​上海交大ITEWA团队展望： 基于太阳能的零能耗建筑被动式昼夜供暖吸附热池

【研究背景】

建筑采暖作为建筑总能耗中的大户，是制约节能减排和碳中和事业发展的“难啃的骨头”。国际能源署（IEA）的数据显示，人类社会总能源消耗的一半以上(51%)用于供暖和制冷，其中建筑采暖占有很大比例。随着全球经济发展的总体向好和人类生活水平的不断提高，在未来的几十年里全球建筑能源需求预计还将继续增长。因此，降低建筑采暖碳排放已成为当今能源、环境、建筑领域的热门研究方向。

现有的解决方案主要有两种：一是利用可再生电力驱动的热泵供热，二是被动式太阳能建筑供热。前者需要可靠的电力支持，且会增加区域电力系统的峰电负荷，在偏远及离网地区难以大面积推广；而后者——被动式太阳能建筑供热技术（以特朗伯墙为代表）是一种随处可用、清洁方便的零能耗建筑供暖技术，可广泛用于室内采暖、空气净化和病毒灭活等领域，是一种更加经济、可靠的分布式供热选择。

储热技术（又称热池）通过能量转化和存储，可实现对热能供需的精准调控和匹配。简单而言，是一种即需即用的“充热宝”。研究者们将特朗伯墙与储热技术相结合，一方面可削减太阳能本身所具有的波动性和间歇性所带来的供热不稳定性，另一方面能克服热能供需侧之间存在的时间、空间、强度和品位不匹配的矛盾。目前，在面向建筑采暖的储热领域中，主流的储热技术包括显热储热和相变储热，这些储热技术主要存在储热密度低、热损明显的缺陷。相比之下，基于热化学可逆反应的吸附储热技术通过利用吸附剂和吸附质间化学势能（化学吸附）或分子势能（物理吸附）与热能的转化，可实现超高储热密度、长周期（跨季节）、安全可控的储热过程，被认为是建筑节能和低品位热能利用领域内最具潜力的技术之一。图1给出了针对碳中和目标的建筑采暖技术路线。吸附储热技术的研究进展和发展现状怎样，如何将吸附储热技术应用到建筑采暖，这些问题亟需得到回答。

图1. “碳中和”背景下建筑供暖的技术路线

【内容简介】

近日，上海交通大学王如竹教授领衔的能源-空气-水创新团队ITEWA（Innovative Team for Energy, Water & Air）在Cell Reports Physical Science上发表了题目为“Passive Day and Night Heating for Zero Energy Buildings with Solar-Based Adsorption Thermal Battery”的展望文章。该论文首先从材料、器件、系统三个层面对吸附储热技术进行了阶段性总结，提出了吸附储热技术在建筑采暖应用中的发展潜力及面临的问题和挑战。受太阳能驱动的特朗伯墙烟囱效应的启发，作者提出了一种从空气中取能实现超高能量密度的被动式太阳能吸附热池概念，旨在利用热能驱动的烟囱效应来减少储热系统介质输送的能耗，同时具备温湿度双控调节的功能。基于此概念，作者设计了一种新型的被动式太阳能供热系统，具有昼夜连续运行、近零能耗、热舒适可控的特点。本文第一作者是上海交通大学博士研究生曾子雅，第二作者是赵炳晨助理研究员，通讯作者是王如竹教授。

【序言】

随着碳中和目标的提出与日益深入人心，世界各国都加入了减少二氧化碳排放的行列中，其中建筑采暖是大家共同面临的棘手问题之一。在众多的建筑采暖方法中，与储热技术相结合的被动式太阳能供热技术因其不完全依赖于电力系统、绿色低碳、建筑一体化结构设计等优点，受到了国内外学术界的广泛关注。

