Aus diesem Material sollen künftig Häuser gebaut werden, die im Winter warm und im Sommer kühl sind, ohne dass eine Klimaanlage nötig wäre.

Produziert von: Science Popularization China

Produziert von: Zhiyao Science

Hersteller: Computer Network Information Center, Chinesische Akademie der Wissenschaften

Es gibt ein Knittelvers-Sprichwort:

„Verdorrte Reben, alte Bäume, Krähen

Klimaanlage WiFi Wassermelone

Sofa im Ge You-Stil

Sonnenuntergang

Ich habe mich einfach nach vorne gelehnt."

Heizen im Winter und Klimatisieren im Sommer machen unser Leben komfortabler, belasten gleichzeitig aber die Umwelt.

Nach Angaben der China Building Energy Conservation Association stießen die Gebäude des Landes im Jahr 2018 2,11 Milliarden Tonnen Kohlendioxid aus, was 21,9 % der gesamten Kohlendioxidemissionen des Landes entspricht. Davon entfielen 50 bis 70 % auf den Energieverbrauch für Heizung und Klimatisierung von Gebäuden.

Um das Ziel der CO2-Neutralität bis 2060 zu erreichen, muss der Gesamtenergieverbrauch des Gebäudebetriebs dem Plan zufolge um etwa 90 Prozent gesenkt werden. Obwohl das Land viele Maßnahmen ergriffen hat, wie etwa die Aufforderung an die Bevölkerung, die Temperatur der Klimaanlagen um ein Grad zu erhöhen, reicht dies bei weitem nicht aus.

Wie können Energie gespart und Emissionen reduziert werden, ohne dass die Lebensqualität der Menschen beeinträchtigt wird? Die Forscher begannen mit dem Gebäude selbst und entwickelten neue Baumaterialien, um sicherzustellen, dass das Raumklima im Winter warm und im Sommer kühl ist. Eines davon ist „Phasenwechsel-Wärmespeichermaterial“.

Was ist Phasenwechsel-Wärmespeichermaterial?

Phasenwechselmaterialien (PCM) sind Materialien, die durch den Phasenwechselprozess von Materie Energie speichern können. Dies ist möglicherweise für jeden etwas schwer zu verstehen. "Was ist Phasenwechsel?" „Was ist Phasenwechsel-Wärmespeicherung?“

Lassen Sie uns diese beiden Probleme als Nächstes im Detail besprechen.

Was ist ein Phasenwechsel?

Als Phasenwechsel bezeichnet man den Vorgang, bei dem sich der physikalische Zustand (fest, flüssig, gasförmig usw.) einer Substanz ändert. Nehmen wir Wasser als Beispiel:

Wasser hat drei Zustände: Wasserdampf, Wasser und Eis, entsprechend der Gasphase, der Flüssigphase und der Festphase.

Wenn Wasser bei Raumtemperatur allmählich auf 100 °C erhitzt wird, kocht es allmählich und gibt eine große Anzahl von Blasen ab, bis es vollständig verdampft. Dieser Prozess, bei dem flüssiges Wasser in gasförmiges Wasser übergeht, wird als Gas-Flüssigkeits-Phasenübergang bezeichnet.

Geben Sie Wasser mit Zimmertemperatur in das Gefrierfach des Kühlschranks und kühlen Sie es weiter ab. Das Wasser kühlt allmählich ab und beginnt bei 0 °C zu gefrieren. Dabei verwandelt es sich in eine Mischung aus Eis und Wasser, bis es vollständig erstarrt und zu einem vollständigen Eisblock wird. Der Prozess, bei dem sich flüssiges Wasser in festes Wasser verwandelt, wird als flüssig-fester Phasenwechsel bezeichnet.

„Phasenwechsel“ des Wassers (Bildquelle: Veer Library)

Die überwiegende Mehrheit der verschiedenen Stoffe in der Natur kommt in den drei Aggregatzuständen fest, flüssig und gasförmig vor und kann auch entsprechende Phasenwechselprozesse durchlaufen.

