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有打油詩云：

“ 枯藤老樹昏鴉

空調 WiFi 西瓜

葛優同款沙發

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的測算，2018 年全國建築執行碳排放 21。1 億噸二氧化碳，佔全國碳排放比重 21。9%，其中建築的採暖與空調能耗佔比高達 50% — 70%。

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

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

什麼是相變蓄熱材料？

相變蓄熱材料（Phase Change Materials，縮寫為 PCM），指一類能夠透過物質的相變過程來儲存能量的材料。這樣說，大家可能有點難理解。“ 相變是什麼？”“ 相變蓄熱又是啥？”

接下來，我們就先細細討論一下這兩個問題。

相變是什麼？

相變，也就是物質的物相（固、液、氣等）發生變化的過程 ， 以水為例：

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，水會逐漸沸騰，冒出大量氣泡，直到完全蒸發，這個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 相簿）

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。

嚴格來說，所謂相，指的是物質系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介面隔離開來。

需要強調的是，物質只有一種氣相，但並非一定只有一種固相或液相。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。

相變蓄熱又是什麼？

類似冰融化和水沸騰，在相變的過程中往往需要環境為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熱材料的關鍵。

仍然以常溫常壓下的水為例：

在 100 ℃之前，我們給水加熱，溫度會逐漸上升；

到達 100 ℃時，水會發生沸騰現象，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，溫度會繼續上升；

水的溫度隨儲存熱量變化示意（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 - 水蒸氣這個體系的溫度得以在相當大的儲能範圍內保持不變。換言之，它可以在恆定的溫度範圍內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，我們就相當於有了一個熱能 “ 銀行 ” ——高溫時將過剩的熱量儲存進去，維持系統的涼爽；低溫時再將熱量放出，維持系統的溫暖。在這個過程中，只要保持熱量的吞吐始終在 “ 銀行 ” 的承受範圍內，系統的溫度就會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。我們可以選擇合適的材料，使得這個相變儲熱的過程維持在一個特定的溫度下。

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，是較為常用的相變蓄熱材料，較高的鋁矽鹽類的熔化溫度約為 600 ℃，相變熱大約在 500kJ/kg，一般用於高溫領域；較低的水合乙酸鹽則大約在 50 度附近，一般用於常溫附近的溫度控制。

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

高新奈米材料：前沿研究中也有不少工作在嘗試對 PCM 進行更加精細的溫度與相變熱的控制，開拓了一系列奈米級 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。

透過選擇恰當的 PCM，我們可以實現想讓系統維持在什麼溫度，就可以讓系統維持在什麼溫度。

說到這裡，也許你已經對怎麼造一個冬暖夏涼的房子有些想法了。那麼接下來，我們就看看相變蓄熱材料該怎麼投入應用吧！

相變蓄熱材料的應用

在用 PCM 造房子之前，咱們先來拿幾個簡單的例子練練手：

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，該怎麼辦呢？

沒錯，老祖宗們也和你有一樣的想法，用冬天儲存在山洞裡的冰作為相變儲能材料。把環境傳進來的熱量存進冰塊這個熱量 “ 銀行 ”，從而維持住內容物的低溫；而到了冬天，這些水就又可以凍成冰，進行新一輪的迴圈。這一容器被稱為 “ 冰鑑 ”。

曾侯乙青銅冰鑑（圖片來源：參考文獻 6）

對冰鑑的利用可追溯至西周，《周禮 · 天官 · 凌人》記載：“ 祭祀供冰鑑。” 一般的冰鑑分為內外兩層，外層盛裝冰塊，內層貯藏食物或酒。外層留有小孔，冰化成水後即會從下方流出，順便還能降低整個房間的溫度。唐代著名詩人元稹也曾用冰鑑來喻月：“ 絳河冰鑑朗，黃道玉輪巍。”（《月三十韻》）

2。“ 恆溫 ” 水杯

冰爽雖好，但寒冬來臨時你也許會想喝些溫熱的茶水。要想在寒冷的冬天隨時喝到熱水，我們離不開保溫杯，然而 “ 開蓋燙嘴，降溫費時 ” 卻成為我們不得不面對的難題。如果希望總能喝到 50 ℃左右溫水的話，應該怎麼辦呢？

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

透過查詢我們發現，三水醋酸鈉的熔點大約在 58 ℃，將它填充在恆溫杯的外壁裡再好不過了。

當我們將 95 ℃的熱水注入這樣的恆溫杯後會發生什麼呢？熱水裡的熱量會迅速被傳導至外壁的三水醋酸鈉內 “ 儲存 ” 起來，由於三水醋酸鈉在發生相變時會維持在 58 ℃，杯內的水也會隨之迅速被冷卻到這個溫度；不僅如此，如果你長時間沒有飲用這杯水，剛剛儲存在三水醋酸鈉內的熱量又會被取出來，維持杯內的水溫。一杯自動冷卻、自動保溫的水，誰不愛呢。

恆溫水杯設計示意圖（左）

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

3。“ 恆溫 ” 房間

在同樣的構思下，研究人員們也製造出了許多用於建築的相變儲能材料，來嘗試製造四季如春的 “ 恆溫 ” 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系均已被應用在 “ 恆溫 ” 房間的設計製造中。透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 石灰板作為吊頂，室內不額外設計製冷和供暖系統，僅利用 PCM 的儲熱能力就可以使室內維持穩定的溫度。

你可能已經意識到，相變蓄熱材料作為一個熱能 “ 銀行 ”，不可能無限地儲存和搬運熱量，它能夠儲存搬運的上限就是相變材料的總相變熱。

試想，如果我們一直將 95 ℃的熱水倒進恆溫杯，當杯壁儲存的熱量超過了三水乙酸鈉的相變熱之後，杯壁裡的三水乙酸鈉就會完全變成液體，這時候如果繼續加入熱水，杯壁就不再具有恆溫作用了。這時，我們必須讓杯壁的液態三水乙酸鈉冷卻一下，取出一部分能量，才能繼續發揮它的恆溫作用——比如說可以加入一杯冷水，杯壁會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，它的搬運能力也會顯得侷促。因此在實際應用中，一般也會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—而相較於整日開空調暖氣，這個熱量可就小太多了。

相變蓄熱建築與 “ 碳中和 ”

傳統的化石能源供能是比較穩定的，畢竟颳風打雷下雨都不耽誤把煤礦丟進爐子裡燒，但新能源就不是這麼一回事了。

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

如果用這些能源作為主要的取暖、製冷方式，將面臨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了一件簡單的事：電量充足時制熱 / 製冷將熱儲存在牆內，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化，研究人員們也在潛心鑽研，期望找到更加優秀的相變蓄熱體系。隨著碳中和計劃的穩步前進，我們離 “ 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：

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

（5）李濱紅 ， 趙天宇 。 相變儲熱技術用於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 。 水殿開冰鑑 ， 瓊漿凍玉壺 古代冰箱讓貴族逍遙度夏，隨心炫富 ［ J ］ 。 國家人文歷史 ，2020 （ 15 ） ：36-43。

【來源：科普中國網】

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