領(lǐng)域?qū)＠暾埩砍尸F(xiàn)“穩(wěn)步增長—快速增長—波動調(diào)整”的發(fā)展態(tài)勢，反映出技術(shù)從積累期向高速發(fā)展期演進(jìn)，后期因技術(shù)成熟、市場因素或?qū)＠暾埩看嬖谝欢ǖ摹皽笮浴倍霈F(xiàn)階段性調(diào)整，具體分析如下：
圖3 2016—2025年儲熱儲冷技術(shù)相關(guān)專利申請數(shù)量年度分布
Fig. 3 Annual distribution of patent application quantity related to thermal energy storage technology from 2016 to 2025
（1）2016—2019年，穩(wěn)步增長階段：這段時(shí)期全球?qū)＠暾埩繌?500項(xiàng)左右逐步增長至約10000項(xiàng)，年均增速平緩。這一階段技術(shù)處于初步發(fā)展或積累期，研發(fā)投入和行業(yè)關(guān)注度逐步提升，但尚未形成大規(guī)模技術(shù)突破或市場爆發(fā)，專利數(shù)量增長相對溫和，反映儲熱儲冷技術(shù)仍在夯實(shí)基礎(chǔ)、探索應(yīng)用場景(如早期數(shù)據(jù)中心散熱、工業(yè)余熱回收等)。
（2）2020—2023年，快速增長階段：這一時(shí)期全球申請量快速攀升至約13000項(xiàng)并維持高位，年均增速顯著加快，凸顯其在能源轉(zhuǎn)型中的戰(zhàn)略地位(如平抑可再生能源波動、提升系統(tǒng)能效)，吸引企業(yè)加大研發(fā)投入。
（3）2024—2025年，波動調(diào)整階段：這一階段，全球?qū)＠暾埩?024年略降至約11500項(xiàng)，2025年驟降至約4500項(xiàng)(需注意2025年數(shù)據(jù)可能受統(tǒng)計(jì)滯后性影響)。這一波動可能源于前期技術(shù)高速發(fā)展后，核心技術(shù)趨于成熟，專利申請從“增量創(chuàng)新”轉(zhuǎn)向“存量優(yōu)化”。同時(shí)，受到經(jīng)濟(jì)環(huán)境、政策節(jié)奏變化(如部分區(qū)域儲能補(bǔ)貼調(diào)整)可能導(dǎo)致研發(fā)投入短期收緊。
綜上所述，儲熱儲冷技術(shù)近十年仍處于蓬勃發(fā)展階段，專利申請量的階段性變化，直觀反映了該領(lǐng)域從“技術(shù)積累”到“產(chǎn)業(yè)爆發(fā)”再到“成熟調(diào)整”的發(fā)展脈絡(luò)，為預(yù)測未來技術(shù)方向和產(chǎn)業(yè)布局提供了關(guān)鍵參考。
3.2 專利申請國家分布情況
2016—2025年全球儲熱儲冷技術(shù)專利申請的國家分布呈現(xiàn)顯著的不均衡性(圖4)，反映出不同國家在技術(shù)研發(fā)、產(chǎn)業(yè)布局與市場驅(qū)動下的差異化特征。其分布格局可從總量規(guī)模、高價(jià)值專利占比兩個(gè)維度展開分析。
圖4 2016—2025年儲熱儲冷技術(shù)相關(guān)專利申請TOP10國家情況
Fig. 4 TOP 10 countries for patent applications related to thermal energy storage technology from 2016 to 2025
（1）從專利申請數(shù)量看，中國以80453項(xiàng)的絕對優(yōu)勢位居全球首位，是第二位日本(6014項(xiàng))的13倍以上，顯示出中國在儲熱儲冷技術(shù)研發(fā)中的規(guī)模優(yōu)勢。日本、韓國、美國分別以6014項(xiàng)、4532項(xiàng)、2723項(xiàng)位列第二至第四，構(gòu)成“第二梯隊(duì)”；德國(1512項(xiàng))、法國(762項(xiàng))及以下國家專利數(shù)量均低于2000項(xiàng)，屬于“第三梯隊(duì)”。這種分布與中國在“雙碳”目標(biāo)下的政策支持(如儲能技術(shù)研發(fā)激勵)、龐大市場規(guī)模(數(shù)據(jù)中心散熱、工業(yè)余熱回收等應(yīng)用場景)以及企業(yè)研發(fā)投入增加密切相關(guān)，體現(xiàn)了技術(shù)發(fā)展與產(chǎn)業(yè)需求的強(qiáng)關(guān)聯(lián)性。