Genau genommen bezeichnet die sogenannte Phase den homogenen Materialanteil mit gleichen physikalischen Eigenschaften im Materialsystem, der durch eine bestimmte Grenzfläche von anderen Anteilen getrennt ist.

Es sollte betont werden, dass Materie nur eine Gasphase hat, aber nicht unbedingt nur eine feste oder flüssige Phase. Beispielsweise sind Diamant und Graphit beides feste Phasen von Kohlenstoff, ihre physikalischen und chemischen Eigenschaften sind jedoch völlig unterschiedlich, sodass es sich um zwei unterschiedliche feste Phasen handelt. Auch der Prozess der Umwandlung von Graphit in Diamant ist ein Festkörper-Phasenwechsel. Ähnlich verhält es sich zwischen Wasser und Eis. Wasser hat einen flüssigen Zustand, während Eis sieben feste Phasen hat. Diese Fest-Fest- und Fest-Flüssig-Übergänge sind ebenfalls Phasenübergänge.

Was ist Phasenwechsel-Wärmespeicherung?

Ähnlich wie beim Schmelzen von Eis und Kochen von Wasser erfordert der Phasenwechselprozess oft, dass die Umgebung eine große Menge Wärme zuführt oder abführt. Diese Eigenschaft ist der Schlüssel zur Verwendung von Phasenwechselmaterialien als Wärmespeichermaterialien.

Nehmen wir weiterhin Wasser bei normaler Temperatur und normalem Druck als Beispiel:

Wenn wir Wasser unter 100 °C erhitzen, steigt die Temperatur allmählich an.

Bei Erreichen von 100 °C beginnt das Wasser zu kochen und die Temperatur bleibt bei 100 Grad, bis es vollständig in Gas umgewandelt ist.

Wenn Sie den Wasserdampf weiter erhitzen, nachdem er vollständig zu Gas geworden ist, steigt die Temperatur weiter an.

Schematische Darstellung der Wassertemperaturänderung durch gespeicherte Wärme (Bildquelle: vom Autor bereitgestellt)

Es zeigt sich, dass bei steigender Temperatur, während der Phasenwechsel stattfindet, die Temperatur des Wasser-Wasserdampf-Systems innerhalb eines ziemlich großen Energiespeicherbereichs unverändert bleiben kann. Mit anderen Worten, es kann innerhalb eines konstanten Temperaturbereichs eine große Menge Wärme aufnehmen oder abgeben. Dies ist das Grundprinzip der Phasenwechsel-Wärmespeicherung.

Mit der Phasenwechsel-Wärmespeicherung verfügen wir über eine thermische Energiebank – bei hohen Temperaturen wird die überschüssige Wärme gespeichert, um das System kühl zu halten; Bei niedrigen Temperaturen wird die Wärme freigesetzt, um das System warm zu halten. Solange der Wärmedurchsatz innerhalb des Toleranzbereichs der „Bank“ bleibt, bleibt die Temperatur des Systems bei diesem Vorgang unverändert, genau wie beim Siedevorgang von Wasser.

Noch erstaunlicher ist, dass unterschiedliche Substanzen unterschiedliche Phasenübergangstemperaturen haben. Durch die Auswahl geeigneter Materialien kann der Phasenwechsel-Wärmespeicherprozess bei einer bestimmten Temperatur aufrechterhalten werden.

Typische Phasenwechselmaterialien sind neben Wasser unter anderem:

Anorganische Salze/hydratisierte anorganische Salze: Dieser Materialtyp verfügt über einen sehr breiten Arbeitsbereich und ist ein häufiger verwendetes Phasenwechsel-Wärmespeichermaterial. Die höheren Aluminiumsilikatsalze haben einen Schmelzpunkt von etwa 600 °C und eine Phasenübergangswärme von etwa 500 kJ/kg und werden im Allgemeinen in Hochtemperaturbereichen verwendet. Die niedrigeren hydratisierten Acetate liegen bei etwa 50 Grad und werden im Allgemeinen zur Temperaturkontrolle nahe Raumtemperatur verwendet.

Paraffin: Bei Verwendung als Phasenwechselmaterial liegt die Betriebstemperatur im Allgemeinen im normalen Temperaturbereich von 40 bis 70 °C und die Phasenwechselwärme beträgt etwa 200 kJ/kg.

