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有打油詩雲(yun) ：

“枯藤老樹昏鴉

空調WiFi西瓜

葛優(you) 同款沙發

夕陽西下

我就往上一趴”

冬天的暖氣，夏天的空調，讓我們(men) 生活更舒適，但同時,卻增加了環境的負擔。

根據中國建築節能協會(hui) 的測算，2018年全國建築運行碳排放21.1億(yi) 噸二氧化碳，占全國碳排放比重21.9%，其中建築的采暖與(yu) 空調能耗占比高達50%—70%。

按照規劃，要在2060年實現碳中和目標，建築運行總能耗要下降約90%。雖然說國家已經采取了很多措施，比如鼓勵大家把空調提高一度，但這還遠遠不夠。

如何在保證人們(men) 生活質量的前提下節能減排？科研人員從(cong) 建築本身下手,研發新的建築材料，保障室內(nei) 冬暖夏涼，其中之一就有“相變蓄熱材料”。

什麽(me) 是相變蓄熱材料？

相變蓄熱材料（Phase Change Materials，縮寫(xie) 為(wei) PCM），指一類能夠通過物質的相變過程來儲(chu) 存能量的材料。這樣說，大家可能有點難理解。“相變是什麽(me) ？”“相變蓄熱又是啥？”

接下來，我們(men) 就先細細討論一下這兩(liang) 個(ge) 問題。

相變是什麽(me) ？

相變，也就是物質的物相（固、液、氣等）發生變化的過程,以水為(wei) 例：

水有三態，水蒸氣，水和冰，分別對應氣相、液相和固相。

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

將常溫的水放進冰箱的冷凍層，不斷降溫，水就會(hui) 逐漸冷卻，到0℃時開始結冰，變成冰水混合物，直到完全凝固變成一塊完整的冰塊。這個(ge) 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，絕大多數都是以固、液、氣三種聚集態存在著,也能發生相應的相變過程。

嚴(yan) 格來說，所謂相，指的是物質係統中具有相同物理性質的均勻物質部分，它和其他部分之間用一定的分界麵隔離開來。

需要強調的是，物質隻有一種氣相，但並非一定隻有一種固相或液相。比如金剛石和石墨都是碳的固相，但其物理化學性質完全不同，是兩(liang) 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(guan) 係也類似，水有一種液態，而冰有7種固相，這些固-固轉變和固-液轉變也是相變。

相變蓄熱又是什麽(me) ？

類似冰融化和水沸騰，在相變的過程中往往需要環境為(wei) 其供給或移除大量的熱量，這一特點是相變材料能被用作儲(chu) 熱材料的關(guan) 鍵。

仍然以常溫常壓下的水為(wei) 例：

在100℃之前，我們(men) 給水加熱，溫度會(hui) 逐漸上升；

到達100℃時，水會(hui) 發生沸騰現象，溫度一直保持在100度，直到全部變成氣態；

全部變成氣態後，繼續給水蒸氣加熱，溫度會(hui) 繼續上升；

水的溫度隨存儲(chu) 熱量變化示意（圖片來源：作者提供）

可以發現，隨著溫度的上升，在發生相變的同時，水-水蒸氣這個(ge) 體(ti) 係的溫度得以在相當大的儲(chu) 能範圍內(nei) 保持不變。換言之，它可以在恒定的溫度範圍內(nei) 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(men) 就相當於(yu) 有了一個(ge) 熱能“銀行”——高溫時將過剩的熱量儲(chu) 存進去，維持係統的涼爽；低溫時再將熱量放出，維持係統的溫暖。在這個(ge) 過程中，隻要保持熱量的吞吐始終在“銀行”的承受範圍內(nei) ，係統的溫度就會(hui) 同水沸騰的過程一樣，始終維持不變。

