论文标题：Performance optimization of thermal integrated-Carnot battery for waste heat utilization in industrial integrated energy systems

期刊：ENGINEERING Energy

作者：Xiaojie Lin, Xiangrui Jin, Jiahao Xu, Xueru Lin, Zheng Luo, Zitao Yu, Wei Zhong

发表时间：30 Jan 2026

DOI：10.1007/s11708-026-1055-3

微信链接：点击此处阅读微信文章

在 “双碳” 目标引领下，工业能源结构转型进入关键阶段，工业余热作为优质可再生能源资源，其高效回收利用成为降低碳排放、提升能源利用效率的核心路径。浙江大学、浙大城市学院等单位的研究团队针对热集成卡诺电池（TI-CB）在工业余热回收中的性能优化难题取得进展，相关成果发表于《ENGINEERING Energy》2026 年第 20 卷第 1 期（DOI: https://doi.org/10.1007/s11708-026-1055-3），为工业综合能源系统的高效运行提供了全新技术支撑。

论文导读

工业综合能源系统占全球电力需求增长的近 40%，但传统能量转换与存储系统依赖化石能源，在多能流耦合和高效储能方面存在显著局限。卡诺电池作为新兴的热能存储技术，凭借选址灵活、能量密度高、循环寿命长等优势，成为工业余热回收的理想选择，尤其适用于 60-90℃中低温工业废水余热场景。然而，实际工业工况中边界参数持续波动，TI-CB 常处于非设计工况运行，现有研究存在三大核心痛点：静态评估框架无法捕捉动态工况特性、建模方法缺乏全面的非设计工况分析能力、关键设计参数的影响机制尚不明确。针对这些问题，研究团队创新性地提出准动态数学模型与动态评估框架，系统破解了 TI-CB 在复杂工况下的性能优化难题，为其工程化应用奠定了坚实基础。

论文概要

本研究聚焦 60-90℃工业余热回收场景，构建了覆盖设计与非设计工况的 TI-CB 性能优化体系，通过准动态建模、多变量采样构建多工况集合、系统分析关键参数与工质影响，取得了一系列突破性成果。

核心研究亮点

亮点一：建立卡诺电池动态性能指标体系，精准量化全周期性能：针对卡诺电池 “电 - 热 - 电” 双向转换的核心特性，突破传统静态指标局限，构建了基于时间积分的动态评估框架。该体系涵盖电能 - 热能效率（η_E2H）、储热效率（η_sto）、热能 - 电能效率（η_H2E）、往返效率（η_rt）及（火用）效率（η_ex）等关键指标，不仅考虑能量数量，更重视能量品质，有效解决了能量存储与释放过程中的时间失配问题，能更真实反映工业动态工况下的系统运行特性。

亮点二：开展关键设计参数敏感性分析，锁定优化核心参数：采用傅里叶幅值敏感性测试（FAST），在 95% 置信区间下系统分析 8 项核心设计参数对 COP、η_orc、η_rt、η_ex 的影响规律。研究明确热源利用参数（入口温度 T^hsin、温差 ΔT^hs）和热泵温升（ΔT^hp2）是主导性能的关键因子，其中 ΔT^hs 对往返效率的一阶与总敏感性指数最高，为后续系统优化提供了方向。

亮点三：通过多变量采样构建多工况集合，实现全场景覆盖分析：采用周期曲线均匀采样与逆变换法，结合热力学约束验证，构建了全面的多工况集合。初始生成 8000 组样本，经可行性筛选与区间优化后，最终获得 7605 组热力学一致的可行样本，既包含设计工况的额定运行状态，也涵盖非设计工况的外部扰动场景，为系统性能的全面分析提供数据支撑。

亮点四：系统解析设计参数与 ORC 工质影响，为工程化应用提供参考：系统探究了设计参数（热源温度、温差、热泵温升）、非设计参数（工质质量流量）及 4 种典型 ORC 工质（R1336mzz (Z)、R1233zd (E)、R1234ze (E)、R1224yd (Z)）对 TI-CB 性能的耦合影响。明确了各参数的作用机制与性能权衡关系，筛选出适配不同场景的最优工质，为实际工程中的系统设计、参数调试与工质选型提供支撑。

关键研究发现

参数敏感性规律：热源利用参数（入口温度 T^hs_in、温差 ΔT^hs）和热泵温升（ΔT^hp₂）是影响 TI-CB 性能的主导因素。其中 ΔT^hs 对往返效率影响最显著，一阶与总敏感性指数最高，而储热阶段参数 ΔTsto 因受热力学约束，影响相对有限。

设计工况性能特征：热源温度从 60℃升至 90℃时，ORC 效率（η_orc）从 6.8% 提升至 10.1%，往返效率（η_rt）从 34.3% 提升至 67.9%，（火用）效率（η_ex）从 25.3% 提升至 35.4%；热源温差增大导致不可逆热损失增加，η_rt 从 62.6% 降至 45.8%；热泵温升升高时，COP 从 7.6 降至 4.8，但 η_orc 从 7.0% 升至 10.2%，呈现显著的性能权衡关系。

非设计工况影响机制：ORC 工质质量流量波动对 η_rt 和 η_ex 的影响远大于热泵侧，η_rt 受 ORC 流量波动的变化量（0.0582）是热泵流量波动（0.0138）的 4 倍以上，这源于 ORC 膨胀机特性曲线对流量变化更敏感。

工质选型优化：R1336mzz (Z) 热力学性能最优，但存在非线性波动；R1233zd (E) 在全运行范围内稳定性最佳，性能曲线平滑，更适合实际工程应用；R1234ze (E) 低温稳定性突出，R1224yd (Z) 高温性能更优，但存在热滑移特性，需平衡设计复杂度与性能收益。