（2）高價(jià)值專利數(shù)量與總專利數(shù)量的比值(高價(jià)值占比)是衡量技術(shù)質(zhì)量的核心指標(biāo)。數(shù)據(jù)顯示，中國高價(jià)值專利19855項(xiàng)，占比約24.7%；美國1502項(xiàng)，占比約55.2%；韓國1967項(xiàng)，占比約43.4%；日本1882項(xiàng)，占比約31.3%。盡管中國專利總量領(lǐng)先，但高價(jià)值占比低于美國、韓國、日本，反映出中國在技術(shù)原創(chuàng)性和高端化方面仍有提升空間。美國、韓國、日本的高價(jià)值占比高，源于其長期的技術(shù)積累(如相變材料、跨行業(yè)能源耦合等領(lǐng)域的原創(chuàng)性研究)、研發(fā)投入強(qiáng)度(企業(yè)主導(dǎo)的協(xié)同創(chuàng)新)以及產(chǎn)業(yè)對高價(jià)值技術(shù)的需求(如高端制造、精密溫控場景)，這些技術(shù)更易形成高價(jià)值的專利布局。
3.3 專利申請機(jī)構(gòu)分布情況
2016—2025年全球儲熱儲冷技術(shù)專利權(quán)人分布呈現(xiàn)“中國主導(dǎo)、企業(yè)引領(lǐng)、產(chǎn)學(xué)研協(xié)同”的格局(表2)，結(jié)合專利數(shù)量與高價(jià)值專利占比，可從國家分布、機(jī)構(gòu)類型及技術(shù)創(chuàng)新質(zhì)量三個(gè)維度展開分析：
表2 儲熱儲冷技術(shù)TOP20專利權(quán)人專利申請與高價(jià)值專利統(tǒng)計(jì)情況
Table 2 Patent application and high-value patent statistics of TOP20 assignees in thermal energy storage technology
（1）從國家分布來看，中國機(jī)構(gòu)占據(jù)絕對主導(dǎo)地位。在TOP 20專利權(quán)人中，中國機(jī)構(gòu)占據(jù)15席，專利申請總量超2.5萬項(xiàng)，高價(jià)值專利超1.1萬項(xiàng)，反映中國在儲熱儲冷技術(shù)研發(fā)與產(chǎn)業(yè)應(yīng)用中的核心地位。日韓企業(yè)(LG、三星、三菱、東芝、松下)共5席，專利總量約3000項(xiàng)，高價(jià)值專利約1300項(xiàng)，雖技術(shù)原創(chuàng)性較強(qiáng)，但規(guī)模遠(yuǎn)低于中國企業(yè)。
（2）從機(jī)構(gòu)類型來看，主要是企業(yè)引領(lǐng)。在TOP 20專利權(quán)人中，主要以家電和能源企業(yè)為核心驅(qū)動力。中國家電企業(yè)(海爾、美的、格力)以3850項(xiàng)、2579項(xiàng)、2461項(xiàng)的專利數(shù)量位居前三，高價(jià)值專利占比分別達(dá)37.0%、36.7%、36.1%，反映其在儲熱儲冷技術(shù)(如家電熱管理、冷鏈溫控)的產(chǎn)業(yè)化優(yōu)勢。能源企業(yè)(國家電網(wǎng)、中國華能)及韓國LG、日本三菱等也布局該領(lǐng)域，但數(shù)量與高價(jià)值專利占比低于中國家電企業(yè)，說明中國家電企業(yè)在儲熱儲冷技術(shù)的市場轉(zhuǎn)化與技術(shù)創(chuàng)新上更具競爭力。此外，高校方面，中國高校(西安交通大學(xué)、清華大學(xué)、浙江大學(xué))與科研院所(中國科學(xué)院、西安熱工研究院)共9席，專利總量超3000項(xiàng)，高價(jià)值專利占比超40%(如中國科學(xué)院263項(xiàng)占42.6%、西安交大261項(xiàng)占40.9%)，體現(xiàn)產(chǎn)學(xué)研協(xié)同創(chuàng)新模式。高校側(cè)重基礎(chǔ)研究(如相變材料、熱管理機(jī)理)，科研院所聚焦工程應(yīng)用(如能源系統(tǒng)耦合)，共同推動技術(shù)從實(shí)驗(yàn)室到產(chǎn)業(yè)化的轉(zhuǎn)化。值得注意的是，中國科學(xué)院作為中國科研院所的代表，其專利布局不僅數(shù)量可觀(618項(xiàng))，且高價(jià)值專利占比高達(dá)42.6%，位居前列。這充分體現(xiàn)了中國科學(xué)院在基礎(chǔ)理論創(chuàng)新和前沿技術(shù)探索方面的深厚積累與戰(zhàn)略引領(lǐng)作用。
（3）從技術(shù)創(chuàng)新質(zhì)量來看，頭部企業(yè)技術(shù)原創(chuàng)性突出。海爾(37.0%)、LG(57.2%)、三星(42.1%)的高價(jià)值專利占比顯著高于行業(yè)平均，反映其在材料科學(xué)、系統(tǒng)集成等原創(chuàng)性技術(shù)上的優(yōu)勢；高校(中國科學(xué)院42.5%、西安交大40.9%)的高價(jià)值專利占比也較高，說明基礎(chǔ)研究的原創(chuàng)性成果向高價(jià)值專利轉(zhuǎn)化效率高。而部分企業(yè)(如中國建筑集團(tuán)40項(xiàng)占17.7%)或科研機(jī)構(gòu)(如天津大學(xué)68項(xiàng)占28.3%)占比偏低，反映技術(shù)原創(chuàng)性或產(chǎn)業(yè)應(yīng)用深度有待提升。
