关于在炎热潮湿气候下用于建筑物被动温度调节的填充有生物复合材料相变材料的砖块的实验研究

《Journal of Endodontics》：Experimental investigation on biocomposite phase change material-filled bricks for passive temperature regulation in buildings in a hot and humid climate

本研究通过实验优化水葫芦生物炭稳定形状的相变材料（PCM）在砖墙中的位置和方向，发现中间层西向布置可最大降低室内温度10.47%，热流减少76%，且抗压强度达标，为被动式降温提供有效方案。

　　随着全球温度的持续上升，建筑空间冷却的能源需求自1990年以来已增长了三倍。在这样的背景下，提高建筑的能源效率显得尤为重要。特别是，通过高效的被动式建筑围护结构来调节室内温度，可以有效降低建筑的冷却能耗。当前的研究聚焦于如何通过在小型房间中应用形状稳定相变材料（PCM）来增强砖墙的被动式温度调节能力。具体而言，研究团队采用了一种创新的方法，即将有机PCM融入水葱生物炭的多孔基质中，从而实现形状稳定。这种生物炭具有丰富的孔隙结构、广泛的比表面积和高的吸附能力，使得其成为一种理想的PCM载体材料。

为了评估这种新型生物复合PCM在砖墙中的应用效果，研究首先在热室中对含有中央嵌入20毫米厚WH-PCM层的黏土砖进行了热性能研究。随后，研究团队根据初步结果，使用WH-PCM掺杂的砖块建造了尺寸为1米×1米的墙体部分，以确定WH-PCM的最佳应用位置和方向。研究考察了三种配置，即WH-PCM层分别位于墙体表面距离为70毫米（Case I）、45毫米（Case II）和20毫米（Case III）处。为了全面评估其性能，每种配置均在四个方向上进行了户外实验，实验持续了一个夏季月份，以模拟热带气候下的实际环境条件。

研究结果表明，将WH-PCM层放置在墙体中部，并朝向西方方向，是实现室内表面温度降低最有效的方式。与对照墙相比，该配置下的最大温度降低和平均热流减少分别达到了10.47%和76%。此外，对砖块的抗压强度进行了分析，结果显示在IS 1077: 1992标准下，含有WH-PCM层的砖块属于7.5级，这在建筑施工范围内是可接受的。这表明，尽管在应用PCM时存在一些挑战，如泄漏风险、低热导率、过冷现象、机械强度下降以及对季节变化的适应性问题，但通过形状稳定技术，这些材料的性能可以得到有效提升。

在建筑领域，PCM的应用能够显著改善热能储存和热流控制，从而减少冷却负荷。例如，有研究显示，将PCM封装在泡沫混凝土板中并安装在测试房间的外表面，可以实现室内温度降低9.75°C，并减少过热现象54%。此外，增加PCM增强混凝土板的厚度，并选择适当的相变温度，可以进一步提高建筑的能源效率。在一项实验中，测试了10种不同厚度的PCM增强混凝土板（0.5–5厘米），其中3厘米的厚度被确定为最佳厚度，能够实现最大冷却负荷减少25.1%。然而，较厚的PCM层虽然能储存更多热量，降低白天的热增益，但在夜间固化过程中会释放更多的潜热，这可能导致室内最低温度上升，从而增加冷却负荷。

在另一项研究中，研究人员发现，将厚度为1.5厘米的石蜡（RT-35HC）分别放置在墙体的内侧和外侧，可以分别实现温度和冷却能耗降低3.4°C和66%。这表明，PCM在墙体中的应用位置对性能有重要影响。此外，Yasiri等人在非通风条件下对集成PCM的墙体和屋顶进行了实验评估，结果显示PCM能够稳定室内温度，平均温度降低和热增益减少分别达到了2°C和56瓦。这些研究进一步说明，PCM在建筑中的应用潜力巨大，但其实际应用仍需更多的实验验证。

在本研究中，研究团队进行了两项主要的实验研究，以评估生物复合PCM嵌入砖块的温度调节性能。第一项研究旨在验证生物复合PCM在砖块中用于温度调节的可行性。通过在热室中对印度传统砖块进行实验，研究团队将PCM嵌入砖块的中心位置，以进行初步测试。所使用的生物复合PCM由石蜡（60重量百分比）和水葱生物炭（40重量百分比）组成，该材料由研究团队自行开发。初步实验的结果被用于进一步开发集成生物复合PCM的墙体。为了全面评估其性能，研究团队测试了三种不同的PCM位置：墙体内侧（Case I）、墙体中部（Case II）和墙体外侧（Case III）。每种位置均在四个方向上进行了测试，以找到最佳的应用位置和方向。在测试过程中，保持PCM的厚度和质量不变，以确保实验的可比性。所有测试均在热带气候下的夏季月份进行，以模拟真实环境条件。

此外，研究团队还对最优位置的砖块进行了强度分析，以确保其在实际应用中的结构安全性。研究的创新之处在于，它提供了关于在热带夏季条件下生物复合PCM墙体最佳应用方向和位置的具体实验数据。这类在真实天气条件下对完全被动式墙体进行的详细实验研究在公开文献中较为有限。因此，本研究不仅填补了这一领域的空白，还为未来在建筑中应用PCM提供了重要的参考依据。

研究还强调了形状稳定技术在建筑领域中的重要性。相比传统的宏观封装方法，形状稳定技术能够提供更高的热传导率，并降低材料成本。通过使用天然材料如黏土和纤维素纤维进行形状稳定，这种方法为提高建筑热管理的可持续性提供了新的途径。生物炭作为PCM的添加剂，能够有效提升PCM的性能，使其在建筑中具有更广泛的应用前景。研究还指出，虽然目前关于PCM在砖块中应用的研究主要集中在数值模拟方面，但实验研究的范围相对较小，这表明在该领域仍有巨大的实验研究潜力。

通过这些实验，研究团队不仅验证了生物复合PCM在砖块中的应用效果，还探索了其在不同位置和方向上的性能表现。研究结果表明，将PCM嵌入墙体中部，并朝向西方方向，能够最大程度地降低室内温度。这种配置不仅能够有效减少白天的热增益，还能在夜间降低潜热释放，从而维持室内温度的稳定。此外，研究团队还发现，保持PCM的厚度和质量不变，有助于提高实验的可重复性和结果的可靠性。

在实际应用中，建筑围护结构的设计和材料选择对于实现节能目标至关重要。通过引入生物复合PCM，不仅可以提高砖块的热容量和热质量，还能增强建筑的被动式温度调节能力。这种材料的使用有助于减少对传统空调系统的依赖，从而降低能源消耗和碳排放。此外，研究团队还强调了在热带气候条件下，建筑围护结构需要适应高温和高湿的环境，因此选择合适的PCM位置和方向对于优化性能具有重要意义。

综上所述，本研究通过实验验证了生物复合PCM在砖块中的应用效果，并提供了关于其最佳位置和方向的具体数据。这些结果不仅有助于提高建筑的能源效率，还为未来在建筑中应用PCM提供了重要的参考依据。同时，研究还强调了形状稳定技术在建筑领域中的重要性，以及生物炭作为PCM添加剂的潜力。这些发现为建筑行业在应对全球能源挑战方面提供了新的思路和解决方案。