探讨热泵在储能系统中应用及可靠性

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编者按：7月31日-8月2日，由中国节能协会主办、中国节能协会热泵专委会承办的“2023中国热泵行业年会”，在南京成功举办。会议期间举办了“热泵多能互补技术论坛”，威凯检测技术有限公司制冷事业部总经理吴志东作了《热泵在储能系统中应用及可靠性探讨》主题发言。以下为发言内容：

威凯检测技术有限公司制冷事业部总经理吴志东

报告共分为5个部分：1、储能行业情况分析；2、储能系统的冷与热的需求；3、热泵在储能系统中的应用探讨；4、热泵在储能系统中的应用质量要求；5、CVC威凯检测能力介绍。

一、储能行业情况分析

2022年，国家及地方出台储能直接相关的政策约600项，主要集中在储能规划、实施方案、市场机制、技术研发、安全规范等领域，同时，26个省市发布了“十四五”新型储能规划指标，累计新型储能规模达到67GW。今年，全国31个省（市、区）的2023年政府工作报告已全面发布，新能源是各省能源工作的重点。目前，储能行业有3个特点：1、投资建设主体多元化；2、储能安全是整个行业的挑战，必须验收安全底线；3、储能温控是发展储能的核心，热泵可以为储能温控系统提供核心驱动力。

储能温控系统失效引发储能的安全事故，如：澳大利亚“维多利亚大电池”项目因冷却系统泄漏，引发电池仓起火；北京某储能电站因电池热失控发生火灾爆炸，储能系统的起火事件凸显出热管理保障储能电站安全运行的重要性。为热泵行业带来了热泵在储能系统应用的发展机会。

二、储能系统的冷与热的需求

温度是影响电池性能的重要因素，锂电池的容量和寿命会随着温度的变化而变化，从而影响锂电池的稳定性。综合考虑锂电池的高效性和安全性，目前普遍认为锂电池的最佳温度区间为 10~35℃。

截至2022年底，已投运的储能电站分布在27个省市自治区，山东、江苏、宁夏、湖南、青海、内蒙古、河北、西藏、甘肃、新疆等排名前10，总能量11.61GWh、占比 82.58%。这些地方温差较大，给温控系统带来了很大的挑战。

另外，温度均匀性也会影响储能系统的使用寿命和效率，温度不一致导致的单体电池加速分化、寿命缩短，甚至造成安全隐患。一般而言需要保持电池间温差不超过3℃，也对温控系统有较高的要求。

总体来说，储能系统对冷与热的需求包括制冷方面需要带走电池充放电过程产生的热量保持电池温度稳定，制热方面，保证电池静止、存储过程的容量损耗的减少，提升效率。

三、热泵在储能系统中的应用探讨

现在储能系统采用的主要温度控制方式有风冷、液冷两种。风冷方案以空气为冷却介质，直接简单，但是散热效率中等，不是很高。基本应用在通信基站、小型地面电站等功率密度较低，产热率小的项目。

液冷方案分为冷板和浸没式。冷板式采用水、乙二醇等冷却液，通过液冷板上均匀分布的导流槽和电芯间接接触进行散热。浸没式将电池浸没在绝缘冷却油中进行冷却散热。冷却效率相对较高，适用于动力电池、百MW级别大容量储能电站、数据中心等场景。

经过分析，在储能系统的初次使用、充电、放电、储存等场景中，热泵均能发挥作用，保证储能系统的高效运转。

储能系统在低温环境下，一般以电加热方式提高舱内温度，而热泵可替代电加热装置，为电池提供稳定的温度场景，确保电池充放电效率高，降低电池容量的衰减速度。同时，热泵为储能集装箱整体环境提供温湿度控制，确保无论环境温度高或者低，储能电池所处环境温湿度均稳定，保证电池处在最佳储存工况。

四、热泵在储能系统中的应用质量要求

热泵在储能系统中的应用质量要求方面，安全性、性能要求目前无明确标准，目前都是延用常用的冷水机组、家用空调等的标准。

由于与电池近距离接触，会受到非常大的电磁干扰，因此对热泵系统的质量要求测试项目包括雷击浪涌抗扰度、电快速瞬变脉冲群抗扰度、电压暂降、短时中断和电压变化抗扰度、工频电源谐波抗扰度、静电抗扰度、射频电磁场辐射抗扰度、工频磁场抗扰度、脉冲磁场抗扰度、传导骚扰、辐射骚扰、射频场感应的传导抗扰度等。

同时，热泵系统需要有较好的环境耐受性，通常储能电站的使用环境比较恶劣，热泵需要有风沙环境适应性、光老化环境适应性、湿热环境适应性、高低温环境适应性、盐雾腐蚀环境适应性、高原环境适应性。

风沙、光照环境

风沙环境中损害系统部件，制冷量降低，增加能耗。光照环境中塑料、涂料、橡胶等材料会存在褪色、颜色变化、光泽、裂纹、起泡、脆化、氧化等问题。

湿热、高低温环境

湿热环境中电气绝缘性下降，泄漏电流增大，系统运行温度升高。高低温环境中，高低温下系统运行温度升高，低温下橡胶密封件性能下降，高低温环境运行性能衰减。

沿海地区盐雾腐蚀环境

盐雾腐蚀环境中，出现翅片腐蚀、能力降低；零部件腐蚀、传感器故障；接地和结构脱落危险；电路故障危险；性能衰减。

高原地区低气压环境

高原地区电气绝缘、发热环境

高原环境中，随着大气压力的降低，击穿电压降低，机组更容易电气绝缘失效。同时，在海拔至4500m范围，每升高1000m，即平均气压每降低7.7-10.5kPa，温升提高3％～10％。

对冷却液的要求，要有低腐蚀性、低电导率、长使用寿命和良好的冷却效果。根据蒙特利尔议定书，HCFC、HFCs制冷剂均将会被替代。储能热管理系统需要寻找安全高效的制冷剂，而环保制冷剂大多为可燃制冷剂，需要着重考虑安全问题。

五、CVC威凯检测能力介绍

电池检测能力：包含1、运输安全服务—完善的运输安全解决方案；2、认证服务—各国市场准入、法规要求；3、企业研发验证服务—DV/PV测试计划；4、科研、标准验证服务—关键指标验证；5、质量监督抽查—各级市场总局及电商平台委托；6、质量失效分析及鉴定；7、能力验证、标准、科技项目等。

热泵及其零部件检测能力：包含安全检测、防尘、EMC、噪声、管路接头密封线、盐雾、光老化等。

高原低气压和乙二醇液冷机组测试能力：行业首家搭建高原低气压环境实验室，试验室由一套焓差室及一套高海拔模拟舱组成，气压调节范围可覆盖全球绝大多数高原地区，同时配置乙二醇测试系统，满足液冷储能热泵的测试需求。

同时，威凯在全国各地设置多处环境试验场，可进行储能温控系统在极端气候环境下的运行安全、稳定性、性能、失效及可靠性等测试。

威凯工程现场测试能力：1、可实现远程监测，可同时对多个工程检测项目进行检测；2、将实现检测远程控制，多任务远程管互联网技术应用现场检测理，机组运行状态可视化；3、可监测空气温度、湿度、风速、风量、压力、流量、水温、电参数、温度稳定性等，覆盖储能温控系统性能检测所有参数；4、可到现场进行相关的验收测试、安全评估测试、环境耐久性评估等；5、为储能电站系统提供现场验收。