《Journal of Energy Storage》：Interior-side active infrared thermography for assessing PCM-modified cement–lime fa?ade renderings as passive thermal storage layers
编辑推荐：
摘要本研究探讨了内侧主动红外热成像技术是否能够检测并比较应用于空心混凝土砌块立面的含相变材料的水泥-石灰抹面砂浆所产生的热延迟效应。研究使用了三个几何结构相同的墙体样本，这些样本均由空心混凝土砌块构建，并在外表面涂抹了10毫米厚的水泥-石灰抹面砂浆。其中一个参考墙体不含有相变材料
摘要
本研究探讨了内侧主动红外热成像技术是否能够检测并比较应用于空心混凝土砌块立面的含相变材料的水泥-石灰抹面砂浆所产生的热延迟效应。研究使用了三个几何结构相同的墙体样本，这些样本均由空心混凝土砌块构建，并在外表面涂抹了10毫米厚的水泥-石灰抹面砂浆。其中一个参考墙体不含有相变材料，而另外两个墙体则分别含有按水泥质量计占比为4%和8%的相变材料。研究使用卤素灯和反射装置向抹面后的外表面施加持续6秒的辐射脉冲，同时通过绝缘箱内的红外相机监测内部砌体表面的温度变化。在每次测试开始前，热电偶仅用于记录初始的外表面和内表面温度。当热成像测得的内部表面平均温度首次达到相对于初始值1.5±0.2°C的上升范围时，即可确定其特征加热时间。参考墙体在67分钟后达到该温度范围，而含有4%和8%相变材料的墙体则分别需要78分钟和97分钟。在60分钟的观测时间内，含有4%和8%相变材料的墙体的内部温度上升幅度分别降低了10.5%和11.3%。热成像图还显示，含有相变材料的墙体内部温度分布更为平稳，尤其是那些相变材料含量较高的墙体。这些结果表明，内侧主动红外热成像技术可以通过非接触式的、空间分布式的温度测量方法，区分空心混凝土砌块立面中不同相变材料添加量所带来的影响。
引言
建筑能源消耗与温室气体排放在很大程度上受建筑围护结构性能的影响，尤其是在气候温暖的地区，那里的太阳辐射会加速室内温度上升，从而增加制冷需求[1]、[2]、[3]。与以供暖为主的气候地区不同，这些地区需要采用被动式围护结构策略，以便在热量进入室内之前延缓或削弱其热量传递。由于制冷系统仍依赖氟化制冷剂来替代氯氟烃和氢氯氟烃，尽管某些氢氟烃仍具有较高的全球变暖潜力，这一需求愈发重要[4]。在此背景下，相变材料因其能够在与其熔点范围、集成方式以及在建筑围护结构中的位置相适应的情况下，通过固液相变在接近舒适温度时吸收和释放热量，而被视为理想的分布式热储存介质[5]、[6]、[7]。
砌体墙仍然是最常用的建筑围护结构之一，尤其是在那些快速城市化的温暖地区，因为在那里，建筑解决方案需要在保证良好热性能的同时具备简单且成本较低的施工特点。空心混凝土砌体既被广泛用作承重结构，也被用作围护结构。许多在砌体中应用相变材料的方法都是通过填充砌体空腔来实现，这需要在每平方米立面面积上使用相对大量的相变材料，同时也会改变砌体单元本身的热性能[8]、[9]、[10]。
在本研究中，研究人员并未选择填充砌体空腔，而是将P-Thermoball 28材料掺入到涂覆在空心混凝土砌块立面外表面的薄层水泥-石灰抹面砂浆中。这种方法无需改变砌体的几何结构即可实现潜热储存，且特别适用于温暖气候地区，因为在这些地区，减少热量向室内传导比保持室内热量更为重要。
