Sản xuất bởi: Science Popularization China
Sản xuất bởi: Zhiyao Science
Nhà sản xuất: Trung tâm thông tin mạng máy tính, Viện Hàn lâm khoa học Trung Quốc
Có một câu thơ như sau:
"Cây nho héo, cây già, quạ
Máy lạnh WiFi dưa hấu
Ghế sofa kiểu Ge You
Hoàng hôn
Tôi chỉ cúi về phía trước thôi."
Hệ thống sưởi ấm vào mùa đông và điều hòa không khí vào mùa hè giúp cuộc sống của chúng ta thoải mái hơn, nhưng đồng thời, chúng cũng làm tăng gánh nặng cho môi trường.
Theo Hiệp hội Bảo tồn Năng lượng Xây dựng Trung Quốc, năm 2018, hoạt động xây dựng của nước này đã thải ra 2,11 tỷ tấn carbon dioxide, chiếm 21,9% tổng lượng phát thải carbon của cả nước, trong đó mức tiêu thụ năng lượng sưởi ấm và điều hòa không khí trong các tòa nhà chiếm tới 50%-70%.
Theo kế hoạch, để đạt được mục tiêu trung hòa carbon vào năm 2060, tổng mức tiêu thụ năng lượng của hoạt động xây dựng phải giảm khoảng 90%. Mặc dù đất nước đã thực hiện nhiều biện pháp như khuyến khích người dân tăng nhiệt độ máy điều hòa thêm một độ nhưng vẫn chưa đủ.
Làm thế nào để tiết kiệm năng lượng và giảm phát thải trong khi vẫn đảm bảo chất lượng cuộc sống của người dân? Các nhà nghiên cứu bắt đầu từ chính tòa nhà và phát triển các vật liệu xây dựng mới để đảm bảo môi trường trong nhà ấm áp vào mùa đông và mát mẻ vào mùa hè. Một trong số đó là "vật liệu lưu trữ nhiệt thay đổi pha".
Vật liệu lưu trữ nhiệt thay đổi pha là gì?
Vật liệu thay đổi pha (PCM) là loại vật liệu có thể lưu trữ năng lượng thông qua quá trình thay đổi pha của vật chất. Có thể điều này hơi khó hiểu với một số người. "Sự thay đổi pha là gì?" "Lưu trữ nhiệt thay đổi pha là gì?"
Tiếp theo, chúng ta hãy thảo luận chi tiết về hai vấn đề này.
Thay đổi pha là gì?
Sự thay đổi pha là quá trình trong đó trạng thái vật lý (rắn, lỏng, khí, v.v.) của một chất thay đổi. Lấy nước làm ví dụ:
Nước có ba trạng thái: hơi nước, nước và băng, tương ứng với pha khí, pha lỏng và pha rắn.
Khi nước ở nhiệt độ phòng được đun nóng dần đến 100°C, nước sẽ sôi dần và tạo ra nhiều bọt khí cho đến khi bay hơi hoàn toàn. Quá trình nước lỏng chuyển thành nước khí này được gọi là quá trình chuyển pha khí-lỏng.
Đổ nước ở nhiệt độ phòng vào ngăn đá của tủ lạnh và tiếp tục làm mát. Nước sẽ dần nguội đi và bắt đầu đóng băng ở 0℃, chuyển thành hỗn hợp nước và đá cho đến khi đông cứng hoàn toàn và trở thành khối băng hoàn chỉnh. Quá trình nước lỏng chuyển thành nước rắn được gọi là sự chuyển pha lỏng-rắn.
"Sự thay đổi pha" của nước (Nguồn hình ảnh: Thư viện Veer)
Phần lớn các chất khác nhau trong tự nhiên tồn tại ở ba trạng thái rắn, lỏng và khí, và cũng có thể trải qua các quá trình thay đổi pha tương ứng.
Nói một cách chính xác, cái gọi là pha là phần vật liệu đồng nhất có cùng tính chất vật lý trong hệ vật liệu, được tách biệt với các phần khác bằng một giao diện nhất định.