图文解读

图1完整展示了 TI-CB 的核心组成与能量流动路径：系统包含热泵（HP）、有机朗肯循环（ORC）、双罐储热系统及四大逆流换热器，工业余热经蒸发器进入系统，通过 HP 循环提升热能品质后存储于高温罐，放电阶段通过 ORC 循环实现热能向电能的转换。

图1 TI-CB 系统结构

图2中（a）热泵循环和（b）ORC 循环的 T-s 曲线，清晰呈现了工质在不同状态点的热力学变化：HP 循环通过等压蒸发、非等熵压缩、等压冷凝、等焓节流四个过程完成能量充电；ORC 循环通过等压吸热、非等熵膨胀、等压冷凝、等熵泵送实现能量放电。曲线形态直观反映了各过程的能量转换效率，为系统热力学建模提供了可视化基础。

图2 HP 与 ORC 的 T-s 图

图3详细展示了准动态模型的求解流程：输入边界条件与组件热力学特性后，基于守恒定律构建组件模型，设计工况下直接通过牛顿 - 拉夫逊算法求解非线性方程组；非设计工况下引入组件特性曲线，动态更新压降、等熵效率等参数后迭代求解，最终输出多维性能评估指标。

图3 TI-CB 系统建模与求解方法

通过傅里叶幅值敏感性测试（FAST），以柱状图形式呈现了各设计变量对 COP、η_orc、η_rt、η_ex 的一阶与总阶敏感性指数。从图中可直接观察到 ΔT^hp₂ 对 COP、T^hs_in 与 ΔT^hs对 η_orc 和 η_ex 的显著影响，为后续系统参数优化指明了方向，避免了盲目调整参数的问题。

图6 设计变量对性能指标的敏感性分析

图19通过多组子图对比了 R1233zd (E)、R1336mzz (Z) 等四种工质在不同热源温度、温差条件下的 COP、η_orc、η_ex 变化趋势。直观展示了 R1336mzz (Z) 的高性能与非线性特征，以及 R1233zd (E) 的稳定特性，为不同工程场景下的工质选型提供了直接的可视化参考。

图19 多工质设计工况参数分析

总结与展望

本研究针对工业余热回收中的 TI-CB 性能优化难题，构建了准动态建模与动态评估体系，通过多工况集合系统揭示了关键参数、工质类型对系统性能的影响机制，核心贡献在于解决了静态模型难以适配动态工况、非设计工况分析不全面、参数优化缺乏理论依据等行业痛点，为 TI-CB 的工程化应用提供了精准的设计方法与优化路径。

研究团队明确了未来三大研究方向：一是引入人工智能技术训练多工况映射模型，进一步提升计算效率；二是通过增设回热器优化系统构型，改善各阶段热匹配性能；三是拓展工质选型范围，适配更广泛的工业余热温度区间，最大化余热资源利用率。

该研究不仅为热集成卡诺电池的性能优化提供了科学依据，更推动了长时储能技术在工业综合能源系统中的深度应用，对助力工业能源结构转型、实现 “双碳” 目标具有重要的理论与工程价值。

原文信息

Xiaojie Lin, Xiangrui Jin, Jiahao Xu, Xueru Lin*, Zheng Luo, Zitao Yu, Wei Zhong. Performance optimization of thermal integrated-Carnot battery for waste heat utilization in industrial integrated energy systems. ENG.Energy, 2026, 20(1): 10553 DOI:10.1007/s11708-026-1055-3

下载全文

通讯作者简介

林雪茹，浙江大学与浙大城市学院联合培养博士后，合作导师为钟崴教授、林小杰副研究员与李静教授。主要研究方向为综合能源供应系统优化调度、智慧电厂与能源+AI融合技术。在博士及博士后阶段，聚焦AI驱动的多能系统运行优化，提出了超短期热负荷预测方法、面向动态工况的在线建模与更新机制，以及多时间尺度下的协同调度策略。在Applied Energy、Energy和Renewable Energy等发表SCI/EI论文10余篇，参与国家重点研发计划5项，企业项目3项，相关成果已在浙江嘉兴某热电厂等多地实现应用。

关于ENG.Energy

ENGINEERING Energy（原Frontiers in Energy）是中国工程院院刊能源分刊，由中国工程院、上海交通大学和高等教育出版社共同主办。翁史烈院士和倪维斗院士为名誉主编，中国工程院院士黄震、周守为、苏义脑、彭苏萍担任主编。加拿大皇家科学院、加拿大工程院、中国工程院外籍院士张久俊，美国康涅狄格大学校长、教授Radenka Maric，上海交通大学教授Nicolas Alonso-Vante和巨永林担任副主编。

ENGINEERING Energy已被SCIE、Ei Compendex、CAS、Scopus、INSPEC、Google Scholar、CSCD(中国科学引文数据库)、中国科技核心期刊等数据库收录。2024年影响因子为6.2,在“ENERGY & FUELS”学科分类中位列55位(55/182)，处于JCR Q2区。2024年度CiteScore为6.9，在“Energy”领域排名#77/299；2025年即时IF为8.0，即时CiteScore为9.0。

ENGINEERING Energy免收版面费，且对于录用的文章提供免费语言润色以保障出版质量。第一轮审稿周期约30天。

更多信息请访问：

http://journal.hep.com.cn/fie（国内免费开放）

https://link.springer.com/journal/11708

联系我们：

ENG.Energy@sjtu.edu.cn, (86) 21-62932006

qiaoxy@hep.com.cn, (86) 10-58556482