双功能热电容热泵与电化学超级电容器在建筑热管理及能源存储中的协同创新

本文推荐研究人员针对建筑热管理高能耗与能源存储需求的双重挑战，创新性地开发了一种基于超级电容器（EDLCs）的双功能热电容热泵（TCHP）。该设备通过充放电过程中的可逆热效应实现制冷（COPc达0.27）与储电（5.93 J/cm3），为建筑节能与碳中和提供了新型解决方案。研究发表于《Device》，为多功能热电器件设计开辟了新路径。

　　

在全球建筑能耗占比超40%的背景下，传统蒸汽压缩热泵（VCCs）的单一功能与高碳排放成为制约可持续发展的瓶颈。如何实现热管理设备的多功能集成，同时兼顾高效制冷与能源存储，成为学界与产业界共同关注的焦点。美国国家可再生能源实验室（NREL）的Nelson James团队在《Device》发表的研究，首次将超级电容器（EDLCs）的热电耦合特性与流体再生技术结合，构建出双功能热电容热泵（TCHP），为这一难题提供了创新性解决方案。

研究团队采用商业超级电容器（20 F容量）与去离子水再生系统，通过多物理场耦合实验揭示了充放电过程中的熵变热效应。关键技术包括：1）基于聚碳酸酯密封的流体通道设计，实现0.35 g/s可控流速；2）电化学工作站（Gamry 1010B）精确调控充放电电流（25-300 mA）；3）铂电阻温度传感器（PT1000 RTD）实时监测0.24 K级微温差；4）热阻网络模型量化系统热损失。

热电容热泵工作原理

研究通过图示阐明：充电时离子吸附引发放热（ΔT_cell=+0.35 K），放电时离子脱附吸热（ΔT_cell=-0.35 K）。结合振荡流体再生，形成0.24 K的稳定温降，验证了热泵效应的可行性。

原型机性能测试

在200 mA电流与1.5利用率因子下，系统实现制冷系数COP_c=0.27，储电密度达5.93 J/cm³。值得注意的是，低温侧热阻（9.37 K/W）显著高于高温侧（2.28 K/W），揭示出热不对称性的优化空间。

技术经济性对比

与蒸汽压缩热泵+锂电池储能组合相比，TCHP原型机的单位制冷成本（29.6 $/kW_t）降低68%，但温度跨度（0.24 K vs 60 K）与功率密度（0.58 mW/cm³ vs 142.5 mW/cm³）仍存在数量级差距。

讨论部分指出，通过电极微结构优化（如引入氧化还原反应）可提升熵变幅度，但需权衡循环寿命。研究为建筑热管理提供了一种材料利用率更高、碳排放更低的替代方案，其意义在于：1）首次实现超级电容器在热泵与储能的双重应用；2）开辟了基于电化学熵变的热管理新路径；3）为后续研究确立了关键性能基准。尽管当前温升有限，但理论计算表明，若将卡诺效率从0.04%提升至80%，该技术有望颠覆传统热泵格局。这项研究正如作者所述，将成为“多功能建筑热系统开发的跳板”。