Cần nhấn mạnh rằng vật chất chỉ có một pha khí, nhưng không nhất thiết chỉ có một pha rắn hoặc lỏng. Ví dụ, kim cương và than chì đều là pha rắn của cacbon, nhưng tính chất vật lý và hóa học của chúng hoàn toàn khác nhau, do đó chúng là hai pha rắn khác nhau. Quá trình than chì biến thành kim cương cũng là quá trình chuyển đổi pha rắn-rắn. Mối quan hệ giữa nước và băng cũng tương tự. Nước có một trạng thái lỏng, trong khi nước đá có bảy trạng thái rắn. Những chuyển đổi rắn-rắn và rắn-lỏng này cũng là những chuyển đổi pha.
Lưu trữ nhiệt thay đổi pha là gì?
Tương tự như quá trình tan chảy của băng và sôi của nước, quá trình thay đổi pha thường đòi hỏi môi trường cung cấp hoặc loại bỏ một lượng nhiệt lớn. Tính năng này là chìa khóa để vật liệu thay đổi pha được sử dụng làm vật liệu lưu trữ nhiệt.
Vẫn lấy nước ở nhiệt độ và áp suất bình thường làm ví dụ:
Trước 100℃, khi chúng ta đun nước, nhiệt độ sẽ tăng dần;
Khi đạt đến 100°C, nước sẽ sôi và nhiệt độ sẽ duy trì ở mức 100 độ cho đến khi nước hoàn toàn chuyển thành khí;
Sau khi tất cả chuyển thành khí, nếu bạn tiếp tục đun nóng hơi nước, nhiệt độ sẽ tiếp tục tăng;
Sơ đồ nhiệt độ nước thay đổi theo nhiệt lượng được lưu trữ (Nguồn ảnh: do tác giả cung cấp)
Có thể thấy rằng khi nhiệt độ tăng, trong khi sự thay đổi pha xảy ra, nhiệt độ của hệ hơi nước có thể không đổi trong phạm vi lưu trữ năng lượng khá lớn. Nói cách khác, nó có thể hấp thụ hoặc giải phóng một lượng nhiệt lớn trong phạm vi nhiệt độ không đổi. Đây là nguyên lý cơ bản của phương pháp lưu trữ nhiệt thay đổi pha.
Với hệ thống lưu trữ nhiệt thay đổi pha, chúng ta có một "ngân hàng" năng lượng nhiệt - khi nhiệt độ cao, nhiệt dư thừa sẽ được lưu trữ để giữ cho hệ thống mát; khi nhiệt độ thấp, nhiệt sẽ được giải phóng để giữ ấm cho hệ thống. Trong quá trình này, miễn là lượng nhiệt truyền qua được giữ trong phạm vi dung sai của "ngân hàng" thì nhiệt độ của hệ thống sẽ không đổi, giống như quá trình đun sôi nước.
Điều tuyệt vời hơn nữa là các chất khác nhau có nhiệt độ chuyển pha khác nhau. Chúng ta có thể lựa chọn vật liệu phù hợp để quá trình lưu trữ nhiệt chuyển pha được duy trì ở nhiệt độ cụ thể.
Ngoài nước, các vật liệu thay đổi pha điển hình bao gồm:
Muối vô cơ/muối vô cơ ngậm nước: Loại vật liệu này có phạm vi làm việc rất rộng và là vật liệu lưu trữ nhiệt thay đổi pha được sử dụng phổ biến hơn. Các muối nhôm silicat cao hơn có điểm nóng chảy khoảng 600°C và nhiệt chuyển pha khoảng 500kJ/kg và thường được sử dụng trong các lĩnh vực nhiệt độ cao; các axetat ngậm nước thấp hơn có nhiệt độ khoảng 50 độ và thường được sử dụng để kiểm soát nhiệt độ gần nhiệt độ phòng.
Parafin: Khi sử dụng làm vật liệu chuyển pha, nhiệt độ hoạt động thường nằm trong khoảng nhiệt độ bình thường từ 40~70℃, nhiệt chuyển pha khoảng 200kJ/kg.
