先进相变材料集成在建筑中的热储能综合研究：优化建筑能源管理与热舒适性

作者及发表信息
本综述由Muhammad Arslan（巴基斯坦Taxila工程技术大学机械工程系）、Esha Ghaffar（同单位）、Aamir Sohail（马来西亚理科大学机械工程学院）、Fabiano Pallonetto与Muhammad Waseem（爱尔兰Maynooth大学国际可再生能源与能源系统集成研究组）合作完成，发表于2025年3月的《Energy and Built Environment》期刊。

研究主题与背景
本文聚焦相变材料（Phase Change Materials, PCMs）在建筑热储能系统中的应用，旨在解决全球建筑能耗占能源总消耗40%且贡献30%二氧化碳排放的核心问题。随着化石燃料危机加剧，PCMs通过固-液相变吸收/释放潜热（latent heat）的特性，可显著提升建筑围护结构的热惯性，减少对传统暖通空调（HVAC）系统的依赖。研究系统梳理了PCMs的封装技术、材料分类、机械性能及实际应用案例，并特别关注从石油基PCMs向生物基（bio-based）环保材料的转型潜力。

主要观点与论据

1. PCMs的分类与热物理特性
   PCMs分为无机（如盐类水合物）、有机（如石蜡、脂肪酸）和共晶（eutectic）三大类。有机PCMs（如石蜡）因化学稳定性高、相变温度可调（20–77°C）成为建筑应用主流，但其易燃性限制了推广。生物基PCMs（如动物脂肪衍生物）虽环保，但缺乏统一的热物性标准。研究通过差示扫描量热法（DSC）数据指出，共晶PCMs通过混合多组分可实现无相分离的稳定相变，但成本较高（图6）。

2. 封装技术的比较与优化

   • 宏观封装（Macro-encapsulation）：将PCM封装于管状、板状容器（如HDPE面板），成本低且易于集成至墙体或地板，但热导率受限。案例显示，在西班牙的太阳能通风立面中，宏观封装PCM使冬季热损失减少17%（图7）。
     
   • 微观封装（Microencapsulation）：通过聚合反应将PCM包裹于微米级胶囊（如BASF的Micronal®），提升热交换效率，但生产成本高。实验证明，含5%微胶囊的混凝土可使室内温度波动降低28.8%（夏季）和17.7%（冬季）（图9）。
     研究强调，混合封装策略（如多孔载体浸渍PCM）可平衡成本与性能，例如硅灰（silica fume）负载石蜡的复合材料热导率提升至3.11 W/m·K。

3. PCM对建筑材料机械性能的影响
   添加PCM可能降低水泥基材料的抗压强度（最高10%）和弹性模量，但通过优化封装方式（如形状稳定化）可缓解。例如，脂肪废弃物衍生的PCM复合体在热重分析（TGA）中显示良好热稳定性，但需进一步测试其与建筑基材的兼容性。研究指出，PCMs的长期循环稳定性（>1000次相变）是确保建筑构件耐久性的关键。

4. 实际应用与能效验证

   • 主动系统：在太阳能辐射供暖中，PCM地板（中国张北地区实验）将温度波动减少3°C，年节能22%。
     
   • 被动系统：葡萄牙办公室采用PCM天花板后，夏季峰值冷负荷下降40%。
     
   • 改造案例：英国历史建筑使用PCM石膏板 retrofit，在不破坏结构的前提下降低15%供暖能耗。
     经济性分析表明，欧洲气候区PCM应用的回报周期为5–10年（表1），而热带地区因冷却需求高可缩短至5年以下。

5. 生物基PCMs的前景与挑战
   研究重点评估了基于废弃生物质（如七叶树果实）热解炭（char）负载PCM的可行性。实验数据显示，其相变焓（enthalpy）与商用石蜡相当，但需解决大规模生产中的工艺一致性。作者呼吁建立生物基PCMs的国际标准以推动产业化。

研究价值与意义
本综述首次系统整合了PCMs在建筑中的全尺度应用数据（从实验室样本到真实建筑），并提出“封装-性能-经济性”协同设计框架。其科学价值在于：
1. 揭示了PCMs对建筑材料多尺度（微观热物性/宏观机械性）的影响机制；
2. 为生物基PCMs的研发提供了实验与理论基准；
3. 通过全球案例库（如中国、欧盟、澳大利亚）验证了PCM技术在不同气候区的适应性。

实践层面，研究为近零能耗建筑（NZEB）提供了可落地的技术路径，尤其对发展中国家降低建筑碳足迹具有指导意义。未来需攻克PCMs的低成本规模化生产与智能控制集成等难题。