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　　有打油詩云：

　　“枯藤老樹昏鴉

　　空調WiFi西瓜

　　葛優(yōu)同款沙發(fā)

　　夕陽西下

　　我就往上一趴”

　　冬天的暖氣，夏天的空調，讓我們生活更舒適，但同時,卻增加了環(huán)境的負擔。

　　根據(jù)中國建筑節(jié)能協(xié)會的測算，2018年全國建筑運行碳排放21.1億噸二氧化碳，占全國碳排放比重21.9%，其中建筑的采暖與空調能耗占比高達50%—70%。

　　按照規(guī)劃，要在2060年實現(xiàn)碳中和目標，建筑運行總能耗要下降約90%。雖然說國家已經(jīng)采取了很多措施，比如鼓勵大家把空調提高一度，但這還遠遠不夠。

　　如何在保證人們生活質量的前提下節(jié)能減排？科研人員從建筑本身下手,研發(fā)新的建筑材料，保障室內冬暖夏涼，其中之一就有“相變蓄熱材料”。

　　什么是相變蓄熱材料？

　　相變蓄熱材料（Phase Change Materials，縮寫為PCM），指一類能夠通過物質的相變過程來儲存能量的材料。這樣說，大家可能有點難理解?！跋嘧兪鞘裁矗俊薄跋嘧冃顭嵊质巧?？”

　　接下來，我們就先細細討論一下這兩個問題。

　　相變是什么？

　　相變，也就是物質的物相（固、液、氣等）發(fā)生變化的過程,以水為例：

　　水有三態(tài)，水蒸氣，水和冰，分別對應氣相、液相和固相。

　　將常溫的水逐漸加熱，到達100℃時，水會逐漸沸騰，冒出大量氣泡，直到完全蒸發(fā)，這個液相水變成氣相水的過程，就是氣-液相變；

　　將常溫的水放進冰箱的冷凍層，不斷降溫，水就會逐漸冷卻，到0℃時開始結冰，變成冰水混合物，直到完全凝固變成一塊完整的冰塊。這個液相水變成固相水的過程，就是液-固相變。

　　水的“相變”（圖片來源：Veer圖庫）

　　自然界中各種各樣的物質，絕大多數(shù)都是以固、液、氣三種聚集態(tài)存在著,也能發(fā)生相應的相變過程。

　　嚴格來說，所謂相，指的是物質系統(tǒng)中具有相同物理性質的均勻物質部分，它和其他部分之間用一定的分界面隔離開來。

　　需要強調的是，物質只有一種氣相，但并非一定只有一種固相或液相。比如金剛石和石墨都是碳的固相，但其物理化學性質完全不同，是兩種不同的固相。石墨變成金剛石的過程也是一種固-固相變。水和冰的關系也類似，水有一種液態(tài)，而冰有7種固相，這些固-固轉變和固-液轉變也是相變。

　　相變蓄熱又是什么？

　　類似冰融化和水沸騰，在相變的過程中往往需要環(huán)境為其供給或移除大量的熱量，這一特點是相變材料能被用作儲熱材料的關鍵。

　　仍然以常溫常壓下的水為例：

　　在100℃之前，我們給水加熱，溫度會逐漸上升；

　　到達100℃時，水會發(fā)生沸騰現(xiàn)象，溫度一直保持在100度，直到全部變成氣態(tài)；

　　全部變成氣態(tài)后，繼續(xù)給水蒸氣加熱，溫度會繼續(xù)上升；

　　水的溫度隨存儲熱量變化示意（圖片來源：作者提供）

　　可以發(fā)現(xiàn)，隨著溫度的上升，在發(fā)生相變的同時，水-水蒸氣這個體系的溫度得以在相當大的儲能范圍內保持不變。換言之，它可以在恒定的溫度范圍內吸收或者放出大量的熱量，這就是相變蓄熱的基本原理。