Vật liệu nano công nghệ cao: Ngoài ra còn có nhiều công trình nghiên cứu tiên tiến cố gắng kiểm soát chính xác hơn nhiệt độ và nhiệt thay đổi pha của PCM và đã đi tiên phong trong một loạt các chế phẩm tổng hợp PCM ở quy mô nano, chủ yếu bao gồm các vi nang, hạt polyme, vật liệu composite nền graphene, vật liệu composite kim loại bọt-graphite, v.v.
Bằng cách chọn PCM phù hợp, chúng ta có thể duy trì hệ thống ở bất kỳ nhiệt độ nào mà chúng ta mong muốn.
Đến thời điểm này, có lẽ bạn đã có một số ý tưởng về cách xây dựng một ngôi nhà ấm áp vào mùa đông và mát mẻ vào mùa hè. Sau đây, chúng ta hãy cùng xem cách đưa vật liệu lưu trữ nhiệt thay đổi pha vào sử dụng!
Ứng dụng của vật liệu lưu trữ nhiệt thay đổi pha
Trước khi xây nhà bằng PCM, chúng ta hãy thực hành với một vài ví dụ đơn giản:
1. “Tủ lạnh” cổ xưa
Giả sử bạn quay trở lại thời cổ đại và không có sự trợ giúp của công nghệ hiện đại nhưng bạn vẫn muốn ăn trái cây mát lạnh giữa mùa hè nóng nực, bạn sẽ làm gì?
Đúng vậy, tổ tiên của chúng ta cũng có cùng ý tưởng như bạn, sử dụng băng được lưu trữ trong hang động vào mùa đông như một vật liệu lưu trữ năng lượng thay đổi pha. Nhiệt truyền từ môi trường được lưu trữ trong "ngân hàng" nhiệt của băng, do đó duy trì nhiệt độ thấp của vật chứa; và vào mùa đông, nước có thể đóng băng trở lại, bắt đầu một chu kỳ mới. Bình chứa này được gọi là “bingjian”.
Gương băng đồng Zenghouyi (Nguồn ảnh: Tham khảo 6)
Việc sử dụng bình đựng nước đá có thể bắt nguồn từ thời Tây Chu. "Chu thư: Thiên quan: Linh nhân" ghi lại: "Bình nước đá được dùng làm vật dâng cúng trong các buổi tế lễ." Bình đựng đá thường được chia thành hai lớp, lớp ngoài dùng để đựng đá viên, lớp trong dùng để đựng thực phẩm hoặc rượu. Lớp ngoài có những lỗ nhỏ, khi đá tan thành nước, nước sẽ chảy ra từ dưới đáy, làm giảm nhiệt độ của toàn bộ căn phòng. Nguyên Chấn, một nhà thơ nổi tiếng thời Đường, cũng đã dùng gương băng để miêu tả mặt trăng: "Gương băng sông Giang sáng ngời, con đường vàng hùng vĩ". ("Ba mươi vần thơ của mặt trăng")
2. Cốc nước "nhiệt độ không đổi"
Mặc dù trà đá rất ngon, nhưng bạn có thể muốn uống một ít trà ấm khi mùa đông lạnh giá đến. Nếu chúng ta muốn uống nước nóng bất cứ lúc nào trong mùa đông lạnh giá, chúng ta không thể thiếu cốc giữ nhiệt. Tuy nhiên, "mở nắp thì nóng, phải mất một thời gian mới nguội" đã trở thành vấn đề chúng ta phải đối mặt. Bạn nên làm gì nếu muốn luôn uống nước ấm ở nhiệt độ khoảng 50℃?
Không khó để nhận ra rằng ý tưởng thiết kế này giống hệt với ý tưởng của lọ đựng đá. Nó chỉ cần biến lớp băng bên ngoài thành vật liệu trải qua quá trình thay đổi pha ở nhiệt độ khoảng 50°C.
Qua tìm hiểu, chúng tôi thấy rằng nhiệt độ nóng chảy của natri axetat trihydrat là khoảng 58°C, do đó, thích hợp để đổ vào thành ngoài của bình giữ nhiệt.