Hightech-Nanomaterialien: Darüber hinaus gibt es zahlreiche hochmoderne Forschungsarbeiten, die eine präzisere Steuerung der Temperatur und der Phasenübergangswärme von PCM anstreben und bei der Entwicklung einer Reihe synthetischer Präparate für PCM im Nanomaßstab Pionierarbeit geleistet haben, darunter vor allem Mikrokapseln, Polymerpartikel, Verbundwerkstoffe auf Graphenbasis, Verbundwerkstoffe aus Metallschaum und Graphit usw.

Durch die Wahl des richtigen PCM können wir das System auf der gewünschten Temperatur halten.

Vielleicht haben Sie an dieser Stelle bereits einige Ideen, wie Sie ein Haus bauen können, das im Winter warm und im Sommer kühl ist. Dann schauen wir uns an, wie man Materialien zur Phasenwechsel-Wärmespeicherung einsetzt!

Anwendung von Phasenwechsel-Wärmespeichermaterialien

Bevor wir ein Haus mit PCM bauen, üben wir mit ein paar einfachen Beispielen:

1. Alter „Kühlschrank“

Angenommen, Sie würden in die Antike zurückkehren und ohne die Hilfe moderner Technologie im heißen Sommer trotzdem kühles, gekühltes Obst essen wollen. Was würden Sie tun?

Das stimmt, unsere Vorfahren hatten die gleiche Idee wie Sie und nutzten das im Winter in Höhlen gespeicherte Eis als Energiespeichermaterial für Phasenwechsel. Die aus der Umgebung übertragene Wärme wird im Wärmespeicher aus Eis gespeichert, wodurch die niedrige Temperatur des Inhalts aufrechterhalten wird. und im Winter kann das Wasser wieder zu Eis gefrieren, wodurch ein neuer Zyklus beginnt. Dieser Behälter wird „Bingjian“ genannt.

Bronzener Eisspiegel von Zenghouyi (Bildquelle: Referenz 6)

Die Verwendung von Eiskrügen lässt sich bis in die Westliche Zhou-Dynastie zurückverfolgen. Im „Buch Zhou: Himmlische Beamte: Lingren“ steht: „Eiskrüge werden als Opfergaben bei Opferungen verwendet.“ Im Allgemeinen sind Eisbehälter in zwei Schichten unterteilt: Die äußere Schicht dient zur Aufnahme von Eiswürfeln und die innere Schicht dient zur Aufbewahrung von Lebensmitteln oder Wein. In der Außenschicht befinden sich kleine Löcher. Wenn das Eis zu Wasser schmilzt, fließt es unten heraus, was auch die Temperatur im gesamten Raum senken kann. Yuan Zhen, ein berühmter Dichter der Tang-Dynastie, verwendete ebenfalls einen Eisspiegel, um den Mond zu beschreiben: „Der Eisspiegel des Jiang-Flusses ist hell und die gelbe Straße ist majestätisch.“ („Dreißig Reime des Mondes“)

2. Wasserbecher mit konstanter Temperatur

Obwohl eiskalter Tee gut schmeckt, möchten Sie im kalten Winter vielleicht lieber warmen Tee trinken. Wenn wir im kalten Winter jederzeit heißes Wasser trinken möchten, kommen wir um eine Thermoskanne nicht herum. Allerdings ist die Aussage „Beim Öffnen des Deckels ist es im Mund heiß und es dauert eine Weile, bis es abkühlt“ zu einem Problem geworden, mit dem wir uns auseinandersetzen müssen. Was sollten Sie tun, wenn Sie immer warmes Wasser mit einer Temperatur von etwa 50 °C trinken möchten?

Es ist nicht schwer zu erkennen, dass die Designidee genau dieselbe ist wie die des Eisbehälters. Es muss lediglich die äußere Eisschicht in ein Material umgewandelt werden, das bei etwa 50 °C einen Phasenwechsel durchläuft.

Durch Nachforschungen haben wir herausgefunden, dass der Schmelzpunkt von Natriumacetat-Trihydrat bei etwa 58 °C liegt und sich daher perfekt zum Einfüllen in die Außenwand eines Thermosbechers eignet.

