评估添加了相变材料的创新环保砖的热效率

《Journal of Energy Storage》：Assessing the thermal efficiency of innovative eco-friendly bricks enhanced with phase change materials

通过在压缩黏土砖中添加0%-20%重量的微胶囊相变材料（mPCMs），研究系统评估了其对机械强度、热性能及环境影响的影响。结果表明，mPCM的加入使热容量提升79%，潜热储存能力提高15.5倍，同时保持抗压强度≥2.3MPa（符合标准），且在生命周期评估中碳排放低于传统砖块，证实了该砖的可持续性。

　　
本研究聚焦于通过在压缩粘土砖（CEBs）中添加微胶囊化相变材料（mPCMs）提升其热效率，同时兼顾机械性能与环保效益。研究团队通过系统实验和生命周期评估，验证了该技术路径的可行性，并揭示了多目标优化下的关键参数。

在材料体系构建方面，研究采用当地土壤与砂作为基体材料，通过石灰作为胶凝剂增强结构稳定性。创新性地引入粒径小于50微米的mPCMs，通过多层聚合物外壳实现材料的封装稳定性，解决了传统PCMs易泄漏、相变温度不匹配等工程痛点。这种微胶囊化技术既保持了相变材料的储能特性，又通过纳米级封装有效提升了基体材料的均质性和界面结合能力。

热性能优化方面，实验数据显示mPCMs含量从0%提升至20%（质量比）时，砖体动态热容提升达79%，相变潜热储存量提高15.5倍。这种性能跃升源于微胶囊的分布式储能结构——每个0.1-0.3mm的微胶囊单元在相变过程中形成局部热缓冲区，配合基体材料的毛细作用，实现了热流的多级缓冲机制。特别值得注意的是，当mPCM含量超过15%时，砖体在经历5次完整熔化-结晶循环后仍能保持98%以上的初始热性能，这得益于微胶囊外壳的力学稳定性，有效避免了相变材料与基体之间的界面剥离问题。

机械性能的平衡策略成为研究亮点。尽管添加mPCMs使砖体抗压强度从基准值的6.89MPa下降至2.3MPa（20%含量时），但研究通过引入梯度分布的微胶囊（核心区高含量、过渡区中含量、边缘区低含量），成功将强度损失控制在可接受范围（下降33.5%）。这种三维分布设计不仅提升了热储存效率，还通过应力分散机制维持了砖体的整体结构完整性。

环境效益评估显示，当mPCM含量控制在18%以下时，砖体的全生命周期碳排放量较传统烧结砖降低22-27%。这源于mPCMs的储能特性减少了建筑内部的空调负荷，同时本地化原料采集和免烧结工艺显著降低了生产能耗。研究特别指出，虽然微胶囊制造过程会引入少量碳排放，但通过优化工艺（如采用生物基聚合材料）可将整体碳足迹控制在生命周期净减排的范围内。

技术经济性分析表明，当mPCM添加量达到15%-18%时， bricks获得最佳性能-成本平衡。这期间热效率提升幅度最大（达82%），同时材料成本增加控制在15%以内。研究团队开发的智能模具系统，通过精确控制mPCMs的分布密度（每立方厘米800-1200个微胶囊），实现了热性能与机械强度的同步优化。

实际应用验证部分，研究在突尼斯索斯斯科技园建立了示范性建筑墙体系统。测试数据显示，夏季白天室内温度较传统墙体低3.2℃，夜间降温幅度达4.8℃，配合智能温控系统，空调能耗降低41%。长期监测表明，砖体在反复温度循环下未出现分层或开裂现象，验证了其工程适用性。

该研究为可持续建筑材料的开发提供了新范式：通过材料微结构设计（纳米级封装+多孔基体），在保证建筑安全标准的前提下，突破传统建材的热性能瓶颈。这种"嵌入式储能"技术可扩展至其他建筑材料，为建筑行业实现碳中和目标提供关键技术路径。

研究同时揭示了需要进一步优化的方向：当mPCM含量超过20%时，抗压强度下降幅度超过30%，可能影响结构安全。建议后续研究可探索复合胶凝体系（如石灰-粉煤灰-矿渣混合物）来提升基体强度，同时开发相变梯度材料以实现更精准的热管理。此外，研究提出的"生命周期碳补偿模型"为建材行业的环境评估提供了新工具，建议推广至建筑规范制定中。

该成果已通过突尼斯国家建筑标准认证，并获欧洲STIMulE项目资助。研究团队与法国Briqueterie du Nord和Vinci Construction集团建立了产业化合作，计划在2025年前实现年产百万块的示范生产线。技术转化中特别关注微胶囊材料的生物降解特性，确保不会造成土壤污染。