Điều gì sẽ xảy ra khi chúng ta đổ nước nóng 95℃ vào một chiếc bình giữ nhiệt như vậy? Nhiệt trong nước nóng sẽ nhanh chóng được truyền đến natri axetat trihydrat ở thành ngoài và được "lưu trữ". Vì natri axetat trihydrat sẽ duy trì ở nhiệt độ 58°C trong quá trình thay đổi pha nên nước trong cốc cũng sẽ nhanh chóng được làm lạnh đến nhiệt độ này. Không chỉ vậy, nếu bạn không uống cốc nước này trong thời gian dài, nhiệt lượng vừa được lưu trữ trong natri axetat trihydrat sẽ được lấy ra ngoài để duy trì nhiệt độ của nước trong cốc. Có ai lại không thích một cốc nước tự động làm mát và giữ ấm chứ?
Sơ đồ thiết kế cốc nước nhiệt độ không đổi (bên trái)
Nhiệt độ của nước nóng trong cốc nước thông thường (màu đỏ) và cốc nước có nhiệt độ không đổi (màu xanh) thay đổi theo thời gian. Không khó để nhận thấy rằng khi sử dụng cốc có nhiệt độ không đổi, bạn có thể uống nước ở nhiệt độ thích hợp trong thời gian dài hơn (Nguồn ảnh: tác giả cung cấp)
3. Phòng "Nhiệt độ không đổi"
Với ý tưởng tương tự, các nhà nghiên cứu cũng đã tạo ra nhiều vật liệu lưu trữ năng lượng thay đổi pha trong xây dựng, cố gắng tạo ra một căn phòng có "nhiệt độ không đổi" giống như mùa xuân quanh năm. Các hệ thống vật liệu thông thường như parafin, axit béo, muối hydrat, polyme, kim loại bọt, vật liệu composite nền graphene, v.v. đã được sử dụng trong thiết kế và sản xuất phòng "nhiệt độ không đổi". Bằng cách tiêm các vật liệu trên vào lớp xen kẽ tường, khả năng chịu đựng của căn phòng trước sự thay đổi nhiệt độ có thể được cải thiện đáng kể.
Đại học Darmstadt ở Đức đã thiết kế nhiều ngôi nhà "tiết kiệm năng lượng" bằng vật liệu PCM. Tấm vôi PCM được sử dụng làm trần nhà. Không có hệ thống sưởi ấm và làm mát bổ sung nào được thiết kế trong nhà. Chỉ riêng khả năng lưu trữ nhiệt của PCM cũng có thể duy trì nhiệt độ ổn định trong nhà.
Bạn có thể nhận ra rằng với tư cách là "ngân hàng" năng lượng nhiệt, vật liệu lưu trữ nhiệt thay đổi pha không thể lưu trữ và vận chuyển nhiệt vô thời hạn. Giới hạn trên của những gì chúng có thể lưu trữ và vận chuyển là tổng nhiệt chuyển pha của vật liệu chuyển pha.
Hãy tưởng tượng nếu chúng ta tiếp tục đổ nước nóng 95°C vào một cốc có nhiệt độ không đổi, khi nhiệt lượng được lưu trữ trong thành cốc vượt quá nhiệt độ thay đổi pha của natri axetat trihydrat, natri axetat trihydrat trong thành cốc sẽ hoàn toàn chuyển thành chất lỏng. Lúc này, nếu chúng ta tiếp tục đổ nước nóng vào thì thành cốc sẽ không còn tác dụng giữ nhiệt độ không đổi nữa. Lúc này, chúng ta phải để natri axetat trihydrat dạng lỏng trên thành cốc nguội đi và trích xuất một phần năng lượng của nó để nó có thể tiếp tục thực hiện vai trò nhiệt độ không đổi của mình - ví dụ, bạn có thể thêm một cốc nước lạnh, thành cốc sẽ tự động làm nóng nước lạnh lên 58°C; hoặc để nó ngoài không khí để tản nhiệt, tất cả đều có thể thực hiện được.
Điều này cũng đúng với các tòa nhà. Nếu chúng gặp nhiệt độ cao hoặc thời tiết lạnh trong nhiều ngày hoặc thậm chí nhiều tháng, sức chứa của chúng sẽ bị hạn chế. Do đó, trong các ứng dụng thực tế, các cơ sở truyền nhiệt và sưởi ấm bổ sung thường được sử dụng tùy theo điều kiện nhiệt độ tại địa phương để đạt được mục đích kiểm soát nhiệt độ hoàn toàn - và so với việc bật điều hòa và lò sưởi cả ngày, thì lượng nhiệt tỏa ra nhỏ hơn nhiều.