3.4 專利技術(shù)方向情況
國際專利分類(IPC)是國際通用的、標(biāo)準(zhǔn)化的專利技術(shù)分類體系，蘊(yùn)含著豐富的專利技術(shù)信息。通過對儲熱儲冷技術(shù)專利的IPC進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，可以準(zhǔn)確、及時(shí)地獲取該領(lǐng)域涉及的主要技術(shù)主題和研發(fā)重點(diǎn)。本次分析的儲熱儲冷技術(shù)專利中，共涉及超過500個(gè)IPC分類號，其中TOP15的IPC分類號及其申請情況如表3所示，可以看出，儲熱儲冷技術(shù)專利申請主要集中在以下方面：
表3 2016—2025年全球儲熱儲冷領(lǐng)域發(fā)明專利主要技術(shù)方向(基于IPC小組前15位)
Table 3 Main technical directions of invention patents in the global thermal energy storage technology field (2016—2025) (based on the top 15 IPC groups)
（1）以空調(diào)系統(tǒng)為核心載體的儲冷應(yīng)用場景。F24F5/00(空調(diào)系統(tǒng)或設(shè)備，10654項(xiàng))是儲冷技術(shù)的核心應(yīng)用方向，專利數(shù)量遠(yuǎn)超其他類別，反映儲冷技術(shù)在建筑溫控、工業(yè)制冷等領(lǐng)域的產(chǎn)業(yè)化需求旺盛。空調(diào)系統(tǒng)作為儲冷技術(shù)的典型應(yīng)用終端，其專利布局涵蓋系統(tǒng)設(shè)計(jì)、溫控算法、能效優(yōu)化等維度，體現(xiàn)了儲冷技術(shù)從“基礎(chǔ)研發(fā)”向“場景應(yīng)用”的轉(zhuǎn)化邏輯。
（2）以蓄熱設(shè)備為重點(diǎn)研發(fā)對象的儲熱技術(shù)。F28D20/00(一般蓄熱設(shè)備或裝置，9213項(xiàng))是儲熱技術(shù)的核心載體，涵蓋顯熱、潛熱等多種儲熱形式，專利數(shù)量僅次于空調(diào)系統(tǒng)，凸顯儲熱在能源系統(tǒng)中的戰(zhàn)略地位。其中，F(xiàn)28D20/02(利用潛熱的一般性蓄熱裝置或設(shè)備，5158項(xiàng))作為儲熱技術(shù)的創(chuàng)新熱點(diǎn)，相變材料(PCM)等潛熱技術(shù)憑借高儲熱密度、溫度穩(wěn)定性等優(yōu)勢，在長時(shí)儲能、跨季節(jié)調(diào)峰等場景具有廣泛應(yīng)用潛力，其專利數(shù)量占比超55%，反映技術(shù)原創(chuàng)性與產(chǎn)業(yè)化需求的結(jié)合。
（3）系統(tǒng)優(yōu)化與組件設(shè)計(jì)。F25D29/00(冷凍設(shè)備控制或安全裝置的布置或安裝，8492項(xiàng))、F25D23/00(冷凍設(shè)備一般結(jié)構(gòu)特征，6510項(xiàng))及F25B49/02(用于壓縮式機(jī)器、設(shè)備或系統(tǒng)，5932項(xiàng))等方向?qū)＠麛?shù)量突出，反映技術(shù)向系統(tǒng)優(yōu)化和組件設(shè)計(jì)方向延伸。
整體來看，儲熱儲冷技術(shù)的IPC分布既反映了儲冷在建筑與工業(yè)領(lǐng)域的規(guī)?；瘧?yīng)用需求，也凸顯了儲熱技術(shù)在能源系統(tǒng)中的基礎(chǔ)地位，同時(shí)通過組件技術(shù)的創(chuàng)新推動系統(tǒng)效率提升，為技術(shù)迭代與產(chǎn)業(yè)落地提供了方向指引。
3.5 專利技術(shù)熱點(diǎn)分析
圖5展示了2016—2025年儲熱儲冷技術(shù)專利關(guān)鍵詞的詞云分布，高頻詞匯直觀反映了該領(lǐng)域的技術(shù)研發(fā)熱點(diǎn)與核心方向。從詞云中可見，“儲能系統(tǒng)”“儲熱系統(tǒng)”“換熱效率”“相變材料”等關(guān)鍵詞突出明顯，結(jié)合技術(shù)發(fā)展脈絡(luò)，可將其歸納為以下三大研發(fā)熱點(diǎn)：