按照储热原理进行分类，可将储热技术分为显热储热、潜热储热和吸附储热。三种储热技术在不同性能指标下各有优势。在建筑采暖应用中，供热能力和占地面积是衡量供热系统性能的重要指标，可以用体积储热密度来表示。图2展示了三种储热技术在体积储热密度方面的比较。可以看到，吸附储热的体积密度是潜热储热的2~4倍，是显热储热的4~8倍。开式吸附储热技术利用吸附剂材料捕捉/释放空气湿分，同时进行热量的释放/储存，相较于闭式系统具有结构简单、工质绿色无害、无需维持真空条件的优点，是建筑采暖应用中最合适的形式。一系列具有高储热密度的吸附剂材料应运而生，研究者们仍在不断研发制备出越来越多的高性能材料。据最新研究报道，研究者们制备的吸附材料实现了323 kWh/m³的超高储热密度（实验室水平）。然而，如此优异的性能是在严格固定的工况下运行所得，实际效果还受系统传质传热性能的影响。前期的研究着重关注材料本身的吸附、解吸特性，忽略了材料成本、稳定安全以及系统性能、结构设计等方面的影响。

图2. 显热储热、潜热储热和吸附储热材料的体积储热密度对比

因此，本文的重点内容在于总结目前吸附储热技术从材料到系统的发展现状，分析影响实际储热/供热效果的关键因素（吸附剂材料，工况条件，材料成本，装置结构等），由此提出一种基于太阳能利用的被动式吸附储热系统，指导未来吸附储热技术适用于建筑供暖应用的发展方向，并给出适用于不同工作条件下的材料选型依据，系统性能及经济性分析，以及用户热舒适性调控的可行方案。

【核心内容】

吸附储热技术发展的阶段性总结

现阶段关于吸附储热技术的研究主要集中在吸附剂材料开发和系统传热传质优化两方面。用于吸附储热研究的固体吸附剂材料主要分为：传统的物理吸附剂，如沸石、硅胶等；具备特殊孔道结构的物理吸附剂，如MIL-101、MOF-801等；多孔介质与吸湿盐结合的复合吸附剂，如金属有机框架材料填氯化锂，碳纳米球填氯化钙等。材料研究工作者主要围绕如何提高材料储热密度，增强材料吸附解吸动力学特性，以及提升材料水解稳定性，来进行新型吸附储热材料的设计开发，如图3所示。

图3. 吸附储热技术在材料、器件、系统不同层面的发展

吸附储热技术的研究目前在材料领域已取得不少突破，但从材料制备过渡到器件设计，再到系统构建仍有很长的路要走，距离在建筑供暖领域的应用还需要考虑材料以外的许多因素。材料学家通常关注的是某种吸附剂材料在特定工况下的单个循环储热性能，这容易忽略材料成本，环境条件和装置结构对实际应用中储热性能的影响。新型吸附剂材料还处于早期开发阶段，成本较高，对建筑供暖的应用推广无疑构成了阻碍。

同时，材料的工作环境（温度和湿度条件）对其吸附储热特性的影响不容忽略。 吸附剂材料的吸附性能与吸附剂从周围环境捕获湿分的能力和吸附焓大小成正相关，吸附剂的吸水能力取决于工作环境的温度和相对湿度。材料结构和换热器部件设计也会对系统传热传质性能产生影响，从而影响实际系统的吸附储热性能。

储热装置通常采用材料堆积床结构，可以实现较高的体积储热密度，但同时需要采用大功率风机产生强制对流来克服堆积床内部的高压降，改善吸附/解吸过程的传热传质性能。储热密度和进出口压降两者之间相互制约，研究者们对此进行流道优化设计，需要通过牺牲部分储热密度来降低进出口压降，减少储热系统介质输运的能耗。

用于建筑供热的被动式太阳能吸附储热系统方案

从建筑采暖的要求出发，新的供热方案需要具备昼夜连续运行、稳定供热、满足人体热舒适度的功能性，以及节能环保、安全高效的绿色经济性。结合对吸附储热技术的整理和剖析，本文提出了一种基于太阳能利用的被动式吸附储热建筑供暖方案。此方案受到了特朗伯墙的启发，在分布式建筑供暖应用中，在白天利用太阳能烟囱效应进行被动式供暖，同时用多余的太阳光热对吸附储热模块进行再生（热池的“逆反应”），将太阳能热储存起来；在夜间进行热池的“正反应”，吸附储热模块发生水蒸气吸附过程，将白天储存的能量通过吸附热的方式释放出来，利用吸附热自驱动的烟囱效进行被动式供暖。被动式太阳能供暖系统与吸附储热技术相结合，可以为建筑供暖提供昼夜连续供热、降低系统介质输送能耗、温湿度双控调节的方案。

