未来建房子用这种材料,不用空调也冬暖夏凉

  出品:科普中国

  制作:之遥科普

  监制:中国科学院计算机网络信息中心

  有打油诗云:

  “枯藤老树昏鸦

  空调WiFi西瓜

  葛优同款沙发

  夕阳西下

  我就往上一趴”

  冬天的暖气,夏天的空调,让我们生活更舒适,但同时,却增加了环境的负担。

  根据中国建筑节能协会的测算,2018年全国建筑运行碳排放21.1亿吨二氧化碳,占全国碳排放比重21.9%,其中建筑的采暖与空调能耗占比高达50%—70%。

  按照规划,要在2060年实现碳中和目标,建筑运行总能耗要下降约90%。虽然说国家已经采取了很多措施,比如鼓励大家把空调提高一度,但这还远远不够。

  如何在保证人们生活质量的前提下节能减排?科研人员从建筑本身下手,研发新的建筑材料,保障室内冬暖夏凉,其中之一就有“相变蓄热材料”。

  什么是相变蓄热材料?

  相变蓄热材料(Phase Change Materials,缩写为PCM),指一类能够通过物质的相变过程来储存能量的材料。这样说,大家可能有点难理解。“相变是什么?”“相变蓄热又是啥?”

  接下来,我们就先细细讨论一下这两个问题。

  相变是什么?

  相变,也就是物质的物相(固、液、气等)发生变化的过程,以水为例:

  水有三态,水蒸气,水和冰,分别对应气相、液相和固相。

  将常温的水逐渐加热,到达100℃时,水会逐渐沸腾,冒出大量气泡,直到完全蒸发,这个液相水变成气相水的过程,就是气-液相变;

  将常温的水放进冰箱的冷冻层,不断降温,水就会逐渐冷却,到0℃时开始结冰,变成冰水混合物,直到完全凝固变成一块完整的冰块。这个液相水变成固相水的过程,就是液-固相变。

  未来建房子用这种材料,不用空调也冬暖夏凉

  水的“相变”(图片来源:Veer图库)

  自然界中各种各样的物质,绝大多数都是以固、液、气三种聚集态存在着,也能发生相应的相变过程。

  严格来说,所谓相,指的是物质系统中具有相同物理性质的均匀物质部分,它和其他部分之间用一定的分界面隔离开来。

  需要强调的是,物质只有一种气相,但并非一定只有一种固相或液相。比如金刚石和石墨都是碳的固相,但其物理化学性质完全不同,是两种不同的固相。石墨变成金刚石的过程也是一种固-固相变。水和冰的关系也类似,水有一种液态,而冰有7种固相,这些固-固转变和固-液转变也是相变。

  相变蓄热又是什么?

  类似冰融化和水沸腾,在相变的过程中往往需要环境为其供给或移除大量的热量,这一特点是相变材料能被用作储热材料的关键。

  仍然以常温常压下的水为例:

  在100℃之前,我们给水加热,温度会逐渐上升;

  到达100℃时,水会发生沸腾现象,温度一直保持在100度,直到全部变成气态;

  全部变成气态后,继续给水蒸气加热,温度会继续上升;

  未来建房子用这种材料,不用空调也冬暖夏凉

  水的温度随存储热量变化示意(图片来源:作者提供)

  可以发现,随着温度的上升,在发生相变的同时,水-水蒸气这个体系的温度得以在相当大的储能范围内保持不变。换言之,它可以在恒定的温度范围内吸收或者放出大量的热量,这就是相变蓄热的基本原理。

  有了相变蓄热,我们就相当于有了一个热能“银行”——高温时将过剩的热量储存进去,维持系统的凉爽;低温时再将热量放出,维持系统的温暖。在这个过程中,只要保持热量的吞吐始终在“银行”的承受范围内,系统的温度就会同水沸腾的过程一样,始终维持不变。

  更美妙的是,不同物质的相变温度是不同的。我们可以选择合适的材料,使得这个相变储热的过程维持在一个特定的温度下。

  除了水之外,典型的相变材料还有如下几类:

  无机盐类/水合无机盐类:这类材料的工作范围非常宽,是较为常用的相变蓄热材料,较高的铝硅盐类的熔化温度约为600℃,相变热大约在500kJ/kg,一般用于高温领域;较低的水合乙酸盐则大约在50度附近,一般用于常温附近的温度控制。

  石蜡:作为相变材料时,工作温度一般在40~70℃的常温区,相变热约为200kJ/kg。

  高新纳米材料:前沿研究中也有不少工作在尝试对PCM进行更加精细的温度与相变热的控制,开拓了一系列纳米级PCM的合成制备工作,主要包括微胶囊、高分子聚合物颗粒、石墨烯基复合材料、泡沫金属-石墨复合材料等等。

  通过选择恰当的PCM,我们可以实现想让系统维持在什么温度,就可以让系统维持在什么温度。

  说到这里,也许你已经对怎么造一个冬暖夏凉的房子有些想法了。那么接下来,我们就看看相变蓄热材料该怎么投入应用吧!

  相变蓄热材料的应用

  在用PCM造房子之前,咱们先来拿几个简单的例子练练手:

  1.古代“冰箱”

  假设你回到了古代,没有了现代技术的加持,但你还是想在炎热的夏天吃到凉爽的冰镇水果,该怎么办呢?