圖5 2016—2025年儲熱儲冷技術(shù)相關(guān)專利關(guān)鍵詞詞云情況
Fig. 5 Keyword word cloud of patents related to thermal energy storage technology from 2016 to 2025
（1）底層發(fā)展邏輯：詞云中“儲能系統(tǒng)”“儲熱系統(tǒng)”為核心詞匯，二者是儲熱儲冷技術(shù)的核心載體。儲能系統(tǒng)聚焦跨能源耦合、長時(shí)儲能等方向，解決可再生能源波動問題；儲熱系統(tǒng)涵蓋顯熱、潛熱等儲熱形式，應(yīng)對能源時(shí)間錯配。二者共同構(gòu)成技術(shù)發(fā)展底層邏輯，反映儲熱儲冷技術(shù)從單一儲熱向綜合能源系統(tǒng)的升級。
（2）材料與性能創(chuàng)新：“相變材料”“蓄冷材料”“換熱效率”是詞云中顯著的關(guān)鍵詞，體現(xiàn)材料創(chuàng)新與性能優(yōu)化的協(xié)同作用。相變材料(PCM)憑借高儲熱密度、溫度穩(wěn)定性，成為長時(shí)儲能、跨季節(jié)調(diào)峰的核心材料；蓄冷材料則聚焦低溫儲冷場景(如疫苗冷鏈)；換熱效率則是儲熱儲冷系統(tǒng)的技術(shù)瓶頸，專利布局涵蓋熱交換器設(shè)計(jì)、流體循環(huán)優(yōu)化等方向，旨在提升能量轉(zhuǎn)換效率。三者共同推動儲熱儲冷技術(shù)的迭代，是技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵支撐。
（3）應(yīng)用場景拓展：“儲藏室”等詞匯的出現(xiàn)，表明儲熱儲冷技術(shù)的應(yīng)用場景不再局限于傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)和工業(yè)余熱利用，而是向冷鏈物流、建筑節(jié)能等多元領(lǐng)域拓展。相關(guān)專利布局聚焦于低溫儲冷(如疫苗冷鏈的精準(zhǔn)溫控維持)以及高性能絕熱材料(以滿足醫(yī)療、建筑等領(lǐng)域的差異化需求)。
綜上所述，三大研發(fā)熱點(diǎn)分別從底層邏輯、材料性能、應(yīng)用拓展三個(gè)維度，清晰呈現(xiàn)儲熱儲冷技術(shù)發(fā)展的全鏈條。隨著專利技術(shù)的不斷積累與成熟，儲熱儲冷技術(shù)已走出實(shí)驗(yàn)室，在多個(gè)關(guān)鍵場景中實(shí)現(xiàn)了規(guī)?；瘧?yīng)用。
Part.4
儲熱儲冷應(yīng)用場景分析
儲熱儲冷技術(shù)作為實(shí)現(xiàn)能量時(shí)空轉(zhuǎn)移、提升能源系統(tǒng)靈活性與效率的關(guān)鍵載體，其應(yīng)用已滲透至能源生產(chǎn)、轉(zhuǎn)換、輸配與消費(fèi)的全鏈條。國際可再生能源署(IRENA)《Innovation Outlook: Thermal Energy Storage》明確將儲熱儲冷技術(shù)劃分為電力、工業(yè)、建筑三大應(yīng)用領(lǐng)域，并強(qiáng)調(diào)跨季節(jié)、多能互補(bǔ)等集成應(yīng)用。而中關(guān)村儲能產(chǎn)業(yè)技術(shù)聯(lián)盟(CNESA)等權(quán)威機(jī)構(gòu)進(jìn)一步將其細(xì)分到清潔供暖、工業(yè)蒸汽、余熱回收、火電靈活性改造、綜合能源服務(wù)等具體場景。結(jié)合前文對技術(shù)原理與專利熱點(diǎn)的分析，可見技術(shù)創(chuàng)新正直接賦能產(chǎn)業(yè)落地。因此，本文重點(diǎn)從電力系統(tǒng)、工業(yè)領(lǐng)域、建筑城鎮(zhèn)、特殊場景及綜合集成五個(gè)維度(圖6)，系統(tǒng)揭示儲熱儲冷技術(shù)在不同場景下的驅(qū)動因素、發(fā)展現(xiàn)狀與典型案例。
圖6 儲熱儲冷技術(shù)五大應(yīng)用場景示意圖
Fig. 6 Schematic diagram of five application scenarios for thermal energy storage technology
4.1 電力系統(tǒng)與可再生能源
全球能源轉(zhuǎn)型的核心矛盾在于可再生能源的波動性與電力系統(tǒng)實(shí)時(shí)平衡的剛性要求之間的矛盾。IEA明確指出，當(dāng)風(fēng)電和光伏發(fā)電占比超過15%～20%時(shí)，系統(tǒng)對超過8小時(shí)甚至數(shù)日的長時(shí)儲能需求將呈指數(shù)級增長，以解決其間歇性、反調(diào)峰特性帶來的系統(tǒng)平衡與容量充裕性挑戰(zhàn)。為滿足上述對大規(guī)模、長周期靈活調(diào)節(jié)能力的剛性需求，儲熱儲冷技術(shù)憑借其大容量、低成本和長壽命的優(yōu)勢，成為填補(bǔ)這一技術(shù)空白的關(guān)鍵解決方案。
