近日，制冷与低温工程研究所王如竹教授ITEWA创新团队在Energy & Environmental Science上发表了题为“Fewer temperature ties: scalable integration and broad selection of phase change materials for both heating and cooling”的研究论文，提出了双效能准两级热泵耦合中间储热的供热或空调制冷解决方案，使单一相变储热装置同时实现冬季储热与夏季储冷。研究结果表明了该系统在全球范围内的规模化应用潜力，首次揭示了全球季节性供暖和制冷策略，为全球供暖和制冷普惠提供了启示。制冷与低温工程研究所博士生寇小雪为论文第一作者，王如竹教授为通讯作者。
全球约三分之一的人口面临冬季取暖和夏季制冷的需求。在可再生能源战略的背景下，相变储热技术与热泵相结合的研究持续受到关注。然而，现有方法在同时满足供热和制冷双重要求时，往往不得不联用多个定制化的储能装置，不仅加重经济负担，还会在大规模应用中，因材料定制问题限制了该技术的广泛推广。因此简化系统配置并增强其多功能性，是推动热泵与热能储存耦合系统朝着季节性热能供应方向发展的关键要素。
论文提出了一种用于双季节使用的中间相变储热解决方案。结合双效能准两级热泵，相变温度介于环境温度与供能温度之间的相变材料可以同时作为冬季储热与夏季储冷。论文建立了包含相变温度在10-30℃区间的90种中间相变材料数据库。针对全球有季节性供热和制冷需求的地区，该文为51个国家/地区和 95个省/州/自治区选择了具有显著优势的中间相变储热材料。通过高通量筛选，研究确定了选用相变温度在10.5-22℃之间的材料具有显著优势。在美国阿肯色州、中国北京，以及美国明尼苏达州和中国上海，通过部署该系统，以需求为导向的能源供应策略可以得到显著性能提升。与非集成热泵相比，年性能系数提高了11.73%至21.99%，与单独的储热与储冷系统相比，年性能系数提高了51.31%。该集成系统克服了成本障碍，同时最大限度地减少了土地占用，并在全球气候变化中表现出很好的适应能力。该解决方案为实现全球供暖和制冷普惠提供了一种新方法，促进人类获得更加平等便捷的基本能源服务。
王如竹教授领衔的“能源-水-空气”交叉学科创新团队ITEWA长期致力于解决能源、水、空气交叉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，推动相关领域的进展。团队近年来在Science、Nature Reviews Materials、Nature Water、Joule等期刊发表了系列跨学科交叉论文。
论文链接：https://doi.org/10.1039/D4EE04223A
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