PCM与生物基材料相结合的新型多层建筑围护结构的湿热行为实验研究

搁浅

PCM与生物基材料相结合的新型多层建筑围护结构的湿热行为实验研究(DOI: 10.1016/j.buildenv.2021.107995)

随着全球建筑能耗持续上升，如何提升建筑围护结构的节能性能与室内舒适度成为研究热点。2021年，法国洛林大学与中国天津商业大学的研究团队合作开展了一项实验研究，系统评估了一种集成相变材料（PCM）与汉麻石灰混凝土（HLC）的多层生物基围护结构的湿热行为，成果发表于《Building and Environment》期刊。

---

一、研究背景：生物材料与相变材料的协同潜力
建筑围护结构是调控室内温湿度的第一道防线。传统材料在热惯性与湿缓冲能力方面往往难以兼顾：

• 汉麻石灰混凝土（HLC）:作为一种典型的生物基材料，具备良好的湿调节能力和较低的导热系数，但热惯性不足；
• 相变材料（PCM）:则能在相变过程中吸收或释放大量潜热，有效延缓温度波动。
  

本研究首次将两者结合，构建多层围护结构，并系统评估其湿热耦合性能及PCM布置位置对整体性能的影响。

---

二、实验设计：多配置对比，模拟真实环境
研究团队搭建了实验平台，一侧连接气候箱模拟室外环境，另一侧暴露于实验室环境中模拟室内条件。测试了四种围护结构配置：

通过布设温湿度传感器、热流传感器和热电偶，实时监测围护结构内部及表面的热湿响应，记录温度、相对湿度、热流密度等关键参数。

---

三、关键发现：PCM显著提升围护结构热湿惯性
1. 温度响应：PCM有效抑制温度波动

• 无PCM配置的温度振幅为8.3°C；
• X=0L配置降至6.5°C，X=1L配置则因热流方向变化，振幅反而升高至9.2°C；
• PCM越靠近室外侧，温度特征时间越长，热惯性越强。
  

2. 湿度响应：温度主导湿度变化

• HLC内部相对湿度变化与温度高度耦合，温度变化主导湿度波动；
• PCM作为湿气屏障，阻断了湿气传输，使相对湿度变化趋于平缓；
• X=0L配置下，湿度振幅降低约50%，湿度特征时间显著延长。
  

3. 热流与储能性能：X=0L表现最优

• 热流密度分析显示，X=0L和X=0.5L配置的冷热负荷最低；
• X=0L配置的储热/释热能力比无PCM配置高出约60%；
• PCM位置越靠近室外，其参与相变的温度区间越稳定，热效能越高。
  

---

四、综合评估：推荐PCM布置于室外侧研究综合热湿性能、能耗控制与结构响应速度，得出以下结论：  

• PCM布置在围护结构外侧（X=0L）**最有利于：
  
  • 抑制室外温度波动对室内的影响；
  • 降低冷/热负荷，实现节能；
  • 保持室内湿度稳定，防止霉菌滋生；
    
• 中间布置（X=0.5L）:适用于对双向热湿调控有需求的场景，但需注意湿气积聚风险；
• 室内侧布置（X=1L）:虽可提升室内热舒适性，但节能效果较弱。
  

---

五、研究意义与未来展望
本研究首次通过实验验证了PCM与HLC结合的多层围护结构在湿热调控方面的协同效应，明确了PCM布置位置对围护结构性能的关键影响。该成果为开发高性能、低碳、可再生的建筑围护系统提供了理论依据与技术支持。
未来研究可进一步探索：

• 不同气候区下的适应性；
• PCM与HLC的界面优化；
• 长期耐久性与生命周期评估；
• 数值模拟与实验验证的耦合建模。
  

---

结语：
在“双碳”目标驱动下，绿色建筑材料的集成应用将成为建筑节能的重要突破口。PCM与生物基材料的结合，不仅提升了围护结构的功能性，也为可持续建筑提供了新的技术路径。