由于真实的建筑立面无法轻易安装大量热电偶或热流传感器，因此评估含有相变材料的立面涂层一直是一项挑战。此前基于热电偶的研究表明，P-Thermoball 28能够改变空心混凝土砌体结构的瞬态热响应特性[11]。基于这些研究成果，本研究旨在探讨内侧主动红外热成像技术是否能够检测、绘制出并由比较含有相变材料的薄层外表面抹面层所产生的热延迟效应。与确定标准的热学或力学参数不同，本研究所提出的方法被视作一种非接触式的诊断手段，能够在受控的实验室条件下区分不同相变材料添加量所带来的影响。
章节节选
建筑围护结构中的被动式与主动式热成像技术
在边界条件得到适当控制的情况下，红外热成像技术已从一种定性检测手段发展成为用于评估建筑围护结构的定量分析方法[12]、[13]。被动式热成像技术能够记录自然温度差异，但其结果会受到天气条件、太阳辐射以及内部负荷的影响[14]。而主动式热成像技术则通过施加可控的热激励并监测表面的瞬态响应，从而更直接地评估建筑围护结构的各项性能。
用于制作实验样本的材料
研究人员从总共1000块空心混凝土砌块中随机抽取了50块完整砌块和50块半块砌块作为实验样本。在受控的实验室环境中对这些样本进行48小时的预处理后，通过重量法和体积法分别测定了它们的平均密度和体积孔隙率，所得平均值分别为2358千克/立方米和1.21%。
砌块的尺寸是通过数字卡尺和钢尺测量的。完整砌块和半块砌块的几何形状分别如图1(a)和图1所示。
内侧温度变化历程及点位分析
连续的红外图像采集产生了大量热成像图，从中选取了九幅具有代表性的图像，用以展示从初始的近似等温状态到达到设定阈值范围的温度变化过程。在每幅热成像图中，研究人员在内部砌体表面标记了十三个点位（Sp1–Sp13），包括砌块连接处和空腔部位。这些点位的平均温度代表了每次数据采集时的内部表面平均温度。图5展示了这些点位温度的变化情况。
讨论
本研究提出的主动红外热成像分析方法成功地区分了在相同激励和监测条件下的SP0、SP4和SP8三种样本在时间和空间上的响应差异。根据公式(11)、(12)、(13)，当熔点为26°C，熔融温度为35°C时[11]，纯相变材料在相变区间内的表观热容会增加，其增量为L/(Tliq?Tsol)=18.9焦耳/克·开尔文。考虑到在16.17千克/平方米的抹面层中，相变材料的实际含量分别为0.064千克/平方米和0.127千克/平方米，因此其有效的ceff值可由此计算得出。
结论
本研究旨在评估内侧主动红外热成像技术是否能够检测并比较应用于空心混凝土砌块立面的含相变材料的水泥-石灰抹面砂浆所产生的热延迟效应。研究中共测试了三个几何结构相同的墙体，它们均接受了持续6秒的辐射脉冲测试：其中一个墙体使用的是普通的水泥-石灰抹面砂浆，另外两个墙体则分别使用了含有4%和8%相变材料的水泥-石灰抹面砂浆。通过對内部砌体表面进行热成像测量，确定了各墙体的特征加热时间。
CRediT作者贡献说明
布鲁娜·萨莱斯·德索萨：论文撰写——初稿撰写、软件应用、实验研究。罗德里戈·何塞·帕伊瓦·克鲁兹：论文撰写——初稿撰写、可视化处理、结果验证、资源协调、实验研究。香迪·亚历山德拉·莫拉西·弗朗西斯科：论文撰写——审稿与编辑、可视化处理、结果验证、研究方法设计、概念构思。阿尔蒂巴诺·奥尔滕齐：论文撰写——审稿与编辑、项目监督、项目管理、研究方法设计、正式数据分析、概念构思。
资金支持
本研究未获得任何来自公共部门、商业机构或非营利组织的专项资助。
利益冲突声明
所有作者均声明，他们不存在任何可能影响本研究结果的已知财务利益关系或个人关系。
布鲁娜·萨莱斯·德索萨|罗德里戈·何塞·帕伊瓦·克鲁兹|香迪·亚历山德拉·莫拉西·弗朗西斯科|阿尔蒂巴诺·奥尔滕齐
巴西普林西帕州伦敦德里纳市，塞尔索·加西亚·西德公路380公里处，伦敦德里纳州立大学