　　有了相變蓄熱，我們就相當于有了一個熱能“銀行”——高溫時將過剩的熱量儲存進去，維持系統(tǒng)的涼爽；低溫時再將熱量放出，維持系統(tǒng)的溫暖。在這個過程中，只要保持熱量的吞吐始終在“銀行”的承受范圍內，系統(tǒng)的溫度就會同水沸騰的過程一樣，始終維持不變。

　　更美妙的是，不同物質的相變溫度是不同的。我們可以選擇合適的材料，使得這個相變儲熱的過程維持在一個特定的溫度下。

　　除了水之外，典型的相變材料還有如下幾類：

　　無機鹽類/水合無機鹽類：這類材料的工作范圍非常寬，是較為常用的相變蓄熱材料，較高的鋁硅鹽類的熔化溫度約為600℃，相變熱大約在500kJ/kg，一般用于高溫領域；較低的水合乙酸鹽則大約在50度附近，一般用于常溫附近的溫度控制。

　　石蠟：作為相變材料時，工作溫度一般在40~70℃的常溫區(qū)，相變熱約為200kJ/kg。

　　高新納米材料：前沿研究中也有不少工作在嘗試對PCM進行更加精細的溫度與相變熱的控制，開拓了一系列納米級PCM的合成制備工作，主要包括微膠囊、高分子聚合物顆粒、石墨烯基復合材料、泡沫金屬-石墨復合材料等等。

　　通過選擇恰當?shù)腜CM，我們可以實現(xiàn)想讓系統(tǒng)維持在什么溫度，就可以讓系統(tǒng)維持在什么溫度。

　　說到這里，也許你已經(jīng)對怎么造一個冬暖夏涼的房子有些想法了。那么接下來，我們就看看相變蓄熱材料該怎么投入應用吧！

　　相變蓄熱材料的應用

　　在用PCM造房子之前，咱們先來拿幾個簡單的例子練練手：

　　1.古代“冰箱”

　　假設你回到了古代，沒有了現(xiàn)代技術的加持，但你還是想在炎熱的夏天吃到?jīng)鏊谋?zhèn)水果，該怎么辦呢？

　　沒錯，老祖宗們也和你有一樣的想法，用冬天儲存在山洞里的冰作為相變儲能材料。把環(huán)境傳進來的熱量存進冰塊這個熱量“銀行”，從而維持住內容物的低溫；而到了冬天，這些水就又可以凍成冰，進行新一輪的循環(huán)。這一容器被稱為“冰鑒”。

　　曾侯乙青銅冰鑒（圖片來源：參考文獻6）

　　對冰鑒的利用可追溯至西周，《周禮·天官·凌人》記載：“祭祀供冰鑒?！币话愕谋b分為內外兩層，外層盛裝冰塊，內層貯藏食物或酒。外層留有小孔，冰化成水后即會從下方流出，順便還能降低整個房間的溫度。唐代著名詩人元稹也曾用冰鑒來喻月：“絳河冰鑒朗，黃道玉輪巍?！保ā对氯崱罚?/p>

　　2.“恒溫”水杯

　　冰爽雖好，但寒冬來臨時你也許會想喝些溫熱的茶水。要想在寒冷的冬天隨時喝到熱水，我們離不開保溫杯，然而“開蓋燙嘴，降溫費時”卻成為我們不得不面對的難題。如果希望總能喝到50℃左右溫水的話，應該怎么辦呢？

　　不難想出：設計思路和冰鑒完全相同，只需要將外層的冰變成50℃左右發(fā)生相變的材料就可以了。

　　通過查詢我們發(fā)現(xiàn)，三水醋酸鈉的熔點大約在58℃，將它填充在恒溫杯的外壁里再好不過了。

　　當我們將95℃的熱水注入這樣的恒溫杯后會發(fā)生什么呢？熱水里的熱量會迅速被傳導至外壁的三水醋酸鈉內“儲存“起來，由于三水醋酸鈉在發(fā)生相變時會維持在58℃，杯內的水也會隨之迅速被冷卻到這個溫度；不僅如此，如果你長時間沒有飲用這杯水，剛剛儲存在三水醋酸鈉內的熱量又會被取出來，維持杯內的水溫。一杯自動冷卻、自動保溫的水，誰不愛呢。

