用于住宅建筑动态围护结构的具有储热功能的主动热开关的开发与节能分析

《Cell Reports Sustainability》：Development and energy savings analysis of active thermal switches with thermal storage for dynamic building envelopes in residential buildings

　　

本研究介绍了用于建筑围护结构的主动热开关（active thermal switch, ATS）技术的设计、实验评估和节能潜力，该技术可实现可变热阻。该开关集成了一个低功率电机和基于Raspberry Pi的控制系统，用于可编程切换、实时监控和故障检测。插入到10英寸×10英寸（0.064 m²）绝缘材料中的开关的有效热导率在OFF状态下测量为约0.046 W/m·K，在ON状态下为0.258–0.316 W/m·K。经过225次热循环的循环性测试显示没有性能退化。使用缩尺模型的户外测试证明了墙体内集成相变材料（phase change materials, PCMs）的性能改善。对美国多个城市气候下的单户住宅进行的建筑能耗模拟表明，将这些开关与基于PCM的储热相结合，可将年度供暖和制冷能耗减少高达1,090 kWh，能源成本减少高达286美元，平均节省分别为738 kWh（24%）和130美元（24%）。

**论文解读：主动热开关在住宅建筑动态围护结构中的节能潜力**

**研究背景与问题**
建筑能耗占全球能源消费的约30%，其中住宅建筑中近50%的能源用于供暖和空调。围护结构（如屋顶、墙体、窗户）是热传递的关键通道，负责高达60%–80%的建筑热损失。传统围护结构依赖固定材料属性，难以适应多变气候条件，导致能效瓶颈。动态围护结构通过主动或被动方式实时调节热性能，可有效降低能耗。然而，现有主动系统（如空气/水基系统、光伏/热电模块）存在结构复杂、成本高、控制策略依赖精密监测等问题。热开关作为新兴动态绝缘技术，通过调节热导率实现热流管理，但被动热开关的过渡温度固定、无法远程监测，限制了其跨气候区适应性。为此，研究人员开发了一种主动热开关，具备可编程控制、实时监控和故障检测功能，旨在解决被动设计的局限性，并提升建筑能效。该研究发表在《Cell Reports Sustainability》。

**主要技术方法**
研究人员采用以下关键技术：
1. **热导率测量**：使用热流计（FOX 600）测量嵌入挤塑聚苯乙烯（XPS）绝缘板中的开关的有效热导率，测试面积为25.4 cm × 25.4 cm（10 in × 10 in），设置OFF状态（内表面20°C，外表面35°C）和ON状态（内表面20°C，外表面10°C）。
2. **循环耐久性测试**：对单个原型进行225次热循环，监测ON/OFF状态热导率及开关比变化。
3. **户外验证**：在科罗拉多州Golden（2025年9月13–21日，环境温度5°C–38°C）构建三个缩尺绝缘箱（基线、仅PCM、PCM+开关），使用相变材料（PCM，Rubitherm RT22HC，相变温度20°C–23°C），记录墙体内表面温度。
4. **建筑能耗模拟**：基于ResStock单户住宅模型，利用EnergyPlus模拟8个美国城市（气候区1A–5A）的年度能耗与成本，比较基线、仅PCM和PCM+开关三种配置；采用转换公式将实验数据缩放至建筑尺度，并应用已开发的控制算法（基于外墙温度阈值的开关逻辑）。

**研究结果**
- **热导率测量**：通过热流计测量得出，嵌入XPS绝缘板中的单个主动热开关（齿轮电机设计）在OFF状态有效热导率（k_off）约为0.046 W/m·K，ON状态（k_on）为0.258–0.316 W/m·K，开关比（k_on/k_off）为5.4–6.9。对比螺线管设计（k_on≈0.22 W/m·K，开关比低于被动设计），齿轮电机因更高接触压力（~160 N）降低了界面热阻，且组装更简易，因此被选为最终原型。
- **循环性测试**：对齿轮电机原型进行225次热循环后，k_off稳定在0.046 W/m·K，k_on从0.30 W/m·K升至约0.31 W/m·K，开关比从5.9增至6.9，表明重复循环改善了接触界面，无性能退化。
- **户外测试**：在Golden, Colorado的9天户外试验中，PCM+开关配置的墙体内表面峰值温度（23.4°C）比基线（34.2°C）低10.8°C，比仅PCM（26.2°C）低2.8°C。夜间开关ON状态促进PCM凝固，白天PCM熔化吸热，降低了过热风险。
- **能耗与成本节省**：模拟覆盖8个城市（气候区1A–5A），PCM+开关配置平均年度HVAC能耗节省738 kWh（24%），成本节省130美元（24%），最高节省出现在Fort Myers, FL（1A区，1,090 kWh）和Santa Maria, CA（3C区，$286）。冷却能耗节省显著（平均721 kWh，24%），加热节省较小（最高129 kWh）。相比仅PCM配置（平均节省97 kWh，3%），PCM+开关的冷却能耗节省提升约14倍。百分比节省在温和气候（3C区）最高（76%），其次为炎热潮湿（1A、2A）和炎热干燥（2B）气候。

**讨论与结论**
讨论部分指出，本研究存在以下局限：经济评估仅考虑运营能源成本，未计入安装、寿命及维护费用；所有气候区使用同一参考建筑模型，可能不具代表性；主动开关依赖电力信号，环境因素（风、温度、湿度）可能影响其运行；研究仅针对单户住宅，未涉及多户或商业建筑。未来需开展生命周期成本评估和现场验证。
结论部分翻译如下：
(1) 实验室测试表明，单个嵌入0.065 m²（100 in²）XPS绝缘板中的开关在OFF状态有效热导率约0.046 W/m·K，ON状态为0.258–0.316 W/m·K，开关比为5.4–6.9。
(2) 热开关在225次热循环后未出现性能退化，开关比从5.9增至6.9，表明持续使用改善了热接触和运行效率。
(3) 在科罗拉多州Golden的过渡季节户外测试中，热开关增强了PCM的性能，促进了夜间凝固并降低了白天峰值温度。
(4) 能耗与成本分析证实，将热开关与PCM集成于围护结构可显著降低总HVAC能耗，尤其是冷却节能：PCM+开关配置最大年度节能1,090 kWh，成本节省$286，8个城市平均节能738 kWh（24%）。
(5) 按百分比总节能，PCM+开关技术的影响在温和气候（3C区）最高，其次为炎热潮湿（1A、2A）和炎热干燥（2B）气候；混合气候（4A、4B）和较冷气候（5A）的百分比节能较小，但总节能（kWh）仍显著。