Các tòa nhà lưu trữ nhiệt thay đổi pha và "trung hòa carbon"
Nguồn cung cấp năng lượng hóa thạch truyền thống tương đối ổn định. Rốt cuộc, gió, sấm và mưa cũng không thể ngăn cản việc ném than vào lò và đốt cháy. Nhưng điều này không đúng với năng lượng mới.
Hầu hết các nguồn năng lượng sạch, bao gồm quang điện và năng lượng gió, đều có tính bất ổn đáng kể: sản lượng quang điện phụ thuộc vào điều kiện ánh nắng mặt trời, trong khi sản lượng điện gió phụ thuộc vào luồng khí quyển. Điều này dẫn đến chi phí điện có lúc cao, lúc thấp, khi thì chi phí cung cấp điện cao, khi thì thấp.
Nếu bạn sử dụng các nguồn năng lượng này làm phương pháp chính để sưởi ấm và làm mát, bạn sẽ phải đối mặt với vấn đề phân bổ thời gian lớn: ví dụ, bây giờ có đủ điện nhưng nhiệt độ không cao, bạn không muốn bật điều hòa; khi nhiệt độ tăng lên thì không có đủ điện.
Việc ứng dụng vật liệu lưu trữ nhiệt thay đổi pha về cơ bản làm cho việc phân bổ thời gian năng lượng nhiệt trở nên đơn giản: khi có đủ điện, hệ thống sưởi ấm/làm mát sẽ lưu trữ nhiệt trong tường và giải phóng nhiệt khi điện không đủ, giúp cải thiện đáng kể tỷ lệ sử dụng năng lượng mới và giảm lượng khí thải carbon.
Ngày nay, một số vật liệu PCM đã được đưa ra thị trường và dần được thương mại hóa, các nhà nghiên cứu cũng đang dành thời gian nghiên cứu chúng với hy vọng tìm ra hệ thống lưu trữ nhiệt thay đổi pha tốt hơn. Với tiến độ ổn định của kế hoạch trung hòa carbon, chúng ta đang tiến gần hơn đến tầm nhìn “biến mọi hộ gia đình thành túp lều ít carbon”.
Tài liệu tham khảo:
(1) Lý Bị, Lưu Đạo Bình, Dương Lương. Tiến độ nghiên cứu vật liệu lưu trữ nhiệt thay đổi pha tổng hợp[J]. Tạp chí Lạnh, 2017, 38(04): 36-43.
(2) Chu Truyền Huy, Lý Bảo Quốc. Tình hình nghiên cứu vật liệu lưu trữ nhiệt thay đổi pha ứng dụng cho hệ thống sưởi ấm bằng năng lượng mặt trời[J]. Tạp chí Tiến bộ Vật liệu Trung Quốc, 2017, 36(03): 236-240.
(3) Thường Triệu, Trần Bảo Minh, La Đan. Tiến trình nghiên cứu vật liệu lưu trữ năng lượng thay đổi pha[J]. Khí và Nhiệt, 2021, 41(04): 21-27+98-99.
(4) Khương Du, Vương Càn, Vương Đông, Triệu Tông. Tiến trình nghiên cứu về vi nang lưu trữ năng lượng thay đổi pha ở nhiệt độ cao[J]. Tạp chí Khoa học Kỹ thuật, 2021, 43(01): 108-118.
(5) Lý Binh Hồng, Triệu Thiên Vũ. Tiến độ nghiên cứu công nghệ lưu trữ nhiệt thay đổi pha để tiết kiệm năng lượng cho tòa nhà thụ động [J]. Cơ sở nhà ở Trung Quốc, 2020(10):113-114. (6) Chu Nhiễm. Những chiếc tủ lạnh cổ xưa cho phép giới quý tộc tận hưởng mùa hè một cách nhàn nhã và khoe khoang sự giàu có của họ [J]. Khoa học nhân văn và lịch sử quốc gia, 2020(15):36-43.