Was passiert, wenn wir 95 °C heißes Wasser in einen solchen Thermosbecher gießen? Die Wärme des heißen Wassers wird schnell auf das Natriumacetat-Trihydrat an der Außenwand übertragen und „gespeichert“. Da das Natriumacetat-Trihydrat während des Phasenwechsels eine Temperatur von 58 °C beibehält, wird auch das Wasser in der Tasse schnell auf diese Temperatur abgekühlt. Darüber hinaus wird die im Natriumacetat-Trihydrat gespeicherte Wärme wieder entzogen, wenn Sie diese Tasse Wasser längere Zeit nicht trinken, um die Wassertemperatur in der Tasse aufrechtzuerhalten. Wer liebt nicht eine Tasse Wasser, die automatisch kühlt und warm hält?

Schematische Darstellung des Designs des Wasserbechers mit konstanter Temperatur (links)

Die Temperatur von heißem Wasser in einem normalen Wasserbecher (rot) und einem Wasserbecher mit konstanter Temperatur (blau) ändert sich mit der Zeit. Es ist nicht schwer zu erkennen, dass man bei Verwendung eines Bechers mit konstanter Temperatur über einen längeren Zeitraum Wasser mit der entsprechenden Temperatur trinken kann (Bildquelle: vom Autor bereitgestellt)

3. Raum mit konstanter Temperatur

Mit derselben Idee haben Forscher auch viele Materialien zur Speicherung von Phasenwechselenergie für den Bau entwickelt und versuchen damit, einen Raum mit „konstanter Temperatur“ zu schaffen, in dem es das ganze Jahr über frühlingshaft ist. Bei der Konstruktion und Herstellung von Räumen mit „konstanter Temperatur“ wurden gängige Materialsysteme wie Paraffin, Fettsäuren, Salzhydrate, Polymere, Schaummetalle, Verbundwerkstoffe auf Graphenbasis usw. verwendet. Durch das Einspritzen der oben genannten Materialien in die Wandzwischenschicht kann die Toleranz des Raumes gegenüber Temperaturschwankungen erheblich verbessert werden.

Die Universität Darmstadt in Deutschland hat viele Niedrigenergiehäuser unter Verwendung von PCM-Materialien entworfen. Als Decken kommen PCM-Kalkplatten zum Einsatz. Im Innenbereich sind keine zusätzlichen Kühl- und Heizsysteme vorgesehen. Allein die Wärmespeicherkapazität von PCM kann eine stabile Temperatur in Innenräumen aufrechterhalten.

Ihnen ist vielleicht schon aufgefallen, dass Phasenwechsel-Wärmespeicher als Wärmeenergie-„Bank“ Wärme nicht unbegrenzt speichern und transportieren können. Die Obergrenze ihrer Speicher- und Transportfähigkeit ist die gesamte Phasenwechselwärme des Phasenwechselmaterials.

Stellen Sie sich vor, wir gießen kontinuierlich 95 °C heißes Wasser in eine Tasse mit konstanter Temperatur und wenn die in der Tassenwand gespeicherte Wärme die Phasenübergangswärme des Natriumacetat-Trihydrats übersteigt, wird das Natriumacetat-Trihydrat in der Tassenwand vollständig flüssig. Wenn wir zu diesem Zeitpunkt weiterhin heißes Wasser hinzufügen, hat die Tassenwand keinen konstanten Temperatureffekt mehr. Zu diesem Zeitpunkt müssen wir das flüssige Natriumacetat-Trihydrat an der Becherwand abkühlen lassen und ihm etwas Energie entziehen, damit es weiterhin seine Funktion zur konstanten Temperaturhaltung erfüllen kann. Sie können beispielsweise eine Tasse kaltes Wasser hinzufügen, und die Becherwand erwärmt das kalte Wasser automatisch auf 58 °C. oder es an der Luft stehen lassen, damit die Wärme abgeführt wird. All dies ist möglich.

