将来、この材料は、エアコンなしでも冬は暖かく、夏は涼しい家を建てるのに使われるでしょう。

制作：中国科学普及協会

制作：智耀科学

制作者: 中国科学院コンピュータネットワーク情報センター

こんな下品な諺がある。

「枯れたブドウの木、古い木、カラス

エアコン WiFi スイカ

葛優スタイルソファ

日没

私はただ前に傾いただけです。」

冬の暖房や夏の冷房は私たちの生活をより快適にしますが、同時に環境への負担も増大させます。

中国建築エネルギー節約協会によると、2018年に中国の建築事業は21億1000万トンの二酸化炭素を排出し、これは中国全体の二酸化炭素排出量の21.9％を占め、そのうち建物の暖房と空調のエネルギー消費は50％～70％を占めた。

計画によれば、2060年までにカーボンニュートラル目標を達成するためには、建物運営における総エネルギー消費量を約90％削減する必要がある。国はエアコンの温度を１度上げるよう奨励するなど多くの対策を講じているが、これでは十分とは言えない。

人々の生活の質を確保しながら、エネルギーを節約し、排出量を削減するにはどうすればよいでしょうか?研究者たちは建物そのものから始め、冬は暖かく、夏は涼しい室内環境を確保するための新しい建築材料を開発しました。その一つが「相変化蓄熱材」です。

相変化蓄熱材とは何ですか？

相変化材料 (PCM) とは、物質の相変化プロセスを通じてエネルギーを蓄えることができるタイプの材料を指します。これは誰にとっても理解するのが少し難しいかもしれません。 「相変化とは何ですか？」 「相変化蓄熱とは？」

次に、これら 2 つの問題について詳しく説明します。

相変化とは何ですか?

相変化とは、物質の物理的相（固体、液体、気体など）が変化するプロセスです。水を例に挙げてみましょう。

水には、水蒸気、水、氷の 3 つの状態があり、それぞれ気相、液相、固相に対応します。

常温の水を徐々に100℃まで加熱すると、徐々に沸騰し、完全に蒸発するまで多数の泡を放出します。液体の水が気体の水に変わるこのプロセスを、気液相転移と呼びます。

常温の水を冷蔵庫の冷凍庫に入れて冷やし続けます。水は徐々に冷えていき、0℃で凍り始め、氷と水の混合物となり、完全に凝固して完全な氷の塊になります。液体の水が固体の水に変化する過程を液体-固体相変化といいます。

水の「相変化」（画像提供：Veer Library）

自然界のさまざまな物質の大部分は、固体、液体、気体の 3 つの集合状態で存在し、対応する相変化プロセスを経ることもできます。

厳密に言えば、いわゆる相とは、物質系の中で同じ物理的性質を持ち、ある界面によって他の部分から分離された均質な物質部分を指します。

物質には気相が 1 つしかありませんが、必ずしも固相または液相が 1 つしかないわけではないことを強調する必要があります。たとえば、ダイヤモンドとグラファイトはどちらも炭素の固体相ですが、その物理的および化学的特性はまったく異なるため、2 つの異なる固体相です。グラファイトがダイヤモンドに変化する過程も固体-固体の相変化です。水と氷の関係も同様です。水には液体の状態が 1 つありますが、氷には固体の状態が 7 つあります。これらの固体-固体転移および固体-液体転移も相転移です。

相変化蓄熱とは？

氷が溶けたり水が沸騰したりするのと同様に、相変化のプロセスでは、多くの場合、環境が大量の熱を供給したり除去したりする必要があります。この特性は、相変化材料が蓄熱材料として使用される鍵となります。

引き続き、常温常圧の水を例に挙げます。

100℃未満では、水を加熱すると温度は徐々に上昇します。

100°C に達すると水は沸騰し、完全にガスに変わるまで温度は 100 度のままになります。

すべてがガスに変わった後、水蒸気を加熱し続けると、温度は上昇し続けます。

蓄熱による水温変化の模式図（画像出典：著者提供）

温度が上昇すると相変化が起こりますが、水-水蒸気系の温度はかなり大きなエネルギー貯蔵範囲内で変化しないままであることがわかります。つまり、一定の温度範囲内で大量の熱を吸収したり放出したりすることができます。これが相変化蓄熱の基本原理です。

相変化蓄熱システムでは、熱エネルギーの「バンク」が確保されます。温度が高い場合、余分な熱が蓄えられ、システムを冷却した状態に保ちます。温度が低いときは、システムを暖かく保つために熱が放出されます。このプロセスでは、熱スループットが「バンク」の許容範囲内に維持されている限り、水が沸騰するプロセスと同様に、システムの温度は変化しません。