熔鹽儲熱是已實(shí)現(xiàn)吉瓦時(shí)級商業(yè)化部署的主流長時(shí)儲能技術(shù)之一，但并非唯一路徑。例如，以熱水為介質(zhì)的顯熱儲熱技術(shù)也已實(shí)現(xiàn)吉瓦時(shí)級的工程應(yīng)用，如華能北京熱電廠投運(yùn)的“電熱協(xié)同”熱水儲罐，其儲熱容量達(dá)4500 GJ(約1.25 GWh)，可為區(qū)域提供連續(xù)6～7小時(shí)的穩(wěn)定供熱。以西班牙Gemasolar電站為例，其配備15小時(shí)熔鹽儲熱系統(tǒng)，年發(fā)電時(shí)間可達(dá)6500小時(shí)以上，容量因子超過75%，堪比基荷火電。新興的固體顆粒儲熱技術(shù)，如美國可再生能源實(shí)驗(yàn)室領(lǐng)導(dǎo)的“Enduring”項(xiàng)目，使用低成本陶瓷顆粒在高于1000℃下工作，目標(biāo)是將儲能成本降至15美元/kWh以下，為更長周期儲能提供了可能路徑。此外，固體電蓄熱裝置在火電機(jī)組深度調(diào)峰等領(lǐng)域也已形成規(guī)?；瘧?yīng)用，單機(jī)規(guī)?？蛇_(dá)260兆瓦×7小時(shí)。
這些大規(guī)模儲熱儲冷技術(shù)的成熟與應(yīng)用，其根本意義在于它們能夠?qū)⒈旧黼y以調(diào)度的可再生能源，轉(zhuǎn)化為高價(jià)值的可控資產(chǎn)，從而在電力市場中創(chuàng)造明確的經(jīng)濟(jì)信號。儲熱技術(shù)的應(yīng)用場景已從太陽能光熱發(fā)電，擴(kuò)展至火電靈活性改造、壓縮空氣儲能系統(tǒng)配套等多元領(lǐng)域，顯著提升了電力系統(tǒng)的調(diào)節(jié)能力與可再生能源消納水平。在美國PJM等電力市場中，配備儲熱的光熱電站可通過同時(shí)參與能量市場與容量市場獲得穩(wěn)定收益。研究表明，在可再生能源滲透率高的地區(qū)，儲熱時(shí)長從6小時(shí)增至12小時(shí)可使其電力價(jià)值提升25%～40%。
4.2 工業(yè)領(lǐng)域
2025年，國際能源署《Energy Efficiency 2025》報(bào)告中明確指出，工業(yè)部門是全球能源需求的最大單一部門，約占全球最終能源消費(fèi)的40%左右，其中過程供熱約占工業(yè)能源的74%，且大量中低溫(150～400℃)余熱未被利用。工業(yè)深度脫碳面臨燃料替代、余熱資源化及工藝穩(wěn)定性三大重要挑戰(zhàn)。面對工業(yè)熱能的多元化與高品質(zhì)需求，單一儲熱技術(shù)難以應(yīng)對，這驅(qū)動了針對不同溫區(qū)、熱源形態(tài)和應(yīng)用場景的差異化技術(shù)路徑發(fā)展。
針對不同溫區(qū)，技術(shù)呈現(xiàn)差異化應(yīng)用。對于蒸汽系統(tǒng)，蒸汽蓄熱器是成熟技術(shù)，可助力鍋爐實(shí)現(xiàn)高達(dá)80%的負(fù)荷調(diào)節(jié)范圍。在更高溫度區(qū)間(>500℃)，如鋼鐵行業(yè)，高溫復(fù)合相變材料和熱化學(xué)儲熱正從示范走向應(yīng)用。最新研究顯示，采用基于金屬氧化物的熱化學(xué)儲熱系統(tǒng)回收高溫廢氣，可將工業(yè)爐的燃料效率提升10%以上。在食品加工等低溫領(lǐng)域，相變儲熱已用于精確控制巴氏殺菌溫度曲線。這些針對特定場景的技術(shù)發(fā)展，正進(jìn)一步向系統(tǒng)集成方向演進(jìn)。例如，在水泥、冶金等行業(yè)，通過集成中低溫余熱回收與儲熱系統(tǒng)，可將間歇性廢熱轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定熱源，直接回用于生產(chǎn)流程或區(qū)域供熱，這標(biāo)志著儲熱技術(shù)從單一設(shè)備節(jié)能向系統(tǒng)級能源協(xié)同優(yōu)化的關(guān)鍵轉(zhuǎn)變。2024年中國能源研究會發(fā)布的《面向雙碳目標(biāo)的新型智慧供熱發(fā)展藍(lán)皮書》指出，這種系統(tǒng)化應(yīng)用正是實(shí)現(xiàn)工業(yè)供熱從“以熱定產(chǎn)”向“以儲優(yōu)產(chǎn)”智慧模式轉(zhuǎn)型的核心，通過儲熱解耦剛性供需，為工業(yè)流程大規(guī)模接入可再生能源奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。