Dasselbe gilt für Gebäude. Wenn sie tage- oder sogar monatelang hohen Temperaturen oder Kälte ausgesetzt sind, ist ihre Tragfähigkeit begrenzt. Daher werden in der Praxis in der Regel Zusatzheizungen und Wärmeübertragungsanlagen entsprechend den örtlichen Temperaturbedingungen eingesetzt, um eine vollständige Temperaturregelung zu erreichen. Im Vergleich dazu, wenn Klimaanlage und Heizung den ganzen Tag über eingeschaltet sind, ist die Wärmeentwicklung viel geringer.

Phasenwechsel-Wärmespeichergebäude und „Kohlenstoffneutralität“

Die traditionelle fossile Energieversorgung ist relativ stabil. Denn weder Wind, Donner noch Regen können verhindern, dass Kohle in den Ofen geworfen und verbrannt wird. Bei neuer Energie ist das jedoch nicht der Fall.

Die meisten sauberen Energiequellen, darunter Photovoltaik und Windkraft, weisen eine erhebliche Instabilität auf: Die Leistung der Photovoltaik hängt von den Sonneneinstrahlungsbedingungen ab, während die Leistung der Windkraft von der Luftströmung abhängt. Dies führt zu Schwankungen bei den Stromkosten, wobei die Kosten für die Stromversorgung mal hoch und mal niedrig sind.

Wenn Sie diese Energiequellen als Hauptmethode zum Heizen und Kühlen verwenden, stehen Sie vor einem großen Zeitverteilungsproblem: Wenn beispielsweise jetzt genügend Strom vorhanden ist, die Temperatur jedoch nicht hoch ist, möchten Sie die Klimaanlage nicht einschalten. Wenn die Temperatur steigt, ist nicht genügend Strom vorhanden.

Durch die Anwendung von Phasenwechsel-Wärmespeichermaterialien wird die zeitliche Verteilung der Wärmeenergie im Wesentlichen zu einer einfachen Angelegenheit: Bei ausreichender Leistung speichert die Heizung/Kühlung die Wärme in der Wand und gibt sie ab, wenn die Leistung nicht ausreicht. Dadurch wird die Nutzungsrate neuer Energie erheblich verbessert und der Kohlenstoffausstoß reduziert.

Mittlerweile sind einige PCM-Materialien auf dem Markt und werden nach und nach kommerzialisiert. Auch Forscher widmen sich ihrer Untersuchung, in der Hoffnung, ein besseres Phasenwechsel-Wärmespeichersystem zu finden. Mit den stetigen Fortschritten im Plan zur CO2-Neutralität kommen wir der Vision, „jeden Haushalt in eine CO2-arme Hütte zu verwandeln“, immer näher.

Quellen:

(1) Li Bei, Liu Daoping, Yang Liang. Forschungsfortschritt bei zusammengesetzten Phasenwechsel-Wärmespeichermaterialien[J]. Journal of Refrigeration, 2017, 38(04): 36-43.

(2) Zhu Chuanhui, Li Baoguo. Forschungsstand zu Phasenwechsel-Wärmespeichermaterialien für die Solarheizung [J]. Chinesisches Journal für Materialfortschritt, 2017, 36(03): 236-240.

(3) Chang Zhao, Chen Baoming, Luo Dan. Forschungsfortschritt bei Materialien zur Phasenwechsel-Energiespeicherung[J]. Gas und Wärme, 2021, 41(04): 21-27+98-99.

(4) Jiang Yu, Wang Qian, Wang Dong, Zhao Tong. Forschungsfortschritt bei Mikrokapseln zur Phasenwechsel-Energiespeicherung bei hohen Temperaturen[J]. Journal of Engineering Science, 2021, 43(01): 108-118.

(5) Li Binhong, Zhao Tianyu. Forschungsfortschritt der Phasenwechsel-Wärmespeichertechnologie zur Energieeinsparung in Passivhäusern [J]. China Residential Facilities, 2020(10):113-114. (6) Zhou Ran. Die antiken Kühlschränke ermöglichten es den Adligen, den Sommer gemütlich zu verbringen und mit ihrem Reichtum anzugeben [J]. Nationale Geisteswissenschaften und Geschichte, 2020(15):36-43.