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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,却增加了环境的包袱。

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%，个中建筑的采暖与空调能耗占比高达50%—70%。

按照方案，要在2060年实现碳中和目标，建筑运行总能耗要低落约90%。
虽然说国家已经采纳了很多方法，比如鼓励大家把空调提高一度，但这还远远不足。

如何在担保人们生活质量的条件下节能减排？科研职员从建筑本身下手,研发新的建筑材料，保障室内冬暖夏凉，个中之一就有“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，大家可能有点难明得。
“相变是什么？”“相变蓄热又是啥？”

接下来，我们就先细细谈论一下这两个问题。

相变是什么？

相变，也便是物质的物相（固、液、气等）发生变革的过程,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，直到完备蒸发，这个液相水变成气相水的过程，便是气-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，变成冰水稠浊物，直到完备凝固变成一块完全的冰块。
这个液相水变成固相水的过程，便是液-固相变。

水的“相变”（图片来源：Veer图库）

自然界中各种各样的物质，绝大多数都因此固、液、气三种聚拢态存在着,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子的均匀物质部分，它和其他部分之间用一定的分界面隔离开来。

须要强调的是，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，但其物理化学性子完备不同，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，在相变的过程中每每须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。

仍旧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，水会发生沸腾征象，温度一贯保持在100度，直到全部变成气态；

全部变成气态后，连续给水蒸气加热，温度会连续上升；

水的温度随存储热量变革示意（图片来源：作者供应）

可以创造，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称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接管或者放出大量的热量，这便是相变蓄热的基本事理。

有了相变蓄热，我们就相称于有了一个热能“银行”——高温时将过剩的热量储存进去，坚持系统的风凉；低温时再将热量放出，坚持系统的温暖。
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，始终坚持不变。

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

除了水之外，范例的相变材料还有如下几类：

无机盐类/水合无机盐类：这类材料的事情范围非常宽，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，一样平常用于高温领域；较低的水合乙酸盐则大约在50度附近，一样平常用于常温附近的温度掌握。

石蜡：作为相变材料时，事情温度一样平常在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事情在考试测验对PCM进行更加风雅的温度与相变热的掌握，开拓了一系列纳米级PCM的合成制备事情，紧张包括微胶囊、高分子聚合物颗粒、石墨烯基复合股料、泡沫金属-石墨复合股料等等。

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

说到这里，大概你已经对怎么造一个冬暖夏凉的屋子有些想法了。
那么接下来，我们就看看相变蓄热材料该怎么投入运用吧！

相变蓄热材料的运用

在用PCM造屋子之前，咱们先来拿几个大略的例子练练手：

1.古代“冰箱”

假设你回到了古代，没有了当代技能的加持，但你还是想在酷热的夏天吃到风凉的冰镇水果，该怎么办呢？

没错，老祖宗们也和你有一样的想法，用冬天储存在岩穴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”，从而坚持住内容物的低温；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”。

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：“敬拜供冰鉴。
”一样平常的冰鉴分为内外两层，外层艳服冰块，内层贮藏食品或酒。
外层留有小孔，冰化成水后即会从下方流出，顺便还能降落全体房间的温度。
唐代著名墨客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，但寒冬来临时你大概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℃旁边温水的话，该当怎么办呢？

不难想出：设计思路和冰鉴完备相同，只须要将外层的冰变成50℃旁边发生相变的材料就可以了。

通过查询我们创造，三水醋酸钠的熔点大约在58℃，将它添补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坚持在58℃，杯内的水也会随之迅速被冷却到这个温度；不仅如此，如果你永劫光没有饮用这杯水，刚刚储存在三水醋酸钠内的热量又会被取出来，坚持杯内的水温。
一杯自动冷却、自动保温的水，谁不爱呢。

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）内的温度随韶光变革示意，不丢脸出在利用恒温杯时，能在更大的韶光范围内喝到适当温度的水（图片来源：作者供应）

3.“恒温”房间

在同样的构思下，研究职员们也制造出了许多用于建筑的相变储能材料，来考试测验制造四季如春的“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、石墨烯基复合股料等材料体系均已被运用在“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颠簸的耐受能力。

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坚持稳定的温度。

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便是相变材料的总相变热。

试想，如果我们一贯将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备变成液体，这时候如果连续加入热水，杯壁就不再具有恒温浸染了。
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，才能连续发挥它的恒温浸染——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，如果遇上连日乃至连月的高温或寒流，它的搬运能力也会显得局促。
因此在实际运用中，一样平常也会根据当地的气温情形配套补热和移热举动步伐，来达到完备控温的目的—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延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形，风电的输出则有赖于大气流动。
这就导致了它们有峰有谷，供电本钱时高时低。

如果用这些能源作为紧张的取暖和、制冷办法，将面临很大的韶光调配问题：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，电量又不敷了。

相变蓄热材料的的运用实质上让热能的韶光调配成为了一件大略的事：电量充足时制热/制冷将热储存在墙内，等电量不敷时再开释出来，极大提高了新能源的利用率，也降落了碳排放量。

如今，一部分PCM材料已经投入市场逐渐商业化，研究职员们也在潜心研讨，期望找到更加精良的相变蓄热体系。
随着碳中和操持的稳步提高，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.相变蓄热材料运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.相变储热技能用于被动式建筑节能的研究进展[J].中国住宅举动步伐,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.