  没错,老祖宗们也和你有一样的想法,用冬天储存在山洞里的冰作为相变储能材料。把环境传进来的热量存进冰块这个热量“银行”,从而维持住内容物的低温;而到了冬天,这些水就又可以冻成冰,进行新一轮的循环。这一容器被称为“冰鉴”。

  未来建房子用这种材料,不用空调也冬暖夏凉

  曾侯乙青铜冰鉴(图片来源:参考文献6)

  对冰鉴的利用可追溯至西周,《周礼·天官·凌人》记载:“祭祀供冰鉴。”一般的冰鉴分为内外两层,外层盛装冰块,内层贮藏食物或酒。外层留有小孔,冰化成水后即会从下方流出,顺便还能降低整个房间的温度。唐代著名诗人元稹也曾用冰鉴来喻月:“绛河冰鉴朗,黄道玉轮巍。”(《月三十韵》)

  2.“恒温”水杯

  冰爽虽好,但寒冬来临时你也许会想喝些温热的茶水。要想在寒冷的冬天随时喝到热水,我们离不开保温杯,然而“开盖烫嘴,降温费时”却成为我们不得不面对的难题。如果希望总能喝到50℃左右温水的话,应该怎么办呢?

  不难想出:设计思路和冰鉴完全相同,只需要将外层的冰变成50℃左右发生相变的材料就可以了。

  通过查询我们发现,三水醋酸钠的熔点大约在58℃,将它填充在恒温杯的外壁里再好不过了。

  当我们将95℃的热水注入这样的恒温杯后会发生什么呢?热水里的热量会迅速被传导至外壁的三水醋酸钠内“储存“起来,由于三水醋酸钠在发生相变时会维持在58℃,杯内的水也会随之迅速被冷却到这个温度;不仅如此,如果你长时间没有饮用这杯水,刚刚储存在三水醋酸钠内的热量又会被取出来,维持杯内的水温。一杯自动冷却、自动保温的水,谁不爱呢。

  未来建房子用这种材料,不用空调也冬暖夏凉

  恒温水杯设计示意图(左)

  热水分别在普通水杯(红)和恒温水杯(蓝)内的温度随时间变化示意,不难看出在使用恒温杯时,能在更大的时间范围内喝到适当温度的水(图片来源:作者提供)

  3.“恒温”房间

  在同样的构思下,研究人员们也制造出了许多用于建筑的相变储能材料,来尝试制造四季如春的“恒温”房间,常见的如石蜡、脂肪酸、盐类水合物、高分子、泡沫金属、石墨烯基复合材料等材料体系均已被应用在“恒温”房间的设计制造中。通过将上述材料注入墙壁夹层中,就可以极大提高房间对温度波动的耐受能力。

  德国达姆施塔特大学利用了PCM材料已经设计了许多“微能耗”的住宅,利用PCM石灰板作为吊顶,室内不额外设计制冷和供暖系统,仅利用PCM的储热能力就可以使室内维持稳定的温度。

  你可能已经意识到,相变蓄热材料作为一个热能“银行”,不可能无限地储存和搬运热量,它能够储存搬运的上限就是相变材料的总相变热。

  试想,如果我们一直将95℃的热水倒进恒温杯,当杯壁储存的热量超过了三水乙酸钠的相变热之后,杯壁里的三水乙酸钠就会完全变成液体,这时候如果继续加入热水,杯壁就不再具有恒温作用了。这时,我们必须让杯壁的液态三水乙酸钠冷却一下,取出一部分能量,才能继续发挥它的恒温作用——比如说可以加入一杯冷水,杯壁会自动把这杯冷水加热到58℃;或者让它在空气中静置散散热,都是可以的。

  建筑也是同样的道理,如果遇上连日甚至连月的高温或寒流,它的搬运能力也会显得局促。因此在实际应用中,一般也会根据当地的气温情况配套补热和移热设施,来达到完全控温的目的—而相较于整日开空调暖气,这个热量可就小太多了。

  相变蓄热建筑与“碳中和”

  传统的化石能源供能是比较稳定的,毕竟刮风打雷下雨都不耽误把煤矿丢进炉子里烧,但新能源就不是这么一回事了。

  大多数的清洁能源,包括光伏、风能等,都有显著的不稳定性:光伏的输出取决于日照情况,风电的输出则有赖于大气流动。这就导致了它们有峰有谷,供电成本时高时低。

  如果用这些能源作为主要的取暖、制冷方式,将面临很大的时间调配问题:比如,现在电量很足但温度不高,你不想开空调;等温度上去了,电量又不足了。

  相变蓄热材料的的应用本质上让热能的时间调配成为了一件简单的事:电量充足时制热/制冷将热储存在墙内,等电量不足时再释放出来,极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材料已经投入市场逐渐商业化,研究人员们也在潜心钻研,期望找到更加优秀的相变蓄热体系。随着碳中和计划的稳步前进,我们离“把家家户户都变成低碳小屋”的愿景也越来越近了。

  参考文献:

  (1)李贝,刘道平,杨亮.复合相变蓄热材料研究进展[J].制冷学报,2017,38(04):36-43.

  (2)朱传辉,李保国.相变蓄热材料应用于太阳能采暖的研究现状[J].中国材料进展,2017,36(03):236-240.

  (3)常钊,陈宝明,罗丹.相变储能材料研究进展[J].煤气与热力,2021,41(04):21-27+98-99.

  (4)江羽,王倩,王冬,赵彤.高温相变储能微胶囊研究进展[J].工程科学学报,2021,43(01):108-118.

  (5)李滨红,赵天宇.相变储热技术用于被动式建筑节能的研究进展[J].中国住宅设施,2020(10):113-114. (6)周冉.水殿开冰鉴,琼浆冻玉壶 古代冰箱让贵族逍遥度夏,随心炫富[J].国家人文历史,2020(15):36-43.

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