炎热干旱气候下建筑围护结构中相变材料的最佳选择：一种综合考虑能源、热舒适性、经济性与环境因素的多准则决策方法

《Journal of Energy Storage》：Optimal selection of phase change materials for building envelopes in hot-arid climates: An integrated multi-criteria-decision-making approach for energy, thermal comfort, economic, and environmental criteria

　　

MohammadReza Mehdizade|Mohammad Hossein Jahangir

伊朗德黑兰阿米尔卡比尔理工大学能源工程与物理系，邮政信箱15875-4413，德黑兰，伊朗

摘要

由于全球气候变化以及建筑环境对能源消耗的贡献，采用潜热型热能储存策略，如相变材料，是一种有效的解决方案。本研究选取了十种具有不同热物理、经济及环境特性的相变材料，将其应用于建筑围护结构中并进行评估。评估主要关注热能储存性能（供暖和制冷节能效果）、经济可行性、碳足迹以及室内热舒适度。相变材料的模拟是在DesignBuilder软件中结合EnergyPlus引擎完成的。为选出最高效的相变材料，研究人员利用从模拟中获得的参数，通过Python语言构建了基于性能的多准则决策框架。随后采用TOPSIS方法，根据熵-香农算法确定的权重对各种材料进行排序。最终PCM21被评定为最佳材料，它能分别实现19.25%的供暖节能效果和15%的制冷节能效果，对应的节能量分别为1978千瓦时和1819千瓦时。此外，该材料还能在不同季节提升5–7%的室内热舒适度。从经济角度看，可节省360美元，其简单投资回收期为14.9年。从环境角度而言，它能减少1563千克的二氧化碳排放，相应的碳投资回收期为8.2年。

章节摘录

术语表

缩写	说明
AG	空气间隙
ConFD	传导有限差分法
CPP	碳投资回收期
CSM	紧凑型储存模块
ES	节能效果
ETFE	乙烯四氟乙烯
EU	欧洲联盟
GUI	图形用户界面
HVAC	供暖、通风与空调系统
IEA	国际能源机构
IPCC	政府间气候变化专门委员会
LCA	生命周期分析
MAE	平均绝对误差
MCDM	多准则决策方法
OPV	有机光伏材料
PCM	相变材料
PV	光伏材料
PMV	预测平均评分
PPD

研究方法

本部分阐述了解决该问题的方法及具体细节。文中描述了案例研究的相关情况，包括所使用的材料、区域特征、建筑规格以及当地气候条件。同时介绍了相变材料的特性、厚度、安装位置，以及建模方法和工具。之后，将评估标准分为四个主要类别，其中部分标准还进一步细分为子标准。通过多准则决策方法，每种相变材料都被视为一种候选方案，相应的目标函数也为

热能储存性能

在本部分中，分别针对仅使用基础材料的情况，以及在墙体和屋顶中嵌入相变材料的情况，对建筑全年的供暖和制冷能耗进行了评估。随后对各项结果进行比较，并计算出每种相变材料所带来的节能效果。

结论

本研究成功分析了十种不同相变材料在伊朗亚兹德地区一户独栋住宅建筑围护结构中的应用效果，该地区昼夜温差较大。在基准情况下，该建筑的年度供暖负荷为10,276千瓦时，制冷负荷为12,149千瓦时。研究结果表明，性能、环境影响、成本以及热舒适度之间存在明显的权衡关系，因此需要

作者贡献声明

MohammadReza Mehdizade Marzebali：负责原文撰写、研究方法设计以及概念构思。Mohammad Hossein Jahangir：负责原文撰写、研究方法设计以及概念构思。

利益冲突声明

作者声明不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益冲突或个人关系。