综述：相变材料储热系统与热泵集成技术在可持续建筑供暖中的综合评述

这篇综述系统探讨了相变材料(PCM)储热(TES)技术与各类热泵(HP)系统的集成应用，重点分析了其在解决传统热泵(ASHP/GSHP)除霜效率低、可再生能源间歇性供应等问题的创新突破，特别强调了双源热泵和光伏辅助系统(PV-T)结合PCM-TES可实现75%除霜时间缩减和250%能效提升(COP)，为低碳建筑能源系统提供了关键技术路径。

　　

PCMs for heat pumps (HPs)

相变材料(PCM)凭借其高储能密度和等温相变特性，成为提升热泵(HP)性能的关键材料。固态-液态PCM因体积变化小而成为主流选择，其熔点范围需精确匹配热泵工作温度（低温<60°C、中温60-100°C）。研究显示，石蜡类PCM在建筑供暖应用中表现优异，其潜热可达200kJ/kg以上，但需通过添加石墨烯或金属泡沫将导热系数从0.2W/(m·K)提升至15W/(m·K)以解决传热瓶颈。微胶囊化技术可防止相分离，使PCM循环稳定性突破5000次以上。

Air-source heat pump (ASHP) with the integration of TES

空气源热泵(ASHP)结合PCM-TES后展现出革命性改进：蒸发器侧集成PCM可将除霜能耗降低40%，而冷凝器侧布置使供热稳定性提升30%。典型案例显示，采用CaCl₂·6H₂O水合盐PCM的系统，能在-15°C极端环境下维持COP>2.5，较传统ASHP提高75%。创新的"三明治"式PCM-热管结构更实现热量传递速率倍增。

Emerging technologies of PCM-based TES coupled with HP for enhancing performance

前沿技术正突破PCM-TES性能边界：

1. 1.

   纳米流体PCM将导热系数提升300%，同时通过表面改性抑制过冷度；

2. 2.

   形状稳定复合PCM（如聚乙烯醇/石墨体系）在1000次循环后仍保持97%储热能力；

3. 3.

   智能相变系统通过温敏聚合物实现4℃范围内精确温控，特别适合手术室等精密环境。

Energy, economic and environment

全生命周期分析表明，PCM-TES耦合系统可使建筑供暖碳排放降至0.19kg CO₂/kWh，较燃气锅炉降低21%。尽管初始投资增加15-20%，但峰谷电价策略下投资回收期仅3.7年。光伏-热泵-PCM三联供系统更可实现年节电1.2×10⁴kWh/户。

Conclusions

PCM-TES与热泵的协同效应已获实证：双源热泵集成PCM后全年COP提升28%，光伏辅助系统实现80%可再生能源渗透率。未来突破点在于开发宽温域(-30~150°C)复合PCM，以及AI驱动的动态负荷预测系统。该技术路线完全契合全球建筑领域2050碳中和目标，预计市场规模将在2030年突破$85亿。