這些精準(zhǔn)匹配工業(yè)流程的技術(shù)應(yīng)用，直接作用于生產(chǎn)過程的能耗與碳排放核心環(huán)節(jié)，其價(jià)值因而能夠被清晰量化和捕捉。例如，我國2024年投產(chǎn)的甘肅玉門“光熱?+?光伏?+?風(fēng)電”多能互補(bǔ)示范項(xiàng)目，采用二元熔鹽(NaNO3+?KNO3)作為高溫儲熱介質(zhì)，配備8?h熔鹽儲熱系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了內(nèi)部收益率(IRR)超過17%，投資回收期約7年，年碳減排135.3?萬噸。
4.3 建筑與城鎮(zhèn)
關(guān)鍵在于實(shí)現(xiàn)供熱電氣化并與波動性可再生能源發(fā)電協(xié)同，同時(shí)降低對峰值電網(wǎng)容量的需求。這一需求決定了建筑領(lǐng)域的儲熱儲冷技術(shù)必須兼顧與建筑本體的高度集成、適應(yīng)分散化能源結(jié)構(gòu)，并滿足終端用戶的經(jīng)濟(jì)性與舒適性要求。
為此，所選用的儲熱儲冷技術(shù)方案與應(yīng)用規(guī)模緊密相關(guān)。在單體建筑層面，微膠囊相變材料(MPCM)摻入石膏板或混凝土中，可顯著平滑室內(nèi)溫度波動并延遲熱負(fù)荷峰值。基于數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的結(jié)果顯示，針對典型住宅建筑，年度能耗降低9%～18%，而在高峰時(shí)段的空調(diào)負(fù)荷削減可達(dá)30%～35%。在區(qū)域?qū)用?，ATES(利用地下含水層)和BTES(鉆孔陣列)在瑞典、挪威、芬蘭等國已廣泛部署，形成季節(jié)性熱能調(diào)節(jié)的核心技術(shù)。例如，丹麥H?je Taastrup區(qū)域能源系統(tǒng)采用巖石介質(zhì)的鉆孔儲熱(BTES)，配合太陽能集熱器在夏季儲熱，冬季釋放供熱，能夠滿足約50%以上的冬季供熱需求，在當(dāng)?shù)氐墓峤Y(jié)構(gòu)中占據(jù)重要比例。在全球?qū)嵺`的基礎(chǔ)上，儲熱技術(shù)在構(gòu)建低碳城鎮(zhèn)供熱系統(tǒng)中的作用愈發(fā)凸顯。特別是在中國推進(jìn)清潔供暖的背景下，相變儲熱模塊與熱泵耦合、利用低谷電的固體蓄熱等技術(shù)，正廣泛應(yīng)用于建筑節(jié)能改造，有效替代散煤燃燒。未來的城鎮(zhèn)智慧能源系統(tǒng)將呈現(xiàn)“多熱源聯(lián)網(wǎng)、分布式儲熱”的架構(gòu)，其中廣泛分布的儲熱單元將成為協(xié)調(diào)多方熱源、匹配多元化用戶需求、提升整個(gè)系統(tǒng)靈活性與韌性的關(guān)鍵樞紐。
從微觀的材料集成到宏觀的系統(tǒng)工程，儲熱技術(shù)的多層應(yīng)用共同改變了建筑能源消費(fèi)的時(shí)空特性，從而催生出多元化的價(jià)值實(shí)現(xiàn)渠道。對用戶，通過利用峰谷電價(jià)差直接節(jié)約電費(fèi)；對電網(wǎng)，聚合的儲熱資源可作為虛擬電廠提供需求響應(yīng)；對環(huán)境，可大幅降低建筑碳排放。歐盟“熱力路線圖”研究指出，大規(guī)模部署區(qū)域儲熱是2050年實(shí)現(xiàn)建筑零碳供熱成本最低的路徑。
4.4 特殊場景與新興應(yīng)用
數(shù)據(jù)中心、移動電子設(shè)備、生物醫(yī)療冷鏈等場景對熱管理提出了極高功率密度(>100 W/cm2)、極端溫度精確控制(±0.5℃)或極小空間集成的極限要求。如此苛刻的性能邊界，遠(yuǎn)超傳統(tǒng)儲熱技術(shù)的設(shè)計(jì)范疇，從而成為驅(qū)動材料科學(xué)和熱設(shè)計(jì)前沿創(chuàng)新的電動力來源。
這些需求驅(qū)動了顛覆性技術(shù)創(chuàng)新。在數(shù)據(jù)中心，針對AI芯片的爆發(fā)式熱流密度，兩相浸沒式相變液冷成為前沿方案，有研究表明，該技術(shù)可使AI芯片散熱能力比傳統(tǒng)風(fēng)冷高兩個(gè)數(shù)量級。在醫(yī)療冷鏈運(yùn)輸中，采用生物基相變材料的被動保溫箱，可在約2℃處實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的熱調(diào)節(jié)，同時(shí)集成抗菌和抗氧化特性，提升產(chǎn)品安全性，與傳統(tǒng)泡沫相比，碳足跡降低了25%。此外，相關(guān)專利申請中“真空絕熱體”和“精確溫控”技術(shù)的快速增長(詳見第3.5節(jié))，直接支撐了浸沒式液冷等前沿方案的落地。
