严寒刺骨，酷热难耐，停电持续数周。美国国家可再生能源实验室 (NREL) 的研究人员正在为极端天气做准备，计算出如何才能应对这种状况。
NREL 最新发表的一项研究使用计算机模型来研究提高居住者安全性的方法，安全性由室内温度达到某一点所需的小时数来定义。在冬季风暴期间，安全阈值高于 59°F。在热浪中，阈值低于 91°F。
该研究重点关注现有建筑的改造方案，发现虽然增加隔热层和密封房屋以防止漏气可以提高弹性，但使用相变材料 (PCM) 将大大提高安全时间。PCM 旨在储存热量或冷量，不需要电力，即使只在较小的空间中使用也可以有效。
“从实践上讲，在小卧室或衣柜中添加 PCM 可能比在整个房子中添加 PCM 更有意义，”NREL 高级研究工程师、《在极端温度事件期间增强美国住宅在湿热气候中的热弹性》一书的合著者 Ravi Kishore 说道。这篇论文发表在《细胞报告物理科学》杂志上，由 NREL 的 Sajith Wijesuriya、Marcus Bianchi 和 Chuck Booten 共同撰写。
研究人员利用 NREL 开发的 ResStock 住宅建筑模型，计算出单户住宅居民在极端天气事件中可以安全度过的时间。该计算机模型的计算基于 2000 年代在德克萨斯州休斯顿建造的典型 2,000 平方英尺住宅。尽管这项研究的重点是某个特定的城市，但研究人员表示，这些发现也适用于其他遭受极端天气袭击的社区。
在一个基线情景下，如果不采取任何措施缓解停电期间的极端温度，则寒流来袭时两小时内居住者的安全将受到威胁，热浪来袭时 12 小时内居住者的安全将受到威胁。
包括 PCM 作为热能存储解决方案在内的改进措施将这一时间延长至在寒冷条件下 44 小时和在高温条件下 37 小时，且无需任何预处理。在两种极端温度条件下居住的住宅应考虑使用两种类型的 PCM，并分层排列，因为每种材料的熔化范围都不同。
相变材料提高建筑物弹性
PCM 储存热能，使建筑物温度维持更长时间，并可集成到墙壁和天花板中。PCM 在典型的冬季保持液态，在普通的夏季则保持固态。当极端天气条件来袭时，PCM 会在温度达到某一点时做出反应。例如，在热浪期间，PCM 会逐渐液化并吸收热量，防止室内空气温度突然升高。
PCM 的厚度决定了建筑物对极端温度的适应能力。材料越厚，热弹性越大。这项新研究的计算机模型使用四分之三英寸作为默认厚度，并假设 PCM 在热浪来临前完全冻结，在冬季风暴来临前完全融化。PCM 的放置位置也证明在延长居住者健康受到威胁前的时间方面发挥了重要作用。
NREL 的热能存储研究
NREL 正在通过开发、验证和集成储热材料、组件和混合储热系统，提高 PCM 和更广泛的建筑物热能存储 (TES) 解决方案的可行性。TES 系统将能量存储在装有冰、蜡、盐或沙子等材料的储罐或其他容器中，以供在不同时间使用。例如，TES 系统可以存储多余的太阳能或风能，以便在太阳落山或无风时使用。
TES 技术有许多应用，从电网级储能到建筑制冷和供暖存储。当封装成设备时，这些“热电池”包含储能材料、用于供应和提取存储热量的热交换器以及用于防止存储热量流失的绝缘材料。
NREL 研究人员 Jason Woods、Wale Odukomaiya、Allison Mahvi 和 Shannon Yee最近在《能源与环境科学》杂志上发表了一篇期刊文章，介绍了热电池的成本扩展分析，其中考虑了材料、热交换器和绝缘材料的特性。这些信息可以帮助研究人员确定哪些技术对降低整体系统成本影响最大。
由国家可再生能源实验室 (NREL) 牵头的能源地球研究中心项目“电热储能中的降解反应”(DEGREES) 致力于加深我们对电热长时储能材料降解机制的基本理解。
来自国家实验室和大学的众多合作伙伴正在共同努力，了解退化现象，学习如何控制它，并迅速将这些知识转化为改进长期储能。这种储能对于支持更多可再生能源的电网至关重要。
利用协作式 TES 研究将有助于平衡峰值能源需求、减少潜在的电网中断，并实现更具成本效益的建筑物电气化。作为 Stor4Build 联盟的联合主任，NREL 正在支持跨领域研究，以加速开发、发展、优化和部署造福所有社区的经济高效的 TES 技术。NREL 的 Stor4Build 研究包括研究新型 TES 材料和系统，这些材料和系统可以在产生、存储和交付加热或冷却时进行调整。