生活中的相变储能

暑期已过, 进入秋季，“一场秋雨一场寒”, 随着社区在9月份陆续贴出大字通知“注水打压，注意家中暖气阀”，北方的供暖季已经不远了。随着科技的发展和节能环保的要求，近几年北京等大城市供暖技术中已经率先融入了相变储能技术，即：在夜晚低谷电价时给锅炉烧水，产生的热量储存在相变材料的“热库”里，让锅炉在白天停机，依靠“热库”里的热量依然可以源源不断地给家家户户的暖气管提供热水。与传统供暖技术相比，这项举措的最大优势是节能减排，不仅能够满足百姓需求，更重要的是能够助力国家现阶段的“双碳”目标。在上述技术中，新型相变储能材料发挥着非常关键的作用。

那么，什么是相变储能？我们都知道自然界物质的物态有固、液、气三种，相变过程是指物质从一种物态转变到另一种物态并能提供潜热的过程，实现这种过程的物质便称为相变材料。在相变过程中，相变材料会吸收或释放大量的潜热。相变储能就是利用物质在相转变过程中与外界环境进行能量交换，从而达到控制环境温度和利用能量的目的。举一个生活中的例子，水和冰的转换是一个非常典型的相变过程，当温度低至0℃时，水由液态变为固态（结冰）的过程，会放出大量的热量；当温度高于0℃时，冰由固态变为液态（溶解）的过程，又要从周围环境吸收大量的热量。所以，水就是一个天然的相变储能材料（图1）。

图1. 自然界冰水[1]

当前，相变储能材料已成为世界范围内广泛关注的热点，其储能密度高、体积小巧、温度控制恒定、节能效果显著、相变温度选择范围宽、易于控制等优势，这些材料的应用已经渗透了能源市场和日常生活的众多领域。

在太阳能方面：大家熟知的传统家用太阳能热水系统，由于太阳能只在白天光照时工作，储热水箱内水温与用水温度不协调，过热时热损失大，温度不够时则需启用电辅加热，均造成能源浪费。现在市场上投入使用的热水器（图2）已经具备相变储能功能，将相变储能材料填入太阳能集热器的每组真空管内，在阳光照射集热器时，集热器产生的热量便储存在相变储能材料中，当自来水冷水进入集热器时，会经过这些埋有相变材料的真空管，通过设计长管径，可以达到高集热效率，水温升得更快、更高，并且具有冷水随过、热水随出的理想效果。

图2. 相变太阳能热水器储热机理简图[2]

在建筑节能方面：1988年，瑞典隆德大学和德国达姆斯塔特房屋与环境研究所提出建立“被动式住宅”，也就是设计一种不需要“采暖空调主动供冷热”的住宅（图3）。住宅材料由良好的相变储能蓄热材料构成，相变特性使其自身保温性能良好，使得屋内温度始终保持恒定，遇到特殊极端天气，配备的相变储能蓄热设备可以有效调节屋内温度，简洁说来：仅需要运行一台相变储能蓄热设备，就可以供给这个房屋需要的所有热量和热水。2009年后，“被动式住宅”就已经逐渐成为欧洲住宅节能技术的主流，我国当前也在各地逐步推广。“被动式住宅”的推行，无疑将大大减少二氧化碳的排放，对于保护人类共同的家园——地球环境，有着非常重要的现实意义。

图3.“被动式住宅”的好处[3]

此外，相变储能材料在医学工程、军事工程和航空航天等众多领域均显示了重要的应用价值和发展潜能。

由此可见，不断开发出相变温度适中、相变潜热大、耐久性、经济性、储/放热性能优良的新型高潜热复合相变储能材料，是实现相变储能技术在日常生产生活中广泛利用的关键和根本，也是广大科研工作者一直在努力的方向。欢迎感兴趣的同学加入储能材料的开发，尤其是相变储能材料的研究和性能探索及应用工作中，让我们共同努力，为地球的节能减排和国家的“双碳”目标做出自己的一份贡献。

参考及出处：
[1] 图片来源：图行天下 https://www.photophoto.cn/pic/26547088.html.
[2] A.Papadimitratos, et al. Evacuated tube solar collectors integrated with phase change materials, Solar Energy, 2016, 129: 10-19.
[3] 图片来源: 网易房产沧州http://cangzhou.house.163.com/21/1013/11/GM6EBJMI0254009D.html.

导师简介

孔玉霞，博士，副教授，硕士研究生导师，2013年毕业于同济大学材料学专业。主要从事相变材料的开发、介质储能材料的设计、性能探索及热化学研究工作。作为项目负责人，主持完成国家自然科学基金青年项目1项，现主持山东省自然科学基金面上项目1项、山东省研究生优质课程建设项目1项和聊城大学博士基金1项。在Scripta Materialia, Science of The Total Environment等国际主流期刊发表SCI收录论文二十余篇，曾获聊城大学自然科学类优秀成果奖等奖项，在相关领域积累了丰富的专业知识和科研工作经验。
招生专业：物理化学