　　恒溫水杯設計示意圖（左）

　　熱水分別在普通水杯（紅）和恒溫水杯（藍）內的溫度隨時間變化示意，不難看出在使用恒溫杯時，能在更大的時間范圍內喝到適當溫度的水（圖片來源：作者提供）

　　3.“恒溫”房間

　　在同樣的構思下，研究人員們也制造出了許多用于建筑的相變儲能材料，來嘗試制造四季如春的“恒溫”房間，常見的如石蠟、脂肪酸、鹽類水合物、高分子、泡沫金屬、石墨烯基復合材料等材料體系均已被應用在“恒溫”房間的設計制造中。通過將上述材料注入墻壁夾層中，就可以極大提高房間對溫度波動的耐受能力。

　　德國達姆施塔特大學利用了PCM材料已經(jīng)設計了許多“微能耗”的住宅，利用PCM石灰板作為吊頂，室內不額外設計制冷和供暖系統(tǒng)，僅利用PCM的儲熱能力就可以使室內維持穩(wěn)定的溫度。

　　你可能已經(jīng)意識到，相變蓄熱材料作為一個熱能“銀行”，不可能無限地儲存和搬運熱量，它能夠儲存搬運的上限就是相變材料的總相變熱。

　　試想，如果我們一直將95℃的熱水倒進恒溫杯，當杯壁儲存的熱量超過了三水乙酸鈉的相變熱之后，杯壁里的三水乙酸鈉就會完全變成液體，這時候如果繼續(xù)加入熱水，杯壁就不再具有恒溫作用了。這時，我們必須讓杯壁的液態(tài)三水乙酸鈉冷卻一下，取出一部分能量，才能繼續(xù)發(fā)揮它的恒溫作用——比如說可以加入一杯冷水，杯壁會自動把這杯冷水加熱到58℃；或者讓它在空氣中靜置散散熱，都是可以的。

　　建筑也是同樣的道理，如果遇上連日甚至連月的高溫或寒流，它的搬運能力也會顯得局促。因此在實際應用中，一般也會根據(jù)當?shù)氐臍鉁厍闆r配套補熱和移熱設施，來達到完全控溫的目的—而相較于整日開空調暖氣，這個熱量可就小太多了。

　　相變蓄熱建筑與“碳中和”

　　傳統(tǒng)的化石能源供能是比較穩(wěn)定的，畢竟刮風打雷下雨都不耽誤把煤礦丟進爐子里燒，但新能源就不是這么一回事了。

　　大多數(shù)的清潔能源，包括光伏、風能等，都有顯著的不穩(wěn)定性：光伏的輸出取決于日照情況，風電的輸出則有賴于大氣流動。這就導致了它們有峰有谷，供電成本時高時低。

　　如果用這些能源作為主要的取暖、制冷方式，將面臨很大的時間調配問題：比如，現(xiàn)在電量很足但溫度不高，你不想開空調；等溫度上去了，電量又不足了。

　　相變蓄熱材料的的應用本質上讓熱能的時間調配成為了一件簡單的事：電量充足時制熱/制冷將熱儲存在墻內，等電量不足時再釋放出來，極大提高了新能源的利用率，也降低了碳排放量。

　　如今，一部分PCM材料已經(jīng)投入市場逐漸商業(yè)化，研究人員們也在潛心鉆研，期望找到更加優(yōu)秀的相變蓄熱體系。隨著碳中和計劃的穩(wěn)步前進，我們離“把家家戶戶都變成低碳小屋”的愿景也越來越近了。

　　參考文獻：

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