近日，制冷與低溫工程研究所王如竹教授ITEWA創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)在Energy & Environmental Science上發(fā)表了題為“Fewer temperature ties: scalable integration and broad selection of phase change materials for both heating and cooling”的研究論文，提出了雙效能準(zhǔn)兩級熱泵耦合中間儲熱的供熱或空調(diào)制冷解決方案，使單一相變儲熱裝置同時(shí)實(shí)現(xiàn)冬季儲熱與夏季儲冷。研究結(jié)果表明了該系統(tǒng)在全球范圍內(nèi)的規(guī)模化應(yīng)用潛力，首次揭示了全球季節(jié)性供暖和制冷策略，為全球供暖和制冷普惠提供了啟示。制冷與低溫工程研究所博士生寇小雪為論文第一作者，王如竹教授為通訊作者。
全球約三分之一的人口面臨冬季取暖和夏季制冷的需求。在可再生能源戰(zhàn)略的背景下，相變儲熱技術(shù)與熱泵相結(jié)合的研究持續(xù)受到關(guān)注。然而，現(xiàn)有方法在同時(shí)滿足供熱和制冷雙重要求時(shí)，往往不得不聯(lián)用多個(gè)定制化的儲能裝置，不僅加重經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)，還會在大規(guī)模應(yīng)用中，因材料定制問題限制了該技術(shù)的廣泛推廣。因此簡化系統(tǒng)配置并增強(qiáng)其多功能性，是推動熱泵與熱能儲存耦合系統(tǒng)朝著季節(jié)性熱能供應(yīng)方向發(fā)展的關(guān)鍵要素。
論文提出了一種用于雙季節(jié)使用的中間相變儲熱解決方案。結(jié)合雙效能準(zhǔn)兩級熱泵，相變溫度介于環(huán)境溫度與供能溫度之間的相變材料可以同時(shí)作為冬季儲熱與夏季儲冷。論文建立了包含相變溫度在10-30℃區(qū)間的90種中間相變材料數(shù)據(jù)庫。針對全球有季節(jié)性供熱和制冷需求的地區(qū)，該文為51個(gè)國家/地區(qū)和 95個(gè)省/州/自治區(qū)選擇了具有顯著優(yōu)勢的中間相變儲熱材料。通過高通量篩選，研究確定了選用相變溫度在10.5-22℃之間的材料具有顯著優(yōu)勢。在美國阿肯色州、中國北京，以及美國明尼蘇達(dá)州和中國上海，通過部署該系統(tǒng)，以需求為導(dǎo)向的能源供應(yīng)策略可以得到顯著性能提升。與非集成熱泵相比，年性能系數(shù)提高了11.73%至21.99%，與單獨(dú)的儲熱與儲冷系統(tǒng)相比，年性能系數(shù)提高了51.31%。該集成系統(tǒng)克服了成本障礙，同時(shí)最大限度地減少了土地占用，并在全球氣候變化中表現(xiàn)出很好的適應(yīng)能力。該解決方案為實(shí)現(xiàn)全球供暖和制冷普惠提供了一種新方法，促進(jìn)人類獲得更加平等便捷的基本能源服務(wù)。
王如竹教授領(lǐng)銜的“能源-水-空氣”交叉學(xué)科創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)ITEWA長期致力于解決能源、水、空氣交叉領(lǐng)域的前沿基礎(chǔ)性科學(xué)問題和關(guān)鍵技術(shù)，旨在通過學(xué)科交叉實(shí)現(xiàn)材料-器件-系統(tǒng)層面的整體解決方案，推動相關(guān)領(lǐng)域的進(jìn)展。團(tuán)隊(duì)近年來在Science、Nature Reviews Materials、Nature Water、Joule等期刊發(fā)表了系列跨學(xué)科交叉論文。
論文鏈接：https://doi.org/10.1039/D4EE04223A
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