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利用储存在沙子中的太阳能为建筑物供暖

芬兰的一家初创公司 Polar Night Energy 开发出了一种新技术，利用储存在沙子中的太阳能热量为建筑物供暖。该团队通过热仿真优化了热存储和热分配系统的设计，帮助芬兰的城市减少了不可再生的供暖燃料的消耗。

作者 Alan Petrillo
2022 年 2 月

当我们试图客观地研究自然时，经常需要考虑自然力量对个人的影响。我们可以坐在办公桌前研究各种形式的传热，但如果我们的脚趾头是冰冷的，可能就会注意力不集中。当我们打开家里和工作场所的暖气时，必须平衡个人的供暖需求与燃烧石油、天然气、煤炭和生物燃料等化石燃料对全球产生的影响。人为活动引起的气候变化给人类带来了挑战：我们如何在保持温暖的同时，又努力阻止全球变暖？

在寒冷的小国芬兰（图1）， 初创公司 Polar Night Energy 正在尝试解决这个棘手的问题。在以漫长黑暗的冬夜而闻名的芬兰城市 Tampere，Polar Night Energy 公司正在建立一个系统，该系统可以用储存的太阳能在整个冬季为建筑物提供全天24小时供暖。Polar Night Energy 公司解决的问题并不止于此。一些复杂的清洁能源技术解决方案通常需要稀有且昂贵的材料，而 Polar Night Energy 公司的储热和分配系统由简单的管道、泵、阀门和沙子组成。这个新颖的系统具有以一种可持续的、全面的和人性化的方式解决全球问题的潜力。

一个有巨大供暖需求的小国家

大型问题需要大型解决方案，21 世纪最大的问题或许就是气候变化。为了解决这个难题，许多政府和组织正在投资开发新技术，以帮助减少化石燃料的使用。这些举措主要集中在可再生能源的开发、分配和储存方面。

当提到清洁能源时，人们通常想到的是电能，” Polar Night energy 公司的首席执行官 Tommi Eronen 说，“但我们也必须减少热排放。”在芬兰的能源相关排放中，82% 来自家庭建筑的供暖排放 (参考文献1)。Eronen 表示：“如果我们希望实现全球气候目标，就要取代所有这些热排放。”

放眼全球，立足热源

全球性思考，本地化行动"，这个源于 20 世纪 60 年代的精神理念在 Polar Night Energy 的创始团队中得以延续。Tommi Eronen 和 Markku Ylönen 是该团队的创始人，他们在读大学时提出一个问题：是否有可能仅利用太阳能为工程师们建立一个能源自给自足且低成本的“嬉皮士社区”？毕业后，他们将"嬉皮士社区"项目创立为 Polar Night Energy 公司，并由 Eronen 担任首席执行官，Ylönen 担任首席技术官。

从一个轻松（但严肃）的学生项目开始，最终 Polar Night Energy公司在芬兰城市 Tampere 建立了一个 3 MWh /100 kW 的试点工厂，并在 2020—2021 年冬季开始运行。该系统利用电能加热空气，空气通过一个交换器进行循环，将水加热并分配到该市 Hiedanranta 地区的多个建筑（图2）。

该系统中，电能驱动的电阻式加热元件将空气加热到超过 600℃，热空气通过一个填满沙子的储热容器内的管网进行循环，水在这个过程中被加热后在建筑物供暖系统中循环流动。沙子的储热能力确保了即使在电阻元件冷却时，循环空气的热量仍然足够使水（和建筑物）保持温暖。

“ 我们的系统只有管道、阀门、风扇和电热元件，并没有特殊的组件。” Eronen 笑着说。

由沙子制作的热能电池

著名的化学工程师 Donald Sadoway 曾经说过：“如果你想制造一个廉价的电池，就不得不使用泥土”。Polar Night Energy 公司的储热系统也面临着与其他能源基础设施相同的关键性挑战。储能系统必须在人们需要的时间和地点，以可控的价格提供电能。这意味着电能的储存和分配与生产同样重要。现有的基础设施均采用了相似的方法来解决这一关键问题。对于以燃料为基础的供暖，可以将石油和天然气等燃料储存起来，并转移到可以燃烧的地方。电网同样支持电能的有效分配，并利用风能和太阳能等可再生能源发电。然而，一个棘手的问题是日光和强风属于间歇性能源，在可再生能源输入的高峰期和低谷期，需要储存能源来保持稳定的电能输出。但是，即使电池技术取得了最新进展，储存电能的成本仍然相对昂贵，特别是大规模的建筑物供暖需求。如果“电池 ”不是储存电能，而是储存热能呢？

