新能源与高效节能

技术水平： 本项目拟以相变蓄能技术为核心，将太阳能光热能和可再生绿电能（夜间低谷电价形式）相结合，解决系统供能与负荷需求不匹配的技术瓶颈。本项目展开了微观材料、控制机制及系统构成三个层面的研究：（1）制备了高导热性能和高潜热属性的中温相变材料，分析其性能及优化组分；（2）开发了基于时间模式注意力机制和门控制单元相结合的深度学习模型（TPA-GRU），发展太阳能辐射精确预测方法，形成优先利用清洁低品位热能的蓄供热机制；（3）研究了以太阳能预测方法为调度依据和以相变蓄热为核心载体的多质热能蓄供热系统，探索多质热能的舒适性蓄供比规律，通过典型工况的长周期效果来评价系统的适用性、节能性及经济性。 产品和技术的创新性： （1）材料创新：发明新型高热物性相变材料及工艺 该项目制备的高性能相变蓄能材料是基于生物基热质材料萃取而得，具有完全安全无害、无腐蚀、无污染以及相变性能高等特性。与目前市场上应用的无机相变材料，如八水氢氧化钡和六水硝酸镁相比，该项目制备的相变蓄能材料无相分离、低过冷、对金属无腐蚀等问题，且无毒无害，不会污染环境；与有机石蜡相比，具有更高的导热系数与单位蓄热量；与水蓄热相比，具有更高蓄热密度和小得多的占地面积。 （2）技术创新：发展基于深度学习理论的太阳能辐射预测模型 本项目利用基于时间模式注意力机制和门控制单元相结合的深度学习模型（TPA-GRU来预测1-2天的太阳辐射强度，从而计算出未来1-2天太阳能集热所产生的热量，实现夜间低谷绿电与低品位太阳能光热最优化地协同作用，形成较小耗电量和最大化利用可再生能源的蓄供热机制，促进冬季北方城镇建筑节能和清洁供暖。 （3）应用创新：形成低品位热能应用最大化的蓄供协同机制 将太阳能等不同品位热能与相变蓄热耦合，建立通过实验验证的TRNSYS系统模型，研究利用太阳能预测模型协调多种热能供应以及调节蓄热量的方法，从而实现优先利用清洁低品位热能的蓄供热策略，并通过典型工况的全周期模拟手段来评价适用性、节能性及经济性。

市场规模及增长趋势： 利用可再生清洁能源供暖是我国实现节能减排、合理控制能源消耗总量的迫切需要。2021年3月份发布的《中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035年远景目标纲要》中指出，要因地制宜推动北方地区清洁取暖。2021年1月份，国家能源局下发的《关于因地制宜做好可再生能源供暖工作的通知》中指出，要科学统筹规划可再生能源供暖工作，做好可再生能源供暖与其他供暖方式的衔接工作，支持建设可再生能源与其他供暖方式相结合的互补供暖体系。促进可再生能源与常规能源供暖系统融合。鼓励大中型城市有供暖需求的民用建筑优先使用太阳能供暖系统。综上，发展以太阳能为主的相变蓄热技术是我国高质量发展和产业创新的重大需求。本项目将相变储能应用于供暖系统，可实现热源的高效经济利用，进而加快清洁供暖的推广，具有广阔的市场前景和应用价值，而且就目前人们对室内热舒适要求的增加，我国南方地区供暖需求增加，全国供暖面积增加，该项目的实际经济效益呈逐年增长趋势，预计未来十年内可达2000亿市场规模。 在当下“30·60”碳中和的背景下，政府各种鼓励政策下，掀起采用可再生能源蓄能的热潮。相较其他研究团队，本项目团队具有优势如下： 项目团队方面优势：首先申请人和团队成员在清洁能源供暖和相变蓄热方向进行了大量前期工作，并取得了丰硕的研究成果，先后主持了包括国家自然科学基金面上项目、国家自然科学基金青年项目、河北省自然科学基金面上及青年项目等纵向项目二十余项，服务企事业单位横向项目二十余项。 （1）国家自然基金面上项目：相变建筑热质结构蓄传热强化机理及蓄供能协同研究（51978231），在研； （2）国家自然科学基金面上项目：基于yolk-shell结构单元的三维有序大孔聚合物的构筑及其在级联催化反应中的应用（51573038），结题； （3）国家自然基金面上项目：干热岩跨/超临界管流与热储耦合非定常输运机理研究（52176183），在研； （4）国家自然基金青年项目：被动式超低能耗住宅细颗粒物扰量特性与控制机理研究（52108075），在研； （5）国家自然基金青年项目：基于多质热能耦合的叠动通风能质流梯级组织机理研究（52008147），在研； （6）国家青年自然基金项目：相变蓄热墙耦合太阳能热源蓄换热机理及辐射供暖特性研究（51408184），结题； （7）河北省自然基金面上项目：基于双级复合相变材料的建筑冷热蓄供结构释能机理研究（E2020202196），在研； （8）河北省自然基金青年项目：被动式相变蓄能屋顶调温特性研究（E2017202136），优秀结题； （9）天津市自然基金项目：建筑相变蓄热内围护结构调温机理及效果研究（15JCQNJC07800），结题； （10）河北省教育厅优秀青年基金：被动式相变蓄能墙蓄换热机理及多因素耦合敏感性研究（YQ2014005），结题； （11）河北省引进留学人员资助项目：基于低温/高导热相变热质的建筑清洁蓄供热关键技术研究（C20190507），在研； （12）十三五国家重点研发计划：干热岩能量获取及利用关键科学问题研究（2018YFB1501800），在研； （13）河北省自然基金青年项目：通风过滤系统对室内人员 PM2.5 沉降暴露量控制规律的理论和实验研究（E2020202147），在研。 项目团队获得依托相变蓄热领域研究成果获得省部级科技奖励三项： （1）2018年度天津市技术发明二等奖：基于中低温相变热质的建筑清洁蓄/供热关键技术研究与应用； （2）2018年度华夏建设科学技术二等奖：组合模块式相变蓄热供暖系统研究及应用； （3）2019年度中国公路学会科学技术二等奖：高速公路服务区透水铺装及超低能耗建筑关键技术研究。 项目团队授权相变蓄热专利及软著10项，发表高水平学术论文百余篇，其中SCI检索论文120余篇，ESI热点及高被引论文2篇；主编相变蓄热供暖行业标准1项及参编标准1项。 科研支撑方面优势：本项目依托单位河北工业大学是“211工程”重点大学和国家双一流建设高校，是河北省人民政府、天津市人民政府和教育部共建高校，科研实力雄厚。本项目团队所在二级单位能源与环境工程学院，具有动力工程及工程热物理一级博士学位授予权和供热、供燃气、通风及空调工程二级博士学位授予权，为天津市清洁能源利用与污染物控制重点实验室及天津市建筑供能技术工程中心等省部级科研机构的依托建设单位。申报单位拥有完备的实验测试仪器和数值计算平台用于本项目研究。具有足够的空间；PCM制作的实验条件齐全：高速分散器、声波细胞破碎器、多功能反应釜、变温控制恒温水浴、高温马佛炉等；PCM性能表征仪器齐全：DSC差示扫描量热仪、同步热分析仪、傅里叶红外光谱仪、元素分析仪、显微CT断层测试仪、导热系数测试仪、热特性分析仪等，可以满足相变物性参数、热稳定性能及化学稳定性能等参数的测量和分析。拥有由2台DellT820服务器、2台R930服务器和1台T630服务器以及机柜和网络连接构建组成的并行计算平台，为数理模型的计算和理论分析提供了有力支持。