节能减排，空调不要了也能冬暖夏凉：未来的房子有什么“玄机”？

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，2020 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%，并且预计在2029年达峰，峰值为28.1亿吨。

建筑使用过程中的能耗，主要包括建筑采暖、空调、热水供应、炊事、照明、家用电器、电梯等方面的能耗，其中采暖空调占比65%，热水供应占比15%，电气占比14%，炊事占比6%。

民用建筑能耗占全社会总能耗的30%左右，并且该占比还在不断的上升。而暖通能耗在民用建筑能耗中占50%上下。降低暖通系统的能耗是民用建筑节能的重中之重，是绿色建筑的核心内涵之一。先进、完备、效果显著、适应性强的暖通节能技术不管是在新建建筑还是在既有建筑改造中都将带来巨大的社会效益和经济利益，具有长久的生命力。

我国每年城乡新建房屋建筑面积近20亿平方米，其中城镇每年新建建筑面积为9亿平方米至10亿平方米，80%以上为高耗能建筑。既有建筑近400亿平方米，95%以上是高能耗建筑，建筑节能已成为节能减排的重点对象。

对节能优化控制系统和建筑智能化及节能系统的迫切需求节约资源和保护环境是我国的基本国策，推进节能减排工作，加快建设资源节约型、环境友好型社会是我国经济社会发展的重大战略任务。近年来，我国能源问题日益凸显，能源消费增长较快，能耗高、利用率低的问题比较严重，节能工作面临的形势十分严峻。

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温度提高一度，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。

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；

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！

三种不同储热技术特性对比

显热储热、相变储热和热化学反应储热，这三种储热形式各具特点。

三类蓄热系统特点比较

与其他两种储热形式相比，显热储热的技术最成熟。同时，显热储热运行方式简单、成本低廉、使用寿命长、热传导率高、但其储热量小且放热时不恒温，限制了其未来的应用前景。

相比于显热储热技术，相变储热具有单位体积储热密度大的优点，且在相变温度范围内具有较大能量的吸收和释放，存储和释放温度范围窄，有利于充热放热过程的温度稳定。但其储热介质一般有过冷、相分离和导热系数较小、易老化等缺点。

热化学反应储热的储能密度比显热储热和相变储热都高，但应用技术和工艺太复杂，存在许多不确定性，如反应条件苛刻，不易实现、储能体系寿命短、储能材料对设备的腐蚀性大、一次性投资大及效率低等，如能很好地解决这几方面的问题，则其应用前景广阔。

储热技术成本与经济性

通常，一个储热系统的成本包括蓄热材料，蓄放热设备以及运营成本等各项成本，对储热系统的经济性评估主要取决于特定的应用和运行需求，包括储放热次数和频率。

显热技术：以熔融盐储热系统为例，其成本包括熔融盐材料本身的价格，还要包括各主要部件，施工等费用，根据单价和总价的一般规律，随着储热系统容量的增加，尽管整体系统的造价很高，但是单位成本却在显著下降，倾向于稳定在31$/kWht，对比其他储能技术来说，显热储热系统的单位成本相对较低。

相变储热技术：综合国内主要相变储热设备生产厂商的成本数据，目前相变储热项目初投资成本为350～400元/kWh，装置本体的成本为220～250元/kWh，其中相变换热器和相变材料合计约占储热装置总成本的80%，是影响储热装置成本的关键因素。

热化学储热技术：目前尚处于实验室研究阶段，在实际应用中还存在着许多技术问题，另外热化学储热系统的一次性投资大及系统整体的效率偏低。

总体来看，三种蓄热技术形式中，显热储热的成本最低，这主要是由于显热蓄热材料，如水，砂石、混凝土或熔盐等成本较低，盛放这些储热介质的罐以及相关蓄放热设备的结构也较为简单。但蓄热材料的容器需要有效的热绝缘，这对储热系统来说可能会增加不少的成本投资。

相变储热和热化学反应储热的系统成本要显著高于显热储热，且由于相变储热和热化学反应储热需要强化热传导技术与相应的设备使系统效率、蓄能容量等性能达到一定的标准，因此，除材料之外系统其它设备成本也相对较高。

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 "。

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。

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：

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[ 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.

来源：科学大院，fqac，新能源前沿