摘要：一类令人兴奋的技术有望彻底改变冷却领域 —固态技术，即使用固体材料和外加场或力来产生加热和冷却的技术。虽然初创公司仍在提高性能和优化以降低成本，但固态冷却技术有望降低能耗，消除当今加热和冷却系统中使用的有害制冷剂，并严重颠覆市场。 这是探索固态冷却的潜力和前景

一类令人兴奋的技术有望彻底改变冷却领域 — 固态技术，即使用固体材料和外加场或力来产生加热和冷却的技术。虽然初创公司仍在提高性能和优化以降低成本，但固态冷却技术有望降低能耗，消除当今加热和冷却系统中使用的有害制冷剂，并严重颠覆市场。 这是探索固态冷却的潜力和前景的三部分系列中的第一部分。

制冷（包括空调和制冷）不再是一种奢侈品，而是全球必需品，对人类的生产力、健康和生存至关重要。2024 年是有记录以来最热的一年，全球平均气温首次超过《巴黎协定》设定的 1.5°C 阈值。 全球 60% 的人口现在面临着致命的高温条件，其中三分之一的人几乎没有机会获得冷却解决方案。这就造成了一个根本性的困境：平衡舒适的生活条件和减少碳排放的迫切需求。

冷却产生的碳排放量很大，并且正在迅速增长。大多数购买和使用的设备效率低下 — 今天销售的空调 （AC） 设备的平均效率不到现有最佳技术的三分之一。制冷和空间冷却占全球温室气体排放量的 10% 以上，即 4.4 GtCO2e 每年，额外增加 1 GtCO2e 因冷藏不足造成的食物损失。在气温升高和中产阶级壮大的推动下，预计到 2050 年，与冷却相关的排放量将翻一番。除了排放之外，预计制冷还将推动峰值电力需求，尤其是在炎热国家，给已经紧张的电网带来额外压力，并可能需要新的发电厂来满足需求。

进化的进步对现有系统进行了改进，但这些改进是零碎的，而不是变革性的。近一个世纪以来，全球 95% 的冷却设备都使用蒸汽压缩系统，一直是冷却技术的支柱。蒸汽压缩依靠气态制冷剂的膨胀和压缩来产生加热和冷却。蒸汽压缩系统的逐步改进包括提高效率、推进低全球变暖潜值 （GWP） 制冷剂和改进压缩机技术。

革命性技术是可以显著减少排放和/或不依赖液态制冷剂的非传统方法。迄今为止，两种主要的革命性冷却方法包括：专注于湿度控制的解决方案，可减少蒸汽压缩系统中冷却空气所需的能量（例如干燥剂，在冷却前对空气进行除湿，可将能耗降低 80%，以及金属有机框架，或 MOF）和使用固体材料而不是流体制冷剂进行冷却的解决方案（固态系统）。

我们需要推动在交流需求和购买力高的市场中立即采用最好的成熟技术。与此同时，我们需要革命性的技术来推动效率的快速提高、增加可及性和减排。固态冷却等革命性技术的前景是，它们代表了巨大的跨越式潜力——它们可以在性能上提供飞跃式的改进，并且随着亚洲和非洲许多地区对空调的需求开始起飞，它们将走向成熟（并且变得足够实惠）。

固态冷却系统的核心原理是热量效应，这意味着固体材料可以通过施加外力或外力场来改变温度。用更科学的术语来说，固体材料可以通过施加外力或外力场来加热，而不会从周围环境中增加或去除热量。相反，温度会发生变化，因为材料被压缩、膨胀、磁化等。这种类型的温度变化在希腊语adiabotos 中被称为绝热，或不可逾越——因为热量不会直接进入或传出周围环境。再举一个例子，您可能听说过“暖空气下沉”这个说法——真正发生的事情是，当空气下沉时，大气压力增加会导致它凝结和升温，并发生绝热变化。随着空气的上升，降低的大气压使空气冷却和膨胀，通常会形成云。

你可以自己用一个气球来体验——如果你拿一个气球并拉伸它，你会感觉到它在拉伸的地方变热。在这种情况下，外力是拉伸的。如果你保持气球拉伸，它最终会恢复到室温。然后，解开气球，您会感觉到它明显凉爽。恭喜，您刚刚体验了弹性热量效应！

有许多理论上可能的固态冷却方法显示出冷却和加热的潜力。本系列仅讨论冷却应用的潜力，并重点介绍最发达的四种方法：磁热（磁铁）、热电（电压）、弹性热（机械拉伸）和气压（压力）。无论使用何种热量材料以及施加的外力或磁场，它们都遵循与拉伸气球相同的过程：