更美妙的是，不同物質的相變溫度是不同的。我們(men) 可以選擇合適的材料，使得這個(ge) 相變儲(chu) 熱的過程維持在一個(ge) 特定的溫度下。

除了水之外，典型的相變材料還有如下幾類：

無機鹽類/水合無機鹽類：這類材料的工作範圍非常寬，是較為(wei) 常用的相變蓄熱材料，較高的鋁矽鹽類的熔化溫度約為(wei) 600℃，相變熱大約在500kJ/kg，一般用於(yu) 高溫領域；較低的水合乙酸鹽則大約在50度附近，一般用於(yu) 常溫附近的溫度控製。

石蠟：作為(wei) 相變材料時，工作溫度一般在40~70℃的常溫區，相變熱約為(wei) 200kJ/kg。

高新納米材料：前沿研究中也有不少工作在嚐試對PCM進行更加精細的溫度與(yu) 相變熱的控製，開拓了一係列納米級PCM的合成製備工作，主要包括微膠囊、高分子聚合物顆粒、石墨烯基複合材料、泡沫金屬-石墨複合材料等等。

通過選擇恰當的PCM，我們(men) 可以實現想讓係統維持在什麽(me) 溫度，就可以讓係統維持在什麽(me) 溫度。

說到這裏，也許你已經對怎麽(me) 造一個(ge) 冬暖夏涼的房子有些想法了。那麽(me) 接下來，我們(men) 就看看相變蓄熱材料該怎麽(me) 投入應用吧！

相變蓄熱材料的應用

在用PCM造房子之前，咱們(men) 先來拿幾個(ge) 簡單的例子練練手：

1.古代“冰箱”

假設你回到了古代，沒有了現代技術的加持，但你還是想在炎熱的夏天吃到涼爽的冰鎮水果，該怎麽(me) 辦呢？

沒錯，老祖宗們(men) 也和你有一樣的想法，用冬天儲(chu) 存在山洞裏的冰作為(wei) 相變儲(chu) 能材料。把環境傳(chuan) 進來的熱量存進冰塊這個(ge) 熱量“銀行”，從(cong) 而維持住內(nei) 容物的低溫；而到了冬天，這些水就又可以凍成冰，進行新一輪的循環。這一容器被稱為(wei) “冰鑒”。

曾侯乙青銅冰鑒（圖片來源：參考文獻6）

對冰鑒的利用可追溯至西周，《周禮·天官·淩人》記載：“祭祀供冰鑒。”一般的冰鑒分為(wei) 內(nei) 外兩(liang) 層，外層盛裝冰塊，內(nei) 層貯藏食物或酒。外層留有小孔，冰化成水後即會(hui) 從(cong) 下方流出，順便還能降低整個(ge) 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。”（《月三十韻》）

2.“恒溫”水杯

冰爽雖好，但寒冬來臨(lin) 時你也許會(hui) 想喝些溫熱的茶水。要想在寒冷的冬天隨時喝到熱水，我們(men) 離不開保溫杯，然而“開蓋燙嘴，降溫費時”卻成為(wei) 我們(men) 不得不麵對的難題。如果希望總能喝到50℃左右溫水的話，應該怎麽(me) 辦呢？

不難想出：設計思路和冰鑒完全相同，隻需要將外層的冰變成50℃左右發生相變的材料就可以了。

通過查詢我們(men) 發現，三水醋酸鈉的熔點大約在58℃，將它填充在恒溫杯的外壁裏再好不過了。

當我們(men) 將95℃的熱水注入這樣的恒溫杯後會(hui) 發生什麽(me) 呢？熱水裏的熱量會(hui) 迅速被傳(chuan) 導至外壁的三水醋酸鈉內(nei) “儲(chu) 存“起來，由於(yu) 三水醋酸鈉在發生相變時會(hui) 維持在58℃，杯內(nei) 的水也會(hui) 隨之迅速被冷卻到這個(ge) 溫度；不僅(jin) 如此，如果你長時間沒有飲用這杯水，剛剛儲(chu) 存在三水醋酸鈉內(nei) 的熱量又會(hui) 被取出來，維持杯內(nei) 的水溫。一杯自動冷卻、自動保溫的水，誰不愛呢。