在這些以性能為首要目標(biāo)的領(lǐng)域，技術(shù)的成功應(yīng)用不僅解決了特定痛點(diǎn)，更驗(yàn)證了新材料和新原理的極限潛力，扮演了技術(shù)孵化器的角色，其驗(yàn)證的高性能材料(如高導(dǎo)熱復(fù)合材料)和微型化設(shè)計(jì)理念，未來有望降維滲透至消費(fèi)電子等大規(guī)模民用市場。
4.5 跨領(lǐng)域與綜合集成
碳中和目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)要求電、熱、氣、交通等多能源系統(tǒng)進(jìn)行一體化規(guī)劃與協(xié)同運(yùn)行，以追求全系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性與碳排量最優(yōu)。為此，儲熱儲冷技術(shù)不再只是被動儲存熱量，而是主動調(diào)節(jié)電力與熱力兩個(gè)子系統(tǒng)之間的能量流動，實(shí)現(xiàn)跨時(shí)間尺度(從小時(shí)到日)的靈活緩沖。
為此，在此場景下可集成的應(yīng)用技術(shù)包括：①電-熱深度耦合，在“Power-to-Heat-to-Power”循環(huán)中，過剩電力通過電阻或熱泵轉(zhuǎn)化為熱儲存，必要時(shí)再通過熱機(jī)發(fā)電。例如，哈爾濱工業(yè)大學(xué)研究表明，基于熱泵的電轉(zhuǎn)熱和基于熱機(jī)的熱轉(zhuǎn)電組合，雖往返效率受技術(shù)路線影響，但在特定配置下，其整體往返效率可達(dá)到40%～50%，這使其成為極具競爭力的長時(shí)儲能方案之一，尤其是在解決可再生能源的季節(jié)性消納問題上。②工業(yè)-城市共生，瑞典斯德哥爾摩10000戶家庭的年度供暖需求由數(shù)據(jù)中心余熱和熱泵提供，實(shí)現(xiàn)了跨行業(yè)的高效能源復(fù)用。
儲熱儲冷設(shè)備在能源網(wǎng)絡(luò)中充當(dāng)了跨能源品種、跨時(shí)間尺度的緩沖與調(diào)度樞紐作用，通過智慧能源管理平臺實(shí)現(xiàn)多主體協(xié)同，提升整個(gè)能源基礎(chǔ)設(shè)施的利用率和投資效率。例如，天津大學(xué)研究人員多主體博弈優(yōu)化模型證明，合理配置熱儲能，可以顯著提高可再生能源就地消納率，并降低系統(tǒng)總運(yùn)行成本。
Part.5
總結(jié)與展望
5.1 總結(jié)
（1）全球戰(zhàn)略共識形成，發(fā)展路徑各具特色。儲熱儲冷技術(shù)已被美國、歐盟、日本、中國等主要經(jīng)濟(jì)體提升至國家戰(zhàn)略高度，視為實(shí)現(xiàn)能源系統(tǒng)脫碳與靈活性的關(guān)鍵技術(shù)。美國側(cè)重于通過政策激勵與市場機(jī)制推動長時(shí)儲能商業(yè)化；歐盟以法規(guī)驅(qū)動供熱脫碳與系統(tǒng)集成；日本聚焦于能效提升與分布式能源管理；中國則依托國家工程驅(qū)動，正快速形成全產(chǎn)業(yè)鏈的規(guī)?；l(fā)展優(yōu)勢。
（2）技術(shù)路線明確，研發(fā)活躍但不均衡。技術(shù)層面，顯熱、潛熱、熱化學(xué)儲熱各具特點(diǎn)且互補(bǔ)發(fā)展，分別滿足不同溫區(qū)與時(shí)長的儲能需求。結(jié)合2016—2025年的專利分析，全球儲熱儲冷技術(shù)經(jīng)歷了從穩(wěn)步增長到快速爆發(fā)，再到近期波動調(diào)整的發(fā)展周期，表明技術(shù)正從積累期邁向成熟期。中國在專利申請總量上占據(jù)絕對主導(dǎo)地位，體現(xiàn)了巨大的研發(fā)投入與市場潛力，但在高價(jià)值專利占比上仍落后于美國、日本和韓國，反映出在技術(shù)原創(chuàng)性與高端化方面尚有提升空間。以空調(diào)系統(tǒng)為代表的儲冷應(yīng)用和以相變材料為核心的儲熱技術(shù)是當(dāng)前創(chuàng)新最活躍的領(lǐng)域。
（3）應(yīng)用場景多元化，價(jià)值實(shí)現(xiàn)路徑清晰。儲熱儲冷技術(shù)的應(yīng)用已深度滲透至能源系統(tǒng)的各個(gè)環(huán)節(jié)。在電力系統(tǒng)中，它作為長時(shí)儲能的關(guān)鍵方案，將波動性可再生能源轉(zhuǎn)化為可控資源；在工業(yè)領(lǐng)域，它通過精準(zhǔn)匹配不同溫區(qū)的熱能需求，實(shí)現(xiàn)深度節(jié)能與降碳；在建筑與城鎮(zhèn)中，它從單體材料集成到區(qū)域能源系統(tǒng)，重塑了能源消費(fèi)的時(shí)空特性；在數(shù)據(jù)中心、醫(yī)療冷鏈等特殊場景中，它驅(qū)動了前沿?zé)峁芾砑夹g(shù)的突破；在跨領(lǐng)域集成中，它充當(dāng)了多能源系統(tǒng)協(xié)同的“柔性樞紐”。這些多元化的應(yīng)用場景為儲熱儲冷技術(shù)提供了明確的經(jīng)濟(jì)價(jià)值與碳減排價(jià)值。