图4. 基于太阳能的被动式吸附储热系统在建筑供暖领域的应用前景

图4描绘了被动式太阳能吸附储热系统在建筑供暖中的应用场景。该系统基于太阳能热驱动/吸附热驱动的开式吸附储热原理，将太阳能光热转化模块、吸附储热模块和供热用户终端结合起来，形成从能量产生、转化、储存、利用的全过程，提供零能耗建筑供暖的一种可行方案。作者基于不同的供热用户需求和工况条件，展示了该系统的三种运行模式，以及吸附储热模块的两种墙体形式。

太阳能吸附储热系统方案用于建筑供暖的另一优势，是可以实现与人体热舒适度密切相关的温湿度双控调节。 室内由人体呼吸和汗水蒸发而产生的湿分可以被吸附储热系统所吸收，驱动吸附储热系统将化学势能转化为热能，达到室内除湿和供暖的双效果，提高室内居住的热舒适性。此外，在双碳战略的指导下，白天不仅可以通过吸附储热系统储存太阳能，将多余的太阳光热“搬”到夜间使用；也可以通过吸附储热系统储存多余的峰电，削峰填谷，帮助调节电网负荷。

吸附储热技术面向建筑供暖市场的发展方向

基于太阳能的被动式吸附储热技术具有昼夜可持续运行、适用范围广、温湿度双控、清洁低碳等优势，但让这项技术真正为千家万户送去温暖，还需要解决许多的问题和挑战。

首先，寻找合适的吸附剂材料是主要的研究领域之一。在材料层面，理想吸附剂材料的主要指标包括：再生温度、循环吸附量、热化学稳定性及成本效益。吸附剂材料的再生温度需要同时考虑太阳光加热温度和室内热舒适供热温度范围，因此再生温度在60~80℃的范围内比较合适。工作环境温湿度不仅决定了吸附剂材料的实际循环吸附量，对吸附剂材料的热化学稳定性也有很大的影响。比如在低湿环境下，为了保证较大的循环吸附量，可以选择填盐量大的复合吸附剂；而在高湿环境下，复合吸附剂容易出现盐泄漏的问题，适合选择吸附性能好的物理吸附剂。尽管像MIL-101等新型吸附剂材料相比传统吸附剂有着优异的吸附储热性能，但因其发展初期成本过高，暂不适用于大型化应用推广。复合吸附剂材料的成本介于新型吸附剂材料和相变材料的成本之间。随着吸附储热技术的日益成熟和材料制备水平的不断提高，该技术在建筑供暖领域规模化应用推广将成为现实。

在系统层面，除了进行技术经济性分析以降低系统建设和运行成本以外，还需要系统各个部件的一致协作和高效配合，从而保证系统在不同运行工况下能够保持较高的储热密度和稳定的输出性能，从更高标准出发满足人类居住的热舒适性需求。应用推广需要确定吸附储热系统的通用性和实用性。如前所述，吸附剂材料的吸附能力与环境温湿度密切相关。由此，吸附储热系统的供热性能同样会深受外界环境的影响，尤其是在低湿环境下，吸附储热系统的供热能力会大幅下降。以青藏高原为例。 西藏是我国典型的高寒地区，每年约有8个月的平均气温在零度以下，居民对室内采暖的需求非常大。同时，西藏又是我国太阳能资源最发达的地区，非常适合采用本文提出的被动式太阳能吸附储热供暖系统。在西藏的旱季，最干燥的时候湿度仅为3%。在极干旱（小于20%）的采暖季，约占西藏总采暖时间的20%，吸附储热系统需要配备加湿器来提供足够的吸附驱动力，可以满足正常供热需求。在有特殊要求的场合下，系统可以采用风道或净化器保证较高的出风质量。

