科创中国

满足能源需求与实现双碳目标可以通过可再生能源结合储能技术这样一个技术路线来实现，储能技术具有持久性和能量密度高的特质，是一座合适的桥梁去连接能源的供给和需求，可以解决能量在时间和空间上不连续不匹配的问题，是克服可再生能源的缺陷，提高能源利用率的有效手段，也是早日完成双碳目标的重要措施。其中在具有大储能密度，运行稳定特点的潜热储能研究中，单一PCM在热力学和动力学方面存在很大的局限性，在冰储能技术中，以水作为相变材料在相变蓄冷时常常会出现过冷现象，在产生过冷现象时水的实际结晶温度低于理论结晶温度，这样会使得制冷系统的蒸发温度要求降低，提高制冷难度，降低制冷效率。

为了解决上述问题，在部分现有提高冰储能特性的技术中，采用了在蓄冷介质中添加成核剂的方式，依靠成核剂提供的固体颗粒介质弥散在水中形成晶核，使得在水在结晶温度时能够围绕晶核更快结冰，提高其结冰效率。同时成核剂自身导热系数通常高于冰和水，故还可以依靠成核剂提高传热效率，进而提高空调整体效率。本研究在制备磁性蓄冷工质的基础上通过应用磁场进行调控，通过磁场定向调控蓄冷介质中的磁性多壁碳纳米管来形成导热网链为蓄冷中的热传导提供通道，从而提高传热能力，达到缩短蓄冷耗时的目的；同时磁场定向作用下多壁碳纳米管大比表面积的特点可以大幅减小过冷度。技术关键在于对蓄冷介质中碳纳米管功能化改性的理解，各类材料添加比例的研究以及如何对特性进行验证。这关系到材料改性后的品质，稳定性的高低以及磁反应的强弱。

据调查，中国占全球空调用电量的34%，并且许多大中城市的空调用电占其高峰的50%以上，电网昼夜峰谷负荷差值高达40%，这造成夜间电力资源极大闲置和浪费。此外空调用电需求还在持续增长，预计到本世纪中叶，全球空调用电需求将增长逾一倍。在这样的现实面前，冰蓄冷空调因其具有削峰填谷，平衡电力负荷，减少冷水机组容量，使用灵活并且可以作为应急冷源的等特点受到了全世界的广泛研究与使用，在如今的发达国家，60%以上的建筑物都已使用冰蓄冷空调系统。我国也在积极响应，目前高达二十多个省份皆已出台分时电价政策，高峰和低谷的电价差在3到4倍。将蓄能空调和电力系统的分时电价结合起来，从宏观上可以起到平衡电网，微观上可以为空调用户节省大量运行费用。

冰蓄冷空调作为其应用的一个主要体现，与常规电制冷空调相比减小了制冷机组容量，多了一个蓄冰装置，其特点是在用电低谷的夜间制冷，将蓄冰槽内的水制成冰，储存起来，而在电力高峰高价的白天将冰融化供冷。制冷主机可以减少运行，具有削峰填谷的特点。通俗来说就是利用晚上3毛钱的电，做白天一元钱的事。19年正式通航的北京大兴国际机场采用的就是冰蓄冷空调技术，东、西两座制冷站互为备用冷源，联合工作。较常规电制冷系统节约年运行费用约400余万元。制冷主机和蓄冰槽并联可以实现不同的制冷模式。还可以减弱高峰负荷压力从而达到节能效果。

而本研究提出应用高定向导热性磁性纳米复合材料作为蓄冷工质来克服冰蓄冷技术的痛点问题，对于提高冰储能特性即减小过冷度从而减小蒸发器出口温度以及缩短整体相变耗时具有重要意义，这些优化也终将更加经济。

团队负责人：邢美波，该团队的主要研究领域为制冷与低温系统热物理过程以及新材料与能源高效利用，包括绿色建筑与建筑节能、CNTs的定向导热及相变储能技术、装配式结构和结构检测与加固、太阳能热利用中的基础科学问题、建筑节能技术、低品位能源高效利用技术等。团队老师长期担任国家自然科学基金评审专家和国际SCI期刊论文评审人，近五年发表学术论文30余篇，申请国家发明授权专利8项，主持参与过多项国家自然科学基金项目、重点研发计划、北京市自然科学基金资助项目、北京市人才项目。

经广大研究者研究发现，应用具有高导热性的纳米材料作为相变储冷工质较为高效。这是因为纳米颗粒可以随液体PCM移动，纳米粒子可以通过改变材料基液的结构和粒子与液体间的微对流来加强能量传递，与翅片或金属泡沫等固定结构相比，它们是首选结构。而碳纳米管纳米材料的高效利用面临很多问题，该作品展现的Fe₃O₄-MWCNT纳米流体蓄冷工质具有很高的分散稳定性以及顺磁性的特点，在磁场作用下反应迅速，其定向排列的特点可以更好的提高介质导热性能从而加速冻结，缩短相变凝固时间，同时碳纳米管超高的比表面积可以提供更多成核点位，促进晶核形成从而减小过冷度，使得蒸发器出口温度升高，COP上升。

同时，碳基PCM具有重量轻，超高导热系数，和大比表面积的优势是制备纳米流体的理想添加剂，其中多壁碳纳米管相比单壁碳纳米管和石墨烯而言生产更便宜，更易纯化。该研究应用的低浓度储冷介质毒性小且生物相容性好。

该研究的发展目前处于实验室阶段，通过制备蓄冷工质并将其置于实验台中进行性能测试。

在实验室阶段的研究中主要有储冷工质的制备与表征、实验、理论和模拟研究。具体的，通过对碳纳米管功能化改性的理解，以酸化和磁化为主加工制备出了高稳定性水基Fe₃O₄-MWCNT 储冷工质并进行了表征验证；实验包括磁场调节，温度控制和数据采集三部分，利用这套实验做了不同方面的研究，首先对比了不同工质的凝固特性（过冷度和凝固时间的缩减情况）；在理论上探究了磁场对磁性材料的调控机理，并通过等温结晶动力学的探索对不同材料拟合相应的结晶方程，可以用来预测凝固进程随时间的变化。还对复合材料在凝固过程中的受力情况进行了分析，研究了不同添加比例的复合材料在不同磁场强度下的凝固分布情况；在模拟方面利用等效热容法模拟相变过程，研究了PCM内部温度场和速度场的变化，这些变化的背后也在解释着一些实验中发现的问题。

通过以上实验室级别的不断探索研究，在之后将通过设计完整的实验室样机进行实验研究，在模拟环境以及真实环境下运行，最后在定型实验后进行技术鉴定并投入实际应用。

通过对静态冰蓄冷技术的研究，可以发展为动态冰蓄冷技术，冰浆蓄冷空调的制冷能力约为常规空调系统的8倍，同时传热系数提高50~100%，作为后续研究方向十分具有潜力。