恒溫水杯設計示意圖（左）

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

3.“恒溫”房間

在同樣的構思下，研究人員們(men) 也製造出了許多用於(yu) 建築的相變儲(chu) 能材料，來嚐試製造四季如春的“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、石墨烯基複合材料等材料體(ti) 係均已被應用在“恒溫”房間的設計製造中。通過將上述材料注入牆壁夾層中，就可以極大提高房間對溫度波動的耐受能力。

德國達姆施塔特大學利用了PCM材料已經設計了許多“微能耗”的住宅，利用PCM石灰板作為(wei) 吊頂，室內(nei) 不額外設計製冷和供暖係統，僅(jin) 利用PCM的儲(chu) 熱能力就可以使室內(nei) 維持穩定的溫度。

你可能已經意識到，相變蓄熱材料作為(wei) 一個(ge) 熱能“銀行”，不可能無限地儲(chu) 存和搬運熱量，它能夠儲(chu) 存搬運的上限就是相變材料的總相變熱。

試想，如果我們(men) 一直將95℃的熱水倒進恒溫杯，當杯壁儲(chu) 存的熱量超過了三水乙酸鈉的相變熱之後，杯壁裏的三水乙酸鈉就會(hui) 完全變成液體(ti) ，這時候如果繼續加入熱水，杯壁就不再具有恒溫作用了。這時，我們(men) 必須讓杯壁的液態三水乙酸鈉冷卻一下，取出一部分能量，才能繼續發揮它的恒溫作用——比如說可以加入一杯冷水，杯壁會(hui) 自動把這杯冷水加熱到58℃；或者讓它在空氣中靜置散散熱，都是可以的。

建築也是同樣的道理，如果遇上連日甚至連月的高溫或寒流，它的搬運能力也會(hui) 顯得局促。因此在實際應用中，一般也會(hui) 根據當地的氣溫情況配套補熱和移熱設施，來達到完全控溫的目的—而相較於(yu) 整日開空調暖氣，這個(ge) 熱量可就小太多了。

相變蓄熱建築與(yu) “碳中和”

傳(chuan) 統的化石能源供能是比較穩定的，畢竟刮風打雷下雨都不耽誤把煤礦丟(diu) 進爐子裏燒，但新能源就不是這麽(me) 一回事了。

大多數的清潔能源，包括光伏、風能等，都有顯著的不穩定性：光伏的輸出取決(jue) 於(yu) 日照情況，風電的輸出則有賴於(yu) 大氣流動。這就導致了它們(men) 有峰有穀，供電成本時高時低。

如果用這些能源作為(wei) 主要的取暖、製冷方式，將麵臨(lin) 很大的時間調配問題：比如，現在電量很足但溫度不高，你不想開空調；等溫度上去了，電量又不足了。

相變蓄熱材料的的應用本質上讓熱能的時間調配成為(wei) 了一件簡單的事：電量充足時製熱/製冷將熱儲(chu) 存在牆內(nei) ，等電量不足時再釋放出來，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材料已經投入市場逐漸商業(ye) 化，研究人員們(men) 也在潛心鑽研，期望找到更加優(you) 秀的相變蓄熱體(ti) 係。隨著碳中和計劃的穩步前進，我們(men) 離“把家家戶戶都變成低碳小屋”的願景也越來越近了。

參考文獻：

（1）李貝,劉道平,楊亮.複合相變蓄熱材料研究進展[J].製冷學報,2017,38(04):36-43.

（2）朱傳(chuan) 輝,李保國.相變蓄熱材料應用於(yu) 太陽能采暖的研究現狀[J].中國材料進展,2017,36(03):236-240.

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

（4）江羽,王倩,王冬,趙彤.高溫相變儲(chu) 能微膠囊研究進展[J].工程科學學報,2021,43(01):108-118.

（5）李濱紅,趙天宇.相變儲(chu) 熱技術用於(yu) 被動式建築節能的研究進展[J].中國住宅設施,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].國家人文曆史,2020(15):36-43.

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