储热凝胶调节室温,有望大幅削减建筑能耗

一类正在兴起的储热凝胶,目标直指建筑在采暖与制冷上的能源消耗。初步测试结果看起来不错,研究人员已经把屋顶、墙体、窗户乃至热水器和空调模块列为下一批落地对象。

这类材料被称为 salogel(盐凝胶),本质是负载了水合盐的聚合物凝胶——水合盐的晶体内部锁着水分子。在最近的一项研究中,德州农工大学的研究团队回顾了这类凝胶的演进路径,以及它们在建筑领域的潜在用法。

原理和冰块一样简单

储热凝胶利用的原理,和冰块让饮料变凉完全一致:冰在融化时吸收热量,自身温度却不会升高。在固液之间切换的相变材料也是如此——熔化时吸热,凝固时放热。这一族材料既包括石蜡等蜡类,也包括晶体中含水的结晶水合盐。

研究者更看好水合盐。按单位体积计算,它能储存的热量是石蜡(长期作为储热基准的蜡)的两倍以上;同时它不易燃烧,成本也可以做得相当低。例如六水合氯化钙,就是纯碱(碳酸钠)生产过程中的副产物。

但问题也很明显,这正是此类盐迟迟进不了建筑市场的原因:熔化后它们变成液体,会渗漏流失,有时还会分层。工程师尝试过用多孔载体吸附或胶囊封装来约束它们,但这些方案通常只能让盐占到材料的 70% 以下,而且封装工艺让制造变得复杂。

除建筑之外,salogel 还被寄望用于电池、电子设备和防冰表面(图源:德州农工大学工程学院)

加一点聚合物,把盐锁住

Salogel 走了另一条路:只需掺入少量聚合物,就能把盐固定在原位。采用可逆键(能够断裂并重新形成)的版本,可以保留纯盐储热能力的 80% 到 95%。

“Salogel 代表着从单纯储热,转向设计兼具储热与能量转换功能的多功能材料。”该研究作者之一、德州农工大学软物质平台的 Kartik Kumar Rajagopalan 表示,“理解聚合物在分子层面如何与水合盐相互作用,我们才能真正设计出面向实际能源应用、性能可定制的材料。”

团队提出了两种建筑应用方式。其一是被动式:把材料嵌入屋顶、墙体或窗户,让它跟随昼夜温差吸放热。其二是动态式:把它装进空调机组、热水器等模块中。

目前的测试规模不大,但结果颇有说服力。在一栋模型房屋中,地板下铺设了三根填充三水合醋酸钠凝胶的管路,可以按需触发其中一根、两根或全部三根放热。在另一项测试中,一栋 3D 打印房屋的墙面涂覆了 salogel:与未涂覆的同样房屋相比,它在凝胶熔化阶段室内明显更凉,在结晶阶段则明显更暖。用在窗户上时,凝胶白天熔化、变透明并吸热降温;夜晚结晶、放热并转为不透明。

距离实用还有几道坎

尽管前景令人兴奋,作者们也承认障碍不少。凝胶越硬,储能越少;储热能力最强的配方反而偏软。此外凝胶必须能按需放热,因为有些盐即便温度已经降到凝固点以下,仍会保持液态。聚合物网络对此有帮助,但具体机制还没被充分理解。防潮、规模化生产、以及经历多次吸放热循环后的耐久性都仍是未知数,真实建筑究竟能省下多少能源也无从确定。

下一步,作者建议借助仿真与 AI 来预测哪种聚合物能溶于哪种盐,并探索熔点可调的盐混合物、自身就能储热的聚合物,以及 3D 打印、凝胶纤维等新制造工艺。他们表示,最终目标是做出一种坚韧、可回收,能在建筑中稳定服役多年的材料。

来源:德州农工大学