[科普中國]-未來建房子用這種材料，不用空調(diào)也冬暖夏涼

有打油詩云：

“枯藤老樹昏鴉

空調(diào)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(diào)，讓我們生活更舒適，但同時(shí),卻增加了環(huán)境的負(fù)擔(dān)。

根據(jù)中國建筑節(jié)能協(xié)會(huì)的測算，2018年全國建筑運(yùn)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(diào)能耗占比高達(dá)50%—70%。

按照規(guī)劃，要在2060年實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)，建筑運(yùn)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(lì)大家把空調(diào)提高一度，但這還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。

如何在保證人們生活質(zhì)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(nèi)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(zhì)的相變過程來儲(chǔ)存能量的材料。**這樣說，大家可能有點(diǎn)難理解。“相變是什么？”“相變蓄熱又是啥？”

接下來，我們就先細(xì)細(xì)討論一下這兩個(gè)問題。

相變是什么？

相變，也就是物質(zhì)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(duì)應(yīng)氣相、液相和固相。

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

將常溫的水放進(jìn)冰箱的冷凍層，不斷降溫，水就會(huì)逐漸冷卻，到0℃時(shí)開始結(jié)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(gè)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(zhì)，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(yīng)的相變過程。

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

**需要強(qiáng)調(diào)的是，物質(zhì)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(xué)性質(zhì)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(guān)系也類似，水有一種液態(tài)，而冰有7種固相，這些固-固轉(zhuǎn)變和固-液轉(zhuǎn)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(diǎn)是相變材料能被用作儲(chǔ)熱材料的關(guān)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(huì)逐漸上升；

到達(dá)100℃時(shí)，水會(huì)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(huì)繼續(xù)上升；

水的溫度隨存儲(chǔ)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(shí)，水-水蒸氣這個(gè)體系的溫度得以在相當(dāng)大的儲(chǔ)能范圍內(nèi)保持不變。換言之，**它可以在恒定的溫度范圍內(nèi)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(dāng)于有了一個(gè)熱能“銀行”——高溫時(shí)將過剩的熱量儲(chǔ)存進(jìn)去，維持系統(tǒng)的涼爽；低溫時(shí)再將熱量放出，維持系統(tǒng)的溫暖。在這個(gè)過程中，只要保持熱量的吞吐始終在“銀行”的承受范圍內(nèi)，系統(tǒng)的溫度就會(huì)同水沸騰的過程一樣，始終維持不變。

更美妙的是，不同物質(zhì)的相變溫度是不同的。我們可以選擇合適的材料，使得這個(gè)相變儲(chǔ)熱的過程維持在一個(gè)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(jī)鹽類/水合無機(jī)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(lǐng)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(shí)，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(duì)PCM進(jìn)行更加精細(xì)的溫度與相變熱的控制，開拓了一系列納米級(jí)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(fù)合材料、泡沫金屬-石墨復(fù)合材料等等。

通過選擇恰當(dāng)?shù)腜CM，我們可以實(shí)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(duì)怎么造一個(gè)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(yīng)用吧！

相變蓄熱材料的應(yīng)用

在用PCM造房子之前，咱們先來拿幾個(gè)簡單的例子練練手：

1.古代“冰箱”

假設(shè)你回到了古代，沒有了現(xiàn)代技術(shù)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(cuò)，老祖宗們也和你有一樣的想法，用冬天儲(chǔ)存在山洞里的冰作為相變儲(chǔ)能材料。把環(huán)境傳進(jìn)來的熱量存進(jìn)冰塊這個(gè)熱量“銀行”，從而維持住內(nèi)容物的低溫；而到了冬天，這些水就又可以凍成冰，進(jìn)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(xiàn)6）

對(duì)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(nèi)外兩層，外層盛裝冰塊，內(nèi)層貯藏食物或酒。外層留有小孔，冰化成水后即會(huì)從下方流出，順便還能降低整個(gè)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(shí)你也許會(huì)想喝些溫?zé)岬牟杷?。要想在寒冷的冬天隨時(shí)喝到熱水，我們離不開保溫杯，然而“開蓋燙嘴，降溫費(fèi)時(shí)”卻成為我們不得不面對(duì)的難題。如果希望總能喝到50℃左右溫水的話，應(yīng)該怎么辦呢？

