《Energy Conversion and Management-X》：Assessment of bio-based walls with phase change materials for thermal, economic, and environmental performance: A case study of Tetouan, Morocco
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研究人员提出了一种面向地中海建筑的创新型保温体系，将Hemp Wool（HW，大麻保温纤维）与Phase Change Materials（PCM，相变材料）相结合。研究通过量化分析证实，该复合墙体具有较低的热transmittance（热透射系数，U-val
研究人员提出了一种面向地中海建筑的创新型保温体系，将Hemp Wool（HW，大麻保温纤维）与Phase Change Materials（PCM，相变材料）相结合。研究通过量化分析证实，该复合墙体具有较低的热transmittance（热透射系数，U-value）及显著的节能效果。经济性评估表明，尽管初始投资成本较高，该体系仍具备合理的投资回收期（Payback Period）。环境影响分析证实，该系统可通过减少碳排放（Carbon Emissions）及其潜在影响而展现显著的环境优势。相关仿真洞见与数值方法为可持续建设提供了方法学支撑。
**研究背景**
建筑部门约占全球总能源需求的40%与二氧化碳排放量的36%，是温室气体排放的重要来源，亟需可持续建筑策略以应对气候变化与全球可持续性目标。地中海气候区（K?ppen-Geiger分类Csa/Csb）涵盖南欧、北非及中东多个城市，共同面临夏季冷负荷高、冬季采暖需求适中以及城市快速扩张带来的能耗增长问题。然而，现有关于生物基保温材料与相变材料（Phase Change Materials, PCM）的研究多集中于欧洲语境，对北非地区监管框架、材料可得性与经济约束的关注显著不足。摩洛哥已提出到2030年能源效率提升20%的目标（其中建筑部门减排14%），其《建筑热法规》（Thermal Regulation of Buildings, RTCM）设定了能效要求，但因本地适配材料与技术获取困难而难以合规。Hemp Wool与Wood Wool等生物基材料因具有可再生性、较低隐含碳及良好调湿性能，被视为传统保温材料的潜在替代品；PCM则可通过相变潜热储存平抑室内温度波动。但既有文献多单独评估生物基保温或PCM，缺乏将二者整合于优化墙体构造中，并在地中海气候下开展热-经济-环境综合评估的研究框架，尤其缺乏针对摩洛哥法规与经济条件的验证。
**研究开展、结论与意义**
针对上述缺口，研究人员以摩洛哥得土安（Tetouan，K?ppen-Geiger: Csa）为典型案例，构建了五种墙体构造：传统膨胀聚苯乙烯（Expanded Polystyrene, EPS）保温层、Hemp Wool（HW）、Wood Wool（WW）、HW与PCM复合层（HW+PCM）及WW与PCM复合层（WW+PCM）。通过动态热模拟、生命周期成本分析（Life Cycle Cost Analysis, LCCA）与生命周期影响评估（Life Cycle Impact Assessment, LCIA），系统评估了各构造的热工、经济与环境影响。研究表明，HW+PCM构造综合表现最优：其热透射系数（U-value）低至0.380 W/(m
2·K)，年度墙级总热负荷为44.91 kWh/(m
2·year)，是唯一满足RTCM第2气候区限值（46 kWh/(m
2·year)）的生物基构造，较EPS参考墙降低22.3%。经济性方面，HW+PCM在50年分析期内生命周期成本较EPS节省15.4%，投资回收期（Simple Payback Period, SPP）为8.73年。环境方面，Hemp Wool因生物碳封存（Biogenic Carbon Sequestration）作用，其全球变暖潜能（Global Warming Potential, GWP）较EPS降低31%。该研究为北非地中海城市提供了首个整合热-经济-环境维度的生物基/PCM墙体评估框架，明确了满足摩洛哥强制性法规的可持续建筑路径。
**主要关键的技术方法**
研究人员综合运用了三项关键技术方法：其一，基于WUFI Pro 6.6的动态湿热耦合模拟（Dynamic Hygrothermal Simulation），依据DIN EN 15026:2007求解墙体热质传递控制方程，并采用焓法（Enthalpy Method）表征PCM的相变潜热储存；其二，基于GaBi软件平台与Ecoinvent v3.6数据库的生命周期影响评估（LCIA），采用ReCiPe 2016 v1.1中点（Midpoint）方法核算100年尺度GWP；其三，基于50年服务期的生命周期成本分析（LCCA），考虑贴现率（Discount Rate）、电价及其递增率等参数。研究以摩洛哥得土安2009–2023年逐时气象数据作为模拟边界条件，室内设定依据RTCM舒适区间（20–26°C，相对湿度40%–60%）。