固态冷却引人注目的关键原因有两个。首先，固态冷却系统有望比标准蒸汽压缩系统（占当今市场的 95%）更高效，将相同冷却水平所需的能源减少 20% 到 47%。提高效率可以降低冷却系统的整体能耗（和业主的能源成本），减少压力电网的压力和建造新发电厂的需要。例如，美国能源部估计，在美国，大规模弹性热量固态冷却每年可以节省超过两四分之一的冷却能源，占美国冷却能源需求的 46%，或相当于 117,600 台风力涡轮机运行一年。

其次，这些系统消除了标准蒸汽压缩冷却系统所依赖的流体制冷剂，并且具有很高的全球变暖潜能值，比二氧化碳强数千倍。制冷剂在安装、维护、运行和产品使用寿命结束时经常从标准蒸汽压缩系统中泄漏。据估计，制冷剂的年泄漏率在 4% 到 22% 之间。制冷剂总共约占冷却设备总排放量的 30%。鉴于全球变暖潜值较高的制冷剂法规收紧的不确定性，公司正在认真评估固态冷却，以提前应对可能导致未来运营重大中断的未来监管风险。

除了减少排放之外，固态冷却还可以提供精确的温度控制，从而提高家庭和办公室的热舒适度，并且在先进制造设施等应用中可能是必不可少的。此外，一些固态冷却方法（热电和磁热冷却）几乎没有活动部件，这可以实现静音运行，减少维护需求，并可能延长使用寿命。一些系统（如热电系统）具有模块化的潜力，这意味着它可以根据冷却需求进行扩展或缩减，或者随着性能的提高，可以随着时间的推移更换组件。对于建筑用户来说，这些好处可能与节能一样重要。

在对节能和环保冷却技术不断增长的需求的推动下，我们看到固态初创公司的崛起。10 到 20 家初创公司正在为各种冷却应用研究和开发原型和早期模型，包括可以取代穿墙系统（通常在酒店中看到的系统）的房间空调机组和制冷机组。

固态冷却的最大卖点是它消除了液态制冷剂，而液态制冷剂对全球变暖潜力有很大影响，许多业内人士都将固态视为领先于未来法规和制冷剂过渡的一种方式。固态冷却效率的理论潜力是巨大的，但需要持续的研发 （R&D） 和资金来实现将这些产品推向市场的效率和冷却能力潜力。目前，许多系统都相当庞大，因此需要优化系统设计来开发可大规模采用的产品。

固态冷却的成本目前处于或高于一流冷却系统（根据对固态初创公司的采访），但就像所有技术一样，随着时间的推移，随着研发和市场兴趣的增加，这将会有所改善。虽然一些商业客户愿意为效率和成本节约支付早期价格点，并在监管变化之前保持领先地位，但这些系统对于最需要它们的人来说尚无法负担得起，包括发展中国家估计有 25 亿人进入市场购买他们的第一台空调。首次购买者倾向于选择更便宜、效率较低的型号，到 2030 年，能源需求可能会增加一倍，到 2050 年将增加 5 倍，因此采用更高效的技术（如固态冷却）至关重要。

尽管固态冷却还处于开发的早期阶段，但我们已经看到越来越多的初创公司和一些重大投资正在进行中，包括最近热电初创公司 Phononic 筹集的 5000 万美元。然而，大多数初创公司在早期就出现了偏差——要么只是从学术实验室分离出来，要么正在进行初步的试点测试。 Third Derivative 为两家有前途的固态冷却投资组合公司提供支持，即 Magnotherm（一家专注于制冷应用的磁热初创公司）和 MIMiC（一家专注于室内空调的热电初创公司）。固态冷却技术开发商已获得全球知名风险投资和成长型投资集团的风险投资 （VC） 投资，包括 Extantia Capital、Khosla Ventures、Kiko Ventures、Goldman Sachs、Carrier Ventures 和 Breakthrough Energy Ventures。

这些初创公司的下一步是什么？固态初创公司完善其技术并发展的条件是合适的。持续的研发资金、投资以及将法规转向提高效率和减少制冷剂排放，可以使固态初创公司起飞。在这个由三部分组成的系列文章的以下文章中，我们将深入探讨这四种固态冷却技术的规模化面临的机遇和挑战，以及迄今为止的投资吸引力。

作者要感谢 Blue Haven Initiative 资助这项研究，并感谢 Shruti Naginkumar Prajapati 和 Ankit Kalanki 的贡献。

来源：陈讲运清洁能源