薄层相变材料（PCM）窗帘式太阳能烟囱改善热带气候太阳诱导通风性能：厚度与太阳吸收率协同优化

《Sustainability》：Improvement of a Window Curtain with Thin Phase Change Materials to Promote Solar-Induced Ventilation in a Tropical Climate

　　

将相变材料（PCM）与太阳能烟囱（solar chimney）结合是一种自然通风策略，可延长通风持续时间并减少与全球变暖（global warming）相关的能源使用。然而，与墙体或屋顶等建筑围护结构（building envelope）构件相比，其与薄织物窗帘的集成仍研究不足。本研究在热带条件下使用 EnergyPlus 模拟，评估了 PCM 厚度为 0.001 至 0.004 m 且集热器吸收率（collector absorptance）变化的帘式 PCM 太阳能烟囱的热性能，涵盖 1533 个逐时观测值。经敏感性分析（sensitivity analysis）指导的自回归模型（autoregressive model）解释了 59.3% 的气流方差（调整 R² = 0.593，p < 0.001），且残差自相关（residual autocorrelation）不显著。集热器与房间温差（collector-to-room temperature differential）是最强预测因子（每 1 °C 为 10.91 m³/h）。显著的 PCM–吸收率交互作用表明，薄 PCM（0.001 m）对太阳得热（solar gain）响应迅速，而厚 PCM（0.004 m）通过潜热储存（latent heat storage）维持傍晚通风。最优配置由 0.004 m PCM 与 0.95 吸收率组成，使气流增加 23%，并将通风延长至超过 20 h/day；而低至中等吸收率与薄 PCM 组合可在高达 23 h/day 内维持 38.4–55.6 m³/h。这些发现支持热带建筑中可持续被动冷却（passive cooling）的灵活、气候响应型策略。

研究人员围绕薄层相变材料（PCM，phase change materials，可在相变过程中以潜热形式吸收或释放热量的材料）窗帘与太阳能烟囱（solar chimney，利用太阳辐射加热空气腔形成浮力驱动通风的装置）的集成开展研究。全球变暖与建筑能耗增长使自然通风成为降低空调能耗的路径；建筑占全球能耗 40%，其中供暖、通风与空调（HVAC）占建筑能耗 50%；泰国空调能耗占总能耗 70%。玻璃围护结构使太阳辐射直接进入并转化为热，太阳能烟囱依烟囱效应运行，但日落后效率下降。PCM 可潜热储热，但有机 PCM 如石蜡导热率低，厚度与体积影响储热。既有研究多聚焦墙体、屋顶、窗户及 PCM-太阳能烟囱，但“窗帘”形式薄 PCM 与不同太阳吸收率组合研究有限；PCM 厚度 0.001–0.004 m 与该类集热器未建立。本研究目标为识别 PCM 厚度、太阳吸收率、表面温度与空气温度等参数如何影响热带气候下 PCM 窗帘太阳能烟囱的太阳诱导气流率。

关键技术方法：研究人员构建 1.00 m×1.00 m×2.00 m 太阳能烟囱原型，在热带湿热房间以卤素灯施加 400 和 700 W/m² 受控热流，用温度记录仪、热线风速仪和总辐射表监测，并据 24 h 实验数据修改 EnergyPlus 天气文件。模型在 EnergyPlus 25.1.0 中验证后，耦合 2.50 m×2.50 m 房间，采用泰国气象厅（Thai Meteorological Department）典型气象年（TMY）天气文件进行全年参数模拟；变量包括 PCM 厚度（0.001–0.004 m）、集热箔太阳吸收率（0.1–0.95）、房间空气温度与箔表面温度，共 16 个案例。PCM 用传导有限差分（CondFD）算法模拟。统计采用自回归模型（AR(2)X）、逐步 OLS、OAT 敏感性分析和复合优化指数，SPSS 25 计算。年度气象数据来源为泰国气象厅 TMY；无人类样本队列。

4.1 EnergyPlus 25.1.0 模型验证：通过实验与模拟对比，700 W/m² 下集热器表面温度 50.6–57.1 °C、连接空间空气温度 36.0–41.2 °C；400 W/m² 下分别为 43.0–47.8 °C 和 33.4–36.3 °C，相对误差 0.05–5.1%；平均气流 0.0101 m³/s，模拟与实验气流偏差 0.5–13.3%，CV(RMSE)=9.32%，NMBE=0.0007，模型可接受。

4.2 逐时气流率模拟结果：用 0.003 m PCM 和吸收率 0.1–0.95 模拟，PCM 集热器比黑漆胶合板气流更高、通风更长。高吸收率 0.95 因太阳入射更垂直，气流比 0.1 高 8.6–57.5%；RT35HC 铝袋 PCM、吸收率 0.95 时通风 19–23 h，气流 38.4–55.6 m³/h，满足 ASHRAE 62.2-2016 的 5 CFM/人（8.5 m³/h/人）。峰值后 0.95 因储热延长通风、下降更缓，可替代排风扇。