さらに素晴らしいのは、物質によって相転移温度が異なることです。相変化蓄熱プロセスが特定の温度に維持されるように、適切な材料を選択できます。

水に加えて、典型的な相変化物質には次のものがあります。

無機塩/水和無機塩: このタイプの材料は動作範囲が非常に広く、より一般的に使用される相変化蓄熱材料です。高ケイ酸アルミニウム塩は、融点が約600℃、相変化熱が約500kJ/kgであり、一般的に高温分野で使用されます。低水和酢酸塩は約 50 度で、通常は室温付近の温度制御に使用されます。

パラフィン：相変化材料として使用する場合、動作温度は通常40〜70℃の常温範囲にあり、相変化熱は約200kJ/kgです。

ハイテクナノ材料: PCM の温度と相変化熱をより正確に制御しようとする最先端の研究も数多く行われており、主にマイクロカプセル、ポリマー粒子、グラフェンベースの複合材料、発泡金属グラファイト複合材料などを含むナノスケール PCM の一連の合成製剤が開発されています。

適切な PCM を選択することで、システムを希望する温度に維持できます。

この時点で、冬は暖かく、夏は涼しい家を建てる方法について、すでにいくつかのアイデアがあるかもしれません。それでは、相変化蓄熱材の活用方法を見ていきましょう！

相変化蓄熱材料の応用

PCM で家を建てる前に、いくつかの簡単な例で練習してみましょう。

1. 古代の「冷蔵庫」

もしあなたが古代に戻り、現代の技術の助けを借りずに、暑い夏に冷たい冷えたフルーツを食べたいと思ったら、どうしますか?

そうです、私たちの祖先もあなたと同じ考えを持っていて、冬に洞窟に蓄えられた氷を相変化エネルギー貯蔵材料として使っていました。周囲から伝わる熱は氷の熱「バンク」に蓄えられ、それによって内容物の低温が維持されます。そして冬には、水は再び凍り、新たなサイクルが始まります。この容器は「ビンジャン」と呼ばれます。

曽后易銅氷鏡（画像出典：文献6）

氷壺の使用は西周の時代にまで遡ります。 『周書 天官 霊人』には「氷壺は祭祀の供物として用いられる」と記されている。一般的に、アイスジャーは2層に分かれており、外側の層は氷を入れるために使用され、内側の層は食品やワインを保管するために使用されます。外層には小さな穴があいており、氷が溶けて水になると下から流れ出るため、部屋全体の温度を下げることもできます。唐代の有名な詩人である袁震もまた、氷鏡を使って月を表現しました。「江の氷鏡は明るく、黄色い道は雄大だ。」 （「月の三十韻」）

2. 「一定温度」の水カップ

冷たいお茶も美味しいですが、寒い冬になると温かいお茶が飲みたくなるかもしれません。寒い冬にいつでもお湯を飲みたいなら、魔法瓶カップは欠かせません。しかし、「蓋を開けると口まで熱く、冷めるまでに時間がかかる」という課題が残っていました。常に50℃くらいのお湯を飲みたいときはどうすればいいでしょうか？

デザインのアイデアがアイスジャーとまったく同じであることは簡単にわかります。氷の外側の層を、約 50°C で相変化する物質に変えればよいだけです。

調査の結果、酢酸ナトリウム三水和物の融点は約58℃であることがわかったので、魔法瓶の外壁に充填するのに最適です。

そんな魔法瓶に95℃のお湯を注ぐとどうなるでしょうか？お湯の熱は外壁の酢酸ナトリウム三水和物に素早く伝わり、「蓄え」られます。酢酸ナトリウム三水和物は相変化中に 58°C を維持するため、カップ内の水もこの温度まで急速に冷却されます。それだけでなく、このコップ一杯の水を長時間飲まない場合、酢酸ナトリウム三水和物に蓄えられた熱が再び取り出され、コップ内の水温が維持されます。自動的に冷えて温かく保たれるコップ入りのお湯を嫌いな人がいるでしょうか?