5.2 展望
面向碳中和的宏偉目標(biāo)，儲熱儲冷技術(shù)將迎來更廣闊的發(fā)展機(jī)遇，同時(shí)也面臨更高要求。綜合前文對全球戰(zhàn)略布局、技術(shù)分類、專利態(tài)勢及應(yīng)用場景痛點(diǎn)的多維分析表明，盡管顯熱與潛熱技術(shù)已逐步成熟，但熱化學(xué)儲熱仍受制于材料性能瓶頸，且專利熱點(diǎn)聚焦于“儲能系統(tǒng)”與“換熱效率”，揭示了技術(shù)從單體材料向深度系統(tǒng)集成演進(jìn)的必然趨勢。同時(shí)，全球主要經(jīng)濟(jì)體的差異化路徑及典型場景的經(jīng)濟(jì)性分析指出，單純的技術(shù)攻關(guān)亟需通過商業(yè)模式創(chuàng)新與市場機(jī)制完善來實(shí)現(xiàn)從“政策驅(qū)動”向“市場驅(qū)動”的跨越。此外，國際經(jīng)驗(yàn)也凸顯了加強(qiáng)標(biāo)準(zhǔn)合作與構(gòu)建全球化產(chǎn)業(yè)生態(tài)的戰(zhàn)略必要性?；谏鲜鲅信校磥響?yīng)重點(diǎn)關(guān)注以下方向：
（1）突破材料科學(xué)瓶頸，夯實(shí)技術(shù)基礎(chǔ)。當(dāng)前，材料性能仍是制約儲熱儲冷技術(shù)經(jīng)濟(jì)性與效率的核心因素。未來應(yīng)著力研發(fā)低成本、高能量密度、長循環(huán)壽命的新一代儲熱材料，特別是適用于超高溫(>1000℃)的熱化學(xué)儲熱材料、具有高導(dǎo)熱性能的復(fù)合相變材料，以及適用于生物醫(yī)療等領(lǐng)域的綠色環(huán)保蓄冷材料。同時(shí)，需攻克高溫熔鹽泵、高效換熱器等關(guān)鍵部件的制造技術(shù)，提升國產(chǎn)化率與系統(tǒng)可靠性。
（2）深化“儲能+”系統(tǒng)集成，邁向智慧化與精細(xì)化。未來的儲熱儲冷技術(shù)將不再是孤立的設(shè)備，而是深度融入能源互聯(lián)網(wǎng)的智能終端。應(yīng)大力發(fā)展“儲熱儲冷+人工智能”的融合技術(shù)，利用數(shù)字孿生、大數(shù)據(jù)預(yù)測和智能優(yōu)化算法，實(shí)現(xiàn)對儲熱儲冷系統(tǒng)的精準(zhǔn)預(yù)測、協(xié)同調(diào)度與需求響應(yīng)。此外，應(yīng)探索儲熱儲冷與可再生能源、氫能、碳捕集等多能源系統(tǒng)的深度耦合模式，構(gòu)建多能互補(bǔ)的綜合能源系統(tǒng)，最大化系統(tǒng)整體能效與經(jīng)濟(jì)效益。
（3）創(chuàng)新商業(yè)模式與市場機(jī)制，激活產(chǎn)業(yè)內(nèi)生動力。為推動儲熱儲冷技術(shù)從“政策驅(qū)動”向“市場驅(qū)動”轉(zhuǎn)變，亟需建立能夠充分體現(xiàn)其多維價(jià)值(如容量價(jià)值、調(diào)峰價(jià)值、碳減排價(jià)值)的電力市場與熱力市場機(jī)制。探索將儲熱儲冷納入容量市場、輔助服務(wù)市場，并開發(fā)基于碳交易的收益模式。同時(shí)，推廣合同能源管理、儲能租賃等多元化商業(yè)模式，降低用戶初始投資門檻，加速技術(shù)的商業(yè)化落地。
（4）加強(qiáng)國際標(biāo)準(zhǔn)與合作，構(gòu)建全球化產(chǎn)業(yè)生態(tài)。隨著儲熱儲冷技術(shù)的全球化應(yīng)用，統(tǒng)一的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、測試規(guī)程和安全規(guī)范至關(guān)重要。未來應(yīng)加強(qiáng)國際交流與合作，共同推動儲熱儲冷技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的制定與互認(rèn)，消除貿(mào)易壁壘，促進(jìn)全球產(chǎn)業(yè)鏈的協(xié)同發(fā)展。通過共享技術(shù)成果與示范項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)，加速儲熱儲冷技術(shù)在全球范圍內(nèi)的規(guī)?；渴?，為全球能源轉(zhuǎn)型貢獻(xiàn)中國力量。
