基于现场数据的炎热干旱气候下建筑围护结构定向依赖型相变材料性能评估与优化案例研究

《Journal of Building Engineering》：A Field-Data-Based Performance Evaluation and Optimisation Case Study of Orientation-Dependent PCM Behaviour for Building Envelopes in a Hot-Arid Climate

　　•全尺寸实验室实验表明，在夏季高温条件下，24°C的相变材料会增加制冷需求。•现场测量结果显示，约42°C是外墙使用相变材料的合适熔点。•基于先进仿真计算的物性参数及滞后效应分析有助于提升瞬态热性能评估的准确性。•在极端条件下，20毫米厚的RT42相变材料层可使夏季峰值热传递量降低约20%。•虽然相变材料在节能方面具有显著优势，但在当前经济环境下其投资回报仍较为有限。

引言
建筑行业是全球能源消耗和碳排放的重要来源，约占最终能源使用的36%，以及与能源相关的二氧化碳排放量的39%（联合国环境规划署，2022年）。如此巨大的能源消耗使得建筑环境成为应对气候变化挑战的关键领域。为此，推动建筑能效提升已成为可持续城市发展的核心任务。尽管经济效益往往决定新技术的应用前景，但日益严峻的气候变化形势以及极端天气事件的频繁发生，要求我们必须转变思维模式。节能技术不仅应被视为能够带来直接经济收益的手段，更应是保护环境、节约资源以及提升城市长期抵御能力的重要投资（Chang & Lu，2017；Mallick等人，2021年）。

在炎热干燥的气候条件下，这一需求更为突出，因为这些地区的城市面临着快速扩张与巨大热负荷的双重压力。由于全球变暖和城市化进程，这些地区的制冷需求十分庞大，且预计还会进一步上升（Holzer等人，2022年）。因此，被动式冷却技术为减少对高能耗机械系统的依赖提供了重要途径。其中，相变材料因其能够通过周期性储存潜热来增强热容量并稳定室内温度而备受关注（Nazir等人，2019年）。

然而，相变材料在建筑结构中的应用效果在很大程度上取决于当地气候条件。研究表明，相变材料的性能会受到其熔点与当地昼夜温度变化规律是否匹配的极大影响（Zhou等人，2012年）。越来越多的研究强调需要根据不同气候特点选择合适的相变材料（Saurbayeva等人，2023年），探索缓解城市热岛效应的材料解决方案（Tun等人，2025年），以及评估对现有建筑进行改造的可行方法（Zhou等人，2025年）。我们的最新研究结果（Sedaghat等人，2024年）进一步证实，若相变材料的熔点与当地温度变化不匹配，反而可能导致制冷负荷增加等不良后果。

在科威特这样的炎热干旱地区，这一问题尤为严重，因为在夏季强辐射作用下，外墙温度可超过60°C。尽管许多研究都强调了相变材料的优势，但对于其在极端气候条件下的季节性失效机制，目前仍存在较大研究空白。现在的问题不再是相变材料是否有效，而是如何确保它们能在全球最恶劣的热环境中持续发挥作用。本研究通过长期的现场测量和瞬态热分析，探讨了在炎热干旱气候条件下，含有相变材料的建筑结构因朝向不同而表现出的热行为差异。我们并未仅仅关注用于室内表面的低熔点相变材料，而是指出在外墙使用高熔点相变材料的必要性。通过在科威特设置的户外测试舱，结合瞬态热传导分析，本研究：•分析了熔点为24°C的常规室内相变材料在夏季高峰期的失效机制。•评估了熔点接近42°C的相变材料在极端夏季条件下用于外墙应用的适用性。•应用并验证了一种考虑了商用相变材料热滞后效应的瞬态数值模型。•量化了采用外墙相变材料策略所能实现的制冷节能效果（20毫米厚的RT42相变材料可节省高达20%的能耗）。

这些研究结果为炎热干旱地区选择适合当地气候的相变材料以及将其应用于外墙结构提供了实用指导，同时也凸显了在极端夏季条件下进行实地热性能测试的重要性。

章节节选
炎热干旱气候下的城市能源挑战与被动式冷却
在炎热干旱的气候条件下，快速的城市化进程和强烈的太阳辐射导致建筑行业的能源需求极高，这一行业占据全球能源消耗总量的三分之一以上。对机械制冷系统的过度依赖加剧了城市热岛效应，进而形成局部温度不断升高的恶性循环（Meshkinkiya等人，2025年）。正如Santamouris（2024年）所指出的，要缓解城市热岛效应，就需要转向那些能够提升能源韧性并减少对机械制冷依赖的被动式解决方案。

科威特的气候
科威特属于地球上最极端的炎热干旱沙漠气候类型之一。虽然该地区严格来说有四季之分，但其气候特征主要是漫长、极其炎热且干燥的夏季，冬季则相对较短。在夏季，气温常常超过45°C，长期气候数据也显示出了明显的升温趋势：夏季平均气温从1901年至1930年的35.02°C上升到了1991年至2020年的37.14°C（Kalbasi等人，2024年）。

控制方程与物理模型
由相变材料层和夹芯板构成的复合墙体系统的热行为遵循一维瞬态热传导方程，其表达式为：

其中，T为温度，t为时间，x为空间坐标，k为热导率，ρ为密度，C为有效热容。该公式的一个关键特点是通过与温度相关的函数来描述相变材料的潜热效应，该函数将显热效应和潜热效应统一考虑在内。

相变材料选择方法
图6展示了在科威特炎热干旱气候条件下，为降低夏季极端高温，选择何种熔点的相变材料用于建筑物外墙的分析过程。研究对夹芯板墙体在四个不同朝向下的43天热性能进行了全面分析。上方的子图展示了东、北、西、南四面墙体的连续温度变化曲线，从中可以清晰地看到不同的昼夜温度变化规律以及更宏观的季节性趋势。下方的四个象限则……

结论
本研究通过对科威特极端炎热干旱气候条件下的含相变材料建筑结构进行实地数据驱动的实验和数值分析，结果表明，相变材料的性能在很大程度上取决于其熔点选择、墙体朝向以及在建筑结构中的布置位置。分析还显示，如果相变材料的选择不当，反而在夏季高峰期会增加而非减少制冷需求。

• 相变材料的选择与布置……

数据获取情况
如需相关实验数据，可向通讯作者提出合理请求后获取。

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财务或个人利益冲突。

写作过程中生成式人工智能及辅助技术的使用声明
在撰写本文时，我使用了ChatGPT和DeepSeek工具来协助编程、优化图像以及改进语言表达。在使用这些工具之后，我对内容进行了必要的审阅和修改，并对本文的内容负全责。

资金支持
作者衷心感谢澳大利亚大学科威特分校提供的财政支持，资助编号为IRC-2024/2025-SRC-PR011；同时也要感谢科威特科学促进基金会提供的支持，资助编号为CN19-35EM-06。

利益冲突声明
? 作者声明自己不存在任何可能影响本文研究结果的财务利益冲突或个人关系。

致谢
我深深感激澳大利亚大学科威特分校的设施管理部门，他们一直给予我大力支持，还协助我在便携式测试舱的室内墙壁和天花板上安装了相变材料。Ahmad Sedaghat