刺骨的寒冷。持续的高温。持续数周的停电。国家可再生能源实验室（NREL）的研究人员正在通过计算如何在极端天气下生存来应对极端天气。

NREL最近发表的一项研究利用计算机模型来考察提高居住者安全性的方法，这是通过室内温度达到某个点所需的小时数来定义的。在冬季风暴中，安全阈值高于59°F。在热浪中，阈值低于91°F。

该研究侧重于现有建筑的改造方案，并发现虽然增加隔热材料和密封房屋以防止空气泄漏将提高韧性，但使用相变材料（PCM）将显著提高安全小时数。PCM被设计用来储存热量或冷量，不需要电力，即使只在较小的空间中使用也能有效。

“实际上，在卧室或小衣橱中添加PCM可能比在整个房屋中添加更有意义，”NREL高级研究工程师兼《在极端温度事件中增强美国湿热气候下住宅的热韧性》一文的合著者拉维·基肖尔说。这篇论文发表在《细胞报告·物理科学》杂志上，NREL的萨吉特·维杰苏里亚、马库斯·比安奇和查克·布滕也是该论文的合著者。

研究人员使用NREL开发的ResStock住宅建筑模型，计算了在极端天气事件中，一个住在单户住宅中的居民所拥有的安全小时数。计算机模型基于2000年代在德克萨斯州休斯顿建造的一个典型的2000平方英尺的住宅进行计算。尽管这项工作针对的是特定城市，但研究人员表示，这些发现也适用于其他受极端天气袭击的社区。

在基线场景下，即在停电期间没有采取任何措施来缓解极端温度，研究确定在寒流期间，居住者的安全将在两小时内受到威胁，而在热浪期间则会在12小时内受到威胁。

将相变材料（PCM）作为热能储存解决方案的改进措施，将这种时间延长到了寒冷天气下的44小时和炎热天气下的37小时，且无需任何预处理。位于极端温度地区的房屋应考虑使用两种类型的PCM，并分层布置，因为每种材料的熔化范围不同。

相变材料提升建筑韧性
PCM通过储存热能来更长时间地维持建筑温度，并可以集成到墙壁和天花板中。在典型的冬日里，PCM保持液态；在普通的夏日里，PCM则保持固态。当极端天气条件来临时，PCM会在温度达到一定程度时发生反应。例如，在热浪期间，PCM会逐渐液化并吸收热量，从而防止室内空气温度突然升高。

PCM的厚度对建筑抵抗极端温度的韧性起着重要作用。材料越厚，热韧性越强。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在热浪来临前完全冷冻，在寒流来临前完全熔化。PCM的布置位置也在延长居住者健康受到威胁前的小时数方面发挥了重要作用。

NREL在热能储存领域的研究
NREL正在通过开发、验证和集成热能储存材料、组件和混合储存系统，推动相变材料（PCM）和更广泛的建筑热能储存（TES）解决方案的可行性。TES系统通过储存在水箱或其他容器中的材料（如冰、蜡、盐或沙子）来储存能量，以便在不同时间使用。例如，TES系统可以在太阳落山或风不吹时储存多余的太阳能或风能供以后使用。

TES技术具有多种应用，从电网级储能到建筑供暖和制冷储能。当这些“热电池”被封装成设备时，它们包含储存材料、用于供应和提取储存热量的热交换器，以及用于防止储存的热量逃逸的绝缘材料。

NREL研究人员Jason Woods、Wale Odukomaiya、Allison Mahvi和Shannon Yee最近在《能源与环境科学》期刊上发表的一篇文章，描述了热电池的成本扩展分析，该分析考虑了材料、热交换器和绝缘材料的性能。这些信息有助于研究人员确定哪些技术将对降低系统总成本产生最大影响。

NREL牵头的Energy Earthshot Research Center项目“电热储能中的降解反应（DEGREES）”旨在推动我们对电热长时储能材料降解机制基础理解的发展。

来自国家实验室和大学的众多合作伙伴正在共同努力，以了解降解过程、学习如何控制它，并迅速将这一知识转化为提高长时储能性能的方法。这种储能对于支持拥有更多可再生能源的电网至关重要。

利用协同储能研究将有助于平衡高峰能源需求，减少潜在的电网故障，并实现建筑物的更具成本效益的电气化。作为国家可再生能源实验室 (NREL) 储能建筑 (Stor4Build) 研究联盟的合作主任，NREL 正在支持跨领域研究，以加速开发、增长、优化和部署对所有社区都有利的成本效益高的储能技术。NREL 的 Stor4Build 研究包括研究新型储能材料和系统，这些材料和系统可以在加热或制冷产生、存储和传递时进行调整。