许多传统的供暖系统通过储存和循环温水来储存和分配热量。Eronen 和 Ylönen 看到了基于水储热的优点，但同时也意识到这种方式有一定的局限性。Eronen 解释道：“在水变成蒸汽之前，能添加到水中的热量是有限的。蒸汽可以有效地分配热量，但对于大规模存储来说，它并不划算。” 为了避免水储存热量的缺点，他们使用了 42 公吨的沙子来替代水储存热量（图3）。当太阳落山后，沙子中储存的热量会逐渐释放回到循环气流中，这使得空气具有足够的热量使流过散热器中的水保持稳定的温度。即使是在芬兰最黑暗和最寒冷的夜晚，这种用沙子储存太阳能的方式能够为人们持续供暖。” 沙子的储能能力是水的 4 倍。沙子高效、无毒，可以移动而且便宜！" Eronen 介绍道。

简单解决方案背后的复杂分析

成本效益是 Polar Night Energy 公司的基本价值观。Eronen 说：“ 当我们决定实施这一理念时，我们试图算清楚成本 ”。在追求以低成本获得高收益的过程中，Polar Night Energy 长期以来一直依靠数值仿真技术。Eronen 和 Ylönen 在学生时代就开始使用 COMSOL Multiphysics® 软件，该软件一直是他们设计过程中不可或缺的工具。例如，Eronen 提到他需要计算一个扩容的储热系统，该系统将为Tampere的更多建筑供暖。经团队计算，为一个拥有 35000 人口的地区供热，需要一个高 25 米、直径 40 米的填满沙子的储存罐。他们是如何得出这些尺寸的？“所需材料的大致数量实际上很容易计算，因为我们知道1立方米的沙子可以储存多少热量。”Eronen 解释说，“ 我们还必须确定在沙子和空气循环系统之间有效传热所需的空间（图4），这一点更难做到！”。我们使用了 COMSOL® 来建模并评估不同的设计方案"。

多物理场仿真软件帮助 Polar Night Energy 完成了他们的热交换器设计（图5-图6）。“如果建造一个由加热管围绕的的超热沙芯会怎么样？我们建立了一个特殊的模型来探索这个设计理念。”Eronen 说道。通过在 COMSOL Multiphysics® 软件中对流体流动和传热效应进行仿真，Polar Night Energy 团队可以对换热器设计的相对优势和缺点进行量化。“ 仿真结果证实，‘热芯’设计能够在很长一段时间内储存热量，但对于我们预定的操作周期来说，更合理的做法是将热空气管道均匀地分布在整个储沙容器中。” 他解释说。

Polar Night Energy 公司基于沙子的大规模的储热系统使得仿真软件不可或缺。“我们不可能建造全尺寸原型来测试我们所有的想法。在开始组装所有这些设备和沙子之前，我们需要仿真模型来预测尽可能多的情况! ” Eronen 说，“我们必须使用这些非常强大的技术。”

将新理念应用于现有的基础设施

通过将储热任务与生产和分配热能分开，Polar Night Energy 公司的储热系统变得更加高效且适应性强。将他们的填沙式储热和传热系统用于改造现有的供暖基础设施具有很大的潜力（图7）。拥有近 25 万人口的芬兰内陆工业城市 Tampere 是这一新技术的理想试验场。“ 像许多欧洲城市一样，Tampere 已经有一个区域供暖系统，可以通过水循环为整个街区提供热能。” Eronen介绍说，“ 这使我们能够迅速地将许多建筑转变为可再生热源。Polar Night Energy 在 Tampere 的试点基地还可以利用已有的电网电力，以及新兴太阳能电板产生的电能。可靠的储热系统使该城市能够以最低的成本发电或购买电能，并在最需要的时候分配热量。

今天：芬兰，未来：世界

自从 Tampere 的储热系统在 2020-2021 年冬季开始运行以来，Polar Night Energy 公司团队一直在收集数据，并与他们的模型进行比较。“ 我们的模拟已被准确验证，这是非常鼓舞人心的。” Eronen 说道。随着 Polar Night Energy 公司继续在当地发展他们理念的同时，公司团队也计划在全球范围内采取行动。这项为芬兰漫长的寒夜带来温暖的技术，同时也可以为世界其他地区提供更好的能源管理选择。价格低廉的储热技术可以帮助工业和城市收集目前被浪费的热量，并且可以平衡风能和太阳能产出的不一致性。尽管 Polar Night Energy 公司期望与潜在客户直接合作，但他们也意识到，未来的挑战太大，他们无法独自应对。

“我们想授权这项技术。如果你经营一家发电厂，请与我们联系。” Eronen 笑着说。在一个更严肃的问题上，他补充说：“我们必须摆脱所有类型的燃烧，甚至是生物燃料燃烧。我们需要保护和恢复森林，这样它们才能继续从空气中吸收碳。由于气候变化发生得如此之快，我们希望我们的理念能够尽快地传播出去。