不難想出：設(shè)計(jì)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(diǎn)大約在58℃，將它填充在恒溫杯的外壁里再好不過了。

當(dāng)我們將95℃的熱水注入這樣的恒溫杯后會(huì)發(fā)生什么呢？熱水里的熱量會(huì)迅速被傳導(dǎo)至外壁的三水醋酸鈉內(nèi)“儲(chǔ)存“起來，由于三水醋酸鈉在發(fā)生相變時(shí)會(huì)維持在58℃，杯內(nèi)的水也會(huì)隨之迅速被冷卻到這個(gè)溫度；不僅如此，如果你長時(shí)間沒有飲用這杯水，剛剛儲(chǔ)存在三水醋酸鈉內(nèi)的熱量又會(huì)被取出來，維持杯內(nèi)的水溫。一杯自動(dòng)冷卻、自動(dòng)保溫的水，誰不愛呢。

恒溫水杯設(shè)計(jì)示意圖（左）

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

3.“恒溫”房間

在同樣的構(gòu)思下，研究人員們也制造出了許多用于建筑的相變儲(chǔ)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(fù)合材料等材料體系均已被應(yīng)用在“恒溫”房間的設(shè)計(jì)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(duì)溫度波動(dòng)的耐受能力。

德國達(dá)姆施塔特大學(xué)利用了PCM材料已經(jīng)設(shè)計(jì)了許多“微能耗”的住宅，利用PCM石灰板作為吊頂，室內(nèi)不額外設(shè)計(jì)制冷和供暖系統(tǒng)，僅利用PCM的儲(chǔ)熱能力就可以使室內(nèi)維持穩(wěn)定的溫度。

你可能已經(jīng)意識(shí)到，相變蓄熱材料作為一個(gè)熱能“銀行”，不可能無限地儲(chǔ)存和搬運(yùn)熱量，它能夠儲(chǔ)存搬運(yùn)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(jìn)恒溫杯，當(dāng)杯壁儲(chǔ)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(huì)完全變成液體，這時(shí)候如果繼續(xù)加入熱水，杯壁就不再具有恒溫作用了。這時(shí)，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(huì)自動(dòng)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(yùn)能力也會(huì)顯得局促。因此在實(shí)際應(yīng)用中，一般也會(huì)根據(jù)當(dāng)?shù)氐臍鉁厍闆r配套補(bǔ)熱和移熱設(shè)施，來達(dá)到完全控溫的目的—而相較于整日開空調(diào)暖氣，這個(gè)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(fēng)打雷下雨都不耽誤把煤礦丟進(jìn)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(fēng)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(fēng)電的輸出則有賴于大氣流動(dòng)。這就導(dǎo)致了它們有峰有谷，供電成本時(shí)高時(shí)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(shí)間調(diào)配問題：比如，現(xiàn)在電量很足但溫度不高，你不想開空調(diào)；等溫度上去了，電量又不足了。

相變蓄熱材料的的應(yīng)用本質(zhì)上讓熱能的時(shí)間調(diào)配成為了一件簡單的事：電量充足時(shí)制熱/制冷將熱儲(chǔ)存在墻內(nèi)，等電量不足時(shí)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(jì)劃的穩(wěn)步前進(jìn)，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(xiàn)：

（1）李貝,劉道平,楊亮.復(fù)合相變蓄熱材料研究進(jìn)展[J].制冷學(xué)報(bào),2017,38(04):36-43.

（2）朱傳輝,李保國.相變蓄熱材料應(yīng)用于太陽能采暖的研究現(xiàn)狀[J].中國材料進(jìn)展,2017,36(03):236-240.

（3）常釗,陳寶明,羅丹.相變儲(chǔ)能材料研究進(jìn)展[J].煤氣與熱力,2021,41(04):21-27+98-99.

（4）江羽,王倩,王冬,趙彤.高溫相變儲(chǔ)能微膠囊研究進(jìn)展[J].工程科學(xué)學(xué)報(bào),2021,43(01):108-118.

（5）李濱紅,趙天宇.相變儲(chǔ)熱技術(shù)用于被動(dòng)式建筑節(jié)能的研究進(jìn)展[J].中國住宅設(shè)施,2020(10):113-114.

（6）周冉.水殿開冰鑒,瓊漿凍玉壺 古代冰箱讓貴族逍遙度夏，隨心炫富[J].國家人文歷史,2020(15):36-43.