相變材料在建筑節(jié)能領(lǐng)域的潛力

　　隨著太陽緩緩升起，令人驚詫的一幕上演了：在美國西雅圖華盛頓大學(xué)的校園內(nèi)，一棟沐浴在晨光下的新建大樓逐漸開始融化。不過這可不是什么設(shè)計上的缺陷，而是一種特殊的材料——相變材料（PCM）玩的變身小把戲。其目的很簡單，就是要幫助建筑物節(jié)能。

　　據(jù)英國媒體近日報道，這棟建筑的墻壁和天花板采用了一種特制的凝膠材料，當夜幕降臨時，凝膠變成固體；而當白天到節(jié)能來，溫度升高，凝膠便會融化。這種材料在固態(tài)和液態(tài)之間的轉(zhuǎn)變就是所謂的相變。凝膠的這一特性可以幫助減少樓內(nèi)辦公室降溫所需的能源消耗。這棟在建大樓是華盛頓大學(xué)分子工程系的辦公用樓，預(yù)計到本月底，98%的工程就可完工。投入使用后，師生們就能體驗一把高科技的妙處。

　　當然，并不是所有的相變材料都需要這么高科技。在日常生活中接觸最為頻繁的冰也是相變材料的一種，冷凍和冷藏食物都離不開它。隨著材料科學(xué)的飛速進步以及能源成本的大幅提升，科學(xué)家也在加緊研發(fā)可在不同溫度下工作的相變材料，用于制冷、保溫和儲能領(lǐng)域。

　　相變材料之所以在節(jié)能領(lǐng)域別具吸引力，就在于它可通過吸收或釋放大量能源來保持近乎恒溫：當材料融化時，需要吸收能量來打破其原子間的分子鍵；而當材料固化時，分子鍵的形成又可以釋放能量。

華盛頓大學(xué)的這棟建筑所使用的凝膠是一種從植物油中提取的生物相變材料。每天晚上窗戶自動打開，室外的寒冷空氣涌入，凝膠就會變成固體，待到第二天融化時又能從周圍環(huán)境吸收熱量。這個原理與使用厚的混凝土或土坯墻來降低建筑物的室內(nèi)溫度波動類似，但凝膠的用量卻相對要少得多。

　　制造這種凝膠的相變能源解決方案公司創(chuàng)辦人彼得·霍瓦特說：“的生物相變材料厚度只有1.25厘米，但作為一種熱質(zhì)來說，卻能與厚度達25厘米的混凝土媲美。”

　　市場調(diào)研機構(gòu)勒克斯研究公司最近發(fā)布的一項報告預(yù)測，到2020年，相變材料在建筑行業(yè)的使用將從目前的年銷售額近乎于零增長到1.3億美元。

　　與此同時，很多其他的相變材料應(yīng)用也不斷涌現(xiàn)?？偛吭O(shè)在英國的星制冷公司使用二氧化碳來為數(shù)據(jù)中心降溫，二氧化碳在低溫下可從液態(tài)變?yōu)闅鈶B(tài)。面對如今的高性能服務(wù)器群散發(fā)出的熱量，即使是最先進的水冷卻系統(tǒng)也“束手無策”。但該公司最近通過管道讓二氧化碳流經(jīng)熱交換器，展示的散熱性能可達到目前計算機系統(tǒng)散熱性能的近兩倍。

　　高山牧民則利用從酥油和當?shù)刂参锕?jié)能油脂中提煉所得的相變材料來幫助御寒，他們所穿戴的傳統(tǒng)服裝就將這種材料外層裝裹上塑料然后織制而成的。牧民汗流浹背地徒步前往高山草場的路途中，身上所穿的服裝材料會逐漸融化，當他們停下步伐看守牧群時，熱量便會緩慢釋放出來，幫助身體保暖。目前有100多個家庭正在參與一個試驗項目，除了服裝外，他們還試用由相變材料制成的鋪蓋卷。研發(fā)這種化合材料的“一個地球設(shè)計”公司的斯科特·弗蘭克說：“那些使用它們的家庭已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，他們的燃料消耗量發(fā)生了顯著的變化。”

　　相變材料的另一個廣闊應(yīng)用前景是用于發(fā)展中國家的疫苗運輸。由于疫苗在運輸過節(jié)能環(huán)保程中需要保持冷卻，這對制冷技術(shù)有限的國家而言是一個挑戰(zhàn)，它們通常用冰塊來包裝，但疫苗一旦凍結(jié)，其有效性會嚴重受損。美國包裝制造商索諾科公司說，它已經(jīng)找到了解決方案，使用一種可在4攝氏度到8攝氏度之間發(fā)生相變的材料，能夠讓疫苗的冷藏期保持6天。索諾科公司正在測試這種包裝盒，以爭取達到世界衛(wèi)生組織的標準。

　　而在儲能領(lǐng)域，相變材料的應(yīng)用也可以助力太陽能發(fā)電。目前的太陽能集熱系統(tǒng)依賴于液態(tài)鹽來儲存熱量，雖然發(fā)電廠可以在陽光不太充裕的時候照樣開工，但卻需要大量液態(tài)鹽和龐大的絕緣儲存設(shè)施。德國碳纖維供應(yīng)商西格里公司表示，通過使用相變化合物，可將儲存材料所需的用量減少大約三分之二。該公司目前正在對一種原型材料展開測試。