表1. 典型相变材料和吸附剂材料的热物理性能和蓄热成本

Material	AG-mSAT PCM	MIL-101(Cr)	SAPO-34	Al2O3-LiCl/SrBr2 adsorbent
Raw material cost, RMB (USD)/kg	3.30 (0.52)	800000 (124844)	160 (24.97)	23.66 (3.69)
Energy storage density, kWh/m3	92	206	160	240
Packing density, kg/m3	1500	391	641.87	1459
Thermal storage cost, RMB (USD)/kWh	53.88 (8.41)	1520000 (237203)	641.87 (100.17)	143.82 (22.44)

【结论与展望】

综上所述，基于太阳能的被动式吸附储热供暖系统是本文提出的一种解决零能耗建筑空间供暖的可行方案。该系统具有昼夜可持续运行、适用范围广、温湿度双控、清洁低碳等优势。但让这项技术走进日常生活，还要在很多方面做出改进。

在材料方面，MIL-101、SAPO-34等新型物理吸附剂，以及多孔介质和吸湿盐相结合的复合吸附剂，具备再生温度低，循环吸附量大，热稳定性好的优势。但在成本效益方面，由于吸附储热技术处于初期发展阶段，与已进入商业化阶段的相变储热技术相比并不占优势。未来需要进一步降低成本，提高吸附储热技术在建筑供暖市场内的竞争力。不同种类的吸附剂材料具有各不相同的吸附特性，需要根据特定的工作条件进行材料选型。

在系统方面，除了进行技术经济性分析以降低系统建设和运行成本以外，还需要增强吸附储热供暖系统的通用性和实用性。系统各个部件需要一致协作和高效配合，保证系统在不同运行工况下能够保持较高的储热密度和稳定的输出性能，为用户的热舒适性提供简单易调控的可行方案。

据估算，在未来大型化推广应用的前提下，30平方米的被动式太阳能吸附储热供暖系统，可满足100平方米的建筑空间昼夜连续采暖的需求。 这种基于太阳能的被动式吸附储热系统用于分布式建筑采暖领域，特别是在偏远和离网地区，具有广阔的应用前景。

【团队简介】

第一作者-曾子雅

上海交通大学机械与动力工程学院博士研究生。本科毕业于华中科技大学能源与动力工程专业，期间获华中科技大学三好学生、国家奖学金、全国大学生节能减排大赛一等奖、校优秀毕业生等荣誉。目前主要研究方向为水蒸气吸附过程的分子动力学模拟，被动式吸附储热应用中的材料合成及系统优化。

第二作者-赵炳晨

上海交通大学机械与动力工程学院助理研究员。上海交通大学热能与动力工程学士，中国科学院大学核技术及应用博士，获上海市优秀博士毕业生与中国科学院院长优秀奖等荣誉。2018年~2020年在上海交通大学进行博士后研究，主要研究方向为中低温相变储热材料制备、装备设计与系统优化，相关成果在Renewable and Sustainable Energy Reviews、Applied Energy、Energy、Solar Energy等国际知名能源期刊上发表一作SCI论文9篇。先后主持博士后面上基金和国家自然科学基金等项目，获上海“超级博士后”激励计划资助。

通讯作者-王如竹

上海交通大学机械与动力工程学院讲席教授。国家基金委创新群体负责人、全国先进工作者、国家级教学名师。获国家自然科学二等奖、国家技术发明二等奖、国家教学成果二等奖等奖励。荣获国际制冷学会Gustav Lorentzen Medal、英国制冷学会J&E Hall International Gold Medal、日本传热学会Nukiyama Memorial Award、亚洲制冷Academic Award、国际能源署Peter Ritter von Rittinger International Heat Pump Award、国际吸收吸附热泵大会Georg Alefeld Memorial Award。 

王如竹教授于2018年创建了ITEWA交叉学科创新团队（Innovative Team for Energy, Water& Air），致力于解决能源、水、空气领域的前沿基础性科学问题和关键技术，旨在通过学科交叉实现材料-器件-系统层面的整体解决方案，推动相关领域取得突破性进展。近年来在Joule、Energy & Environmental Science、Advanced Material、ACS Energy Letters、Angewandte Chemie-Int Ed、ACS Central Science、Nano Energy、Energy Storage Materials， Cell Reports Physical Science等国际顶级期刊上发表系列跨学科交叉论文。

https://www.cell.com/cell-reports-physical-science/fulltext/S2666-3864(21)00293-9