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相变储热与地暖应用

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。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,研发新的相变储能蓄热建筑材料，保障室内冬暖夏凉。相变储能蓄热材料（简称PCM），指一类能够通过物质的相变过程来储存能量的材料。相变，也就是物质的物相（固、液、气）发生变化的过程,以水为例：水有三态：水蒸气、水、冰，分别对应气相、液相、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。

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---固转变，和固---液转变，也是相变。

相变储能蓄热又是什么？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（或减少）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；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，这就是相变储能蓄热的基本原理。

有了相变储能蓄热，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，维持屋内的凉爽；低温时再将热量放出，维持屋内的温暖。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，屋内的温度就会始终维持在人体舒适的区间。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，使得这个相变储能蓄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、石蜡、高新纳米材料。通过选择恰当的PCM，我们可以实现想让屋内维持在什么温度，就可以让屋内维持在什么温度。

1、“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”，可以储存和搬运热量，它能够储存和搬运能量的上限就是相变储能材料的总相变热容量。

2、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。大多数的可再生清洁能源，包括光伏、光热、风能等，都有显著的不稳定性，光伏和光热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合适，你不想开空调；等温度过高（或过低），人感到太热（或太冷）时想开空调，电量又不足了。相变储能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（或制冷）将能量储存在墙内，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。

随着国家“碳达峰、碳中和”的推进，碳排放的费用会随着碳市场碳配额价格一路上涨，碳排放费用会越来越高，化石能源（煤炭、石油、天然气）会越来越贵。国家会大力治理雾霾以及对燃煤取暖进行改革规范，相变储能蓄热清洁采暖行业得到了大力支持和前所未有的快速发展。各级政府出台了大量清洁采暖利好政策，居民实施清洁采暖可享受优惠电价，家用电和取暖电价分开等等。

如今，国储储能的相变储能蓄热供暖设备已经投入市场，公司研究人员们也在继续潜心钻研，期望为广大客户构建更加优秀的相变储能蓄热体系。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。