**研究结果**
*热透射系数与热阻*
通过WUFI Pro全年逐时模拟，五种墙体构造的U值分别为：EPS 0.397 W/(m
2·K)、HW 0.388、WW 0.425、HW+PCM 0.380、WW+PCM 0.417。所有构造均满足摩洛哥第2气候区外立面U值≤0.80 W/(m
2·K)的限值；HW较EPS降低2.3%，HW+PCM进一步降至最低，表明PCM复合可优化墙体有效热阻。
*动态热性能指标*
基于8月15日所在夏季周的逐时热流数据分析，HW+PCM峰值入射热流较EPS降低32.6%，衰减系数（Decrement Factor）为0.3318，温度时间滞后（Time Lag）达6.0小时；WW+PCM峰值热流降低12.3%，滞后5.95小时；单一生物基保温HW与WW分别较EPS降低23.4%与8.9%。结果表明PCM复合对衰减昼夜温度波动具有显著作用。
*年度墙体热负荷*
通过全年逐时传热通量积分，HW+PCM总热负荷为44.91 kWh/(m
2·year)，是唯一低于RTCM限值46 kWh/(m
2·year)的构造；WW+PCM为48.50，降低16.1%；单一HW与WW分别为54.4与55.2，降幅有限。这证实PCM与生物基保温协同可显著降低以制冷需求为主导的地中海气候区能耗。
*经济分析结果*
50年LCCA显示，HW+PCM初始成本43.28 �/m
2，虽高于EPS（31.13 �/m
2），但年运行成本最低，生命周期成本为234.26 �/m
2，较EPS（276.92 �/m
2）节省15.4%，投资回收期8.73年；WW+PCM为12.78年。敏感性分析表明，电价及其年度递增率对回收期影响最大，其次是贴现率，材料成本影响最小。
*生命周期影响评估结果*
基于GaBi与ReCiPe 2016方法，EPS参考墙的GWP为140 kgCO
2-eq/m
2；HW为96，降低31%；WW为102.4，降低27%；HW+PCM为115.2，降低18%；WW+PCM为128，降低9%。HW的生物碳封存效应在生命周期各阶段均带来显著环境收益，而PCM层的附加隐含碳部分抵消了生物基优势。
**讨论与结论**
研究指出，热、经济与环境结果并不收敛于单一最优构造。若仅考虑生命周期成本与碳排放，单一HW因投资回收期最短（4.60年）且GWP最低（96 kgCO
2-eq/m
2）而成为首选；若仅考虑热工性能，HW+PCM是唯一满足RTCM Zone 2强制限值（44.91 kWh/(m
2·year)）的构造，而单一HW（54.4）及其他生物基构造均超出该阈值。鉴于RTCM合规属于强制性监管要求，研究人员提出合规优先（Compliance-first）决策规则：将热工性能视为约束条件，以经济与环境指标对满足合规的构造进行排序。据此，HW+PCM被推荐为RTCM Zone 2约束下新建筑的最优解；对于不受该法规约束的改造项目或优先考虑成本与隐含碳的场景，单一HW仍是有效替代方案。研究人员同时指出，上述热结论特定于DuPont Energain PCM（熔程10–28°C，潜热136.2 kJ/kg），未来需对不同PCM熔点与潜热开展系统参数敏感性分析、实验验证、多城市验证及正式多准则决策分析（Multi-Criteria Decision Analysis, MCDA）。
本研究结论如下：掺有PCM的生物基保温墙体在得土安及气候相似的北非地中海城市具有应用潜力。Hemp Wool与Wood Wool均提供了可与EPS比拟的热性能，PCM的整合进一步增强了热稳定性，并在夏季条件下显著削弱了峰值入射热流（较EPS最高降低32.6%，时间滞后最长6.0小时）。HW+PCM构造整体性能最佳，U值达0.380 W/(m
2·K)，墙级热负荷较EPS降低22.3%。尽管初始投资成本较高，这些墙体系统仍实现了高达15.4%的生命周期成本节约，投资回收期介于8.73至12.78年。与基于EPS的系统相比，碳排放可减少31%，这得益于较低的隐含碳与运营热负荷的降低。这些热发现特定于所研究的DuPont Energain PCM配方（熔程10–28°C，潜热136.2 kJ/kg），在将结果扩展至具有不同相变特性的其他PCM配方之前，需要进行系统的敏感性分析。采用掺有生物基PCM的墙体符合可持续发展目标，可提高能源效率、优化资源利用并促进碳封存，为得土安及气候相似的北非地中海背景下的低碳建筑提供了一条平衡且经济有效的路径。