4.3 太阳吸收率和 PCM 厚度对气流率的影响：0.001–0.002 m 时吸收率从 0.1 升至 0.95 使年均气流增 13.5–21.4%；0.003–0.004 m 时增 18.0–23.0%；固定吸收率变厚度仅变 1.1–5.0%。吸收率影响更大，0.95 最高；低中吸收率配 PCM 也可充分通风。

4.4 PCM 厚度对通风时长的影响：RT35HC 厚度 0.001–0.004 m 峰值 7:00–8:00 相近；20:00 后差异显现，0.004 m 比 0.001 m 高 2.0–10.0 m³/h。厚度主要延长通风时长，对峰值影响小；与 Li and Liu 2014 类似配置在 500 W/m² 下释热维持 13 h 50 min 一致。PCM 量增强潜热储热而非直接提高表面显热。

4.5 表面温度结果：10:00–16:00 铝箔表面 40.0–54.5 °C，比黑漆胶合板高 2.2–9.4 °C；吸收率 0.95 在 20:00–7:00 维持 >26.0 °C，夜间驱动通风；0.1 在 7:00–21:00 也产生通风。低吸收率气流较低但支持浅色/光泽设计并降低辐射得热。

4.6 连接房间与烟囱温度：吸收率 0.95、RT35HC 铝袋时，烟囱空气峰值 15:00–16:00 为 35.0–37.3 °C；连接房间 31.8–34.2 °C，因 PU 隔热低于室外。

4.7 敏感性分析结果：AR(2)X 模型调整 R²=0.593（F(4,1528)=558.457，p<0.001，SE=3.41 m³/h），预测因子 p≤0.001，VIF 1.002–1.575，条件指数 2.034，Durbin h=0.630（p=0.529）。OAT 显示 Δ(ΔT) 主导（β=0.598，OAT 范围 50.87 m³/h），±3.12 °C 使气流 ±25.43 m³/h，长期乘数 10.91 m³/h 每 1 °C。PCM–吸收率交互第二（β=-0.082，p<0.001；OAT 范围 5.93 m³/h）：吸收率增 0.1，薄 0.001 m 增 3.29 m³/h，厚 0.004 m 减 3.29 m³/h。薄 PCM 快速传递，厚 PCM 潜热储存日落后释放，延长通风；放热增加烟囱空气温度、降低密度产生浮力，与 Gap/H 成比例。

讨论总结：研究人员指出，温差是主要设计优先项；太阳吸收率对年均气流影响大于 PCM 厚度；薄厚 PCM 功能不同，薄层快速响应，厚层持续释热；0.004 m+0.95 为最优，低到中吸收率+薄 PCM 可长时维持中等气流；低吸收率浅色/光泽表面可减少辐射热增益。应用宜采用卷帘式窗户、底部开启并密封，适用落地玻璃办公楼。PCM 导热率低使室内温度较低。

研究结论部分翻译：薄相变材料改善窗帘织物，当其与太阳能烟囱集成时，可实现储热并延长通风持续时间，尤其是在夜间。窗帘设计为靠近 PCM 容器的一侧由层状组件构成：集热器按层制造，包括 PCM 容器（箔）、PCM、隔热片和窗帘织物。因此，薄型化被确定为窗帘的核心设计原则。据此，本研究在炎热潮湿气候条件下通过 EnergyPlus（版本 25.1.0）模拟，考察了影响空气腔体内气流的因素，即 PCM 厚度、太阳吸收率和温差。结果表明，采用 PCM 厚度 0.001 至 0.004 m 的窗帘产生最大气流率 38.4–55.6 m³/h（22.6–32.7 CFM）；最优配置（厚度 0.004 m，太阳吸收率 0.95）使气流增加至多 23%，并将通风延长至每天超过 20 h。与模拟结果一致的敏感性分析显示，太阳能集热板与房间温度之间的温差是最具影响的变量，ΔT 每增加 1 °C（Δ(ΔT)=1 °C），气流率增加 10.91 m³/h。PCM 厚度和太阳吸收率也表现出显著交互效应：薄 PCM（0.001 m）对吸收率高度敏感（每单位 Δα +32.9 m³/h），而厚 PCM（0.004 m）减弱该响应（?32.9 m³/h），反映从快速传热向储热行为的转变。在充能阶段，显热导致的表面温度升高使能量被储存并随后用于驱动相变；因此厚度用于增强储热容量，而太阳吸收率用于在太阳辐射分配进入 PCM 前将其集中。此外，由于 PCM 导热率相对较低，室内房间温度相应较低。PCM 的选择应依据预期应用：薄相变层最适合优先快速通风响应的设计应用，而较厚相变层更适合需要持续最大气流的应用。推荐在太阳能集热板与房间温度之间维持大于 6 °C 的 ΔT，并结合 0.4–0.95 的太阳吸收率，以实现最优被动通风性能。PCM 窗帘与太阳能烟囱的应用应采用卷帘式窗户设计，从底部开启并密封以维持空气腔体内压力。适用建筑类型应为具有落地玻璃、可容纳窗帘开合的建筑物，例如办公楼。