恒温水カップ設計の概略図（左）

通常の水の入ったコップ（赤）と恒温水の入ったコップ（青）のお湯の温度は時間とともに変化します。恒温カップを使用すると、適切な温度の水をより長い時間飲むことができることは容易にわかります（画像出典：著者提供）

3. 「一定温度」の部屋

研究者たちは同じアイデアで、建築用の相変化エネルギー貯蔵材料も数多く開発し、一年中春のような「一定温度」の部屋を作ろうとしている。パラフィン、脂肪酸、塩水和物、ポリマー、発泡金属、グラフェンベースの複合材料などの一般的な材料システムは、「恒温」室の設計と製造に使用されてきました。上記の材料を壁の中間層に注入することで、室内の温度変動に対する耐性が大幅に向上します。

ドイツのダルムシュタット大学は、PCM 材料を使用した「低エネルギー」住宅を数多く設計しています。天井にはPCM石灰パネルが使用されています。屋内には追加の冷暖房システムは設計されていません。 PCMの蓄熱能力だけで室内の温度を安定させることができます。

熱エネルギーの「銀行」としての相変化蓄熱材料は、熱を無期限に貯蔵および輸送することはできないことに気づいたかもしれません。貯蔵および輸送できる量の上限は、相変化物質の総相変化熱です。

95°C のお湯を一定温度のカップに注ぎ続けると、カップの壁に蓄えられた熱が酢酸ナトリウム三水和物の相変化熱を超えると、カップの壁にある酢酸ナトリウム三水和物が完全に液体に変わることを想像してください。このとき、お湯を注ぎ続けると、カップの壁は一定の温度を保てなくなります。このとき、カップの壁にある液体酢酸ナトリウム三水和物を冷却し、そのエネルギーの一部を抽出して、恒温の役割を継続できるようにする必要があります。たとえば、冷たい水をカップに入れると、カップの壁が自動的に冷たい水を 58°C に加熱します。あるいは、空気中に放置して熱を放散させるなど、いずれも可能です。

建物についても同様です。数日、あるいは数か月にわたって高温や寒冷な気候に遭遇すると、収容能力は限られてしまいます。そのため、実際の用途では、完全な温度制御の目的を達成するために、一般的には、地域の温度条件に応じて補助的な加熱および熱伝達設備が使用され、エアコンとヒーターを一日中オンにした場合と比較して、熱ははるかに小さくなります。

相変化蓄熱建物と「カーボンニュートラル」

従来の化石エネルギー供給は比較的安定しています。結局、風や雷や雨があっても、石炭が炉に投げ込まれて燃やされるのを防ぐことはできません。しかし、新エネルギーの場合はそうではありません。

太陽光発電や風力発電を含むほとんどのクリーンエネルギー源には大きな不安定性があります。太陽光発電の出力は日照条件に左右され、風力発電の出力は大気の流れに左右されます。その結果、電気料金に山と谷が生じ、電力供給コストが高くなったり低くなったりすることになります。

これらのエネルギー源を暖房や冷房の主な方法として使用すると、大きな時間配分の問題に直面します。たとえば、電気は十分にあるのに気温が高くないので、エアコンをオンにしたくない、などです。気温が上がると電気が足りなくなります。

相変化蓄熱材料の応用により、熱エネルギーの時間配分が本質的に簡単になります。電力が十分にある場合、加熱/冷却により壁に熱が蓄えられ、電力が不足しているときに熱が放出されるため、新エネルギーの利用率が大幅に向上し、炭素排出量が削減されます。

現在、いくつかの PCM 材料が市場に投入され、徐々に商品化されており、研究者もより優れた相変化蓄熱システムの発見を期待して、それらの研究に専念しています。カーボンニュートラル計画が着実に進み、「すべての家庭を低炭素小屋にする」というビジョンにどんどん近づいています。

参考文献:

(1)李北、劉道平、楊良。複合相変化蓄熱材料の研究の進歩[J]。冷凍ジャーナル、2017年、38(04):36-43。

（２）朱伝慧、李宝国。太陽熱暖房に応用される相変化蓄熱材料の研究状況[J]。中国材料進歩ジャーナル、2017、36(03):236-240。

(3) 張昭、陳宝明、羅丹。相変化エネルギー貯蔵材料の研究の進歩[J]。ガスと熱、2021年、41(04):21-27+98-99。

(4)蒋介、王翦、王東、趙統。高温相変化エネルギー貯蔵マイクロカプセルの研究の進歩[J]。工学科学ジャーナル、2021年、43(01):108-118。

（５）李斌宏、趙天宇。パッシブ建築省エネのための相変化蓄熱技術の研究の進歩[J]。中国住宅施設、2020(10):113-114。 （６）周然古代の冷蔵庫は貴族たちが夏をゆっくりと過ごし、富を誇示することを可能にしました[J]。国立人文科学史、2020(15):36-43。