《BUILDING AND ENVIRONMENT》：Performance of hybrid cooling control for the thermal storage effect of PCM-integrated floor in hot-humid climates
编辑推荐：
摘要
将相变材料（PCM）与夜间通风相结合集成到建筑围护结构中，已被证明可凭借蓄热效应在白天有效冷却室内空间；然而，在夜间高温条件下其适用性有限。因此，本研究提出一种混合冷却模式，利用控制逻辑在夜间通风与机械制冷之间进行切换，从而提供充足的制冷能力以实现PC
摘要
将相变材料（PCM）与夜间通风相结合集成到建筑围护结构中，已被证明可凭借蓄热效应在白天有效冷却室内空间；然而，在夜间高温条件下其适用性有限。因此，本研究提出一种混合冷却模式，利用控制逻辑在夜间通风与机械制冷之间进行切换，从而提供充足的制冷能力以实现PCM的夜间放热。研究设计了一套配备混合冷却的PCM集成地板系统，并综合考虑印度尼西亚居民的生活方式，旨在实现室内热舒适与制冷能耗节约。基于对PCM相变、居民热舒适及当地典型气象年数据的综合分析，确定了切换设定点（27.0°C）。研究在印度尼西亚直葛（Tegal）的公寓单元中开展了现场实测，以评估系统性能及混合冷却的有效性。相较于非制冷模式，采用强制夜间冷却的系统将峰值地板表面温度降低了最高0.6°C，并将白天平均舒适时长延长了231分钟，该效果在FL+1.1 m以下的低高度区域尤为显著。相较于纯空调模式，混合冷却模式的能耗降低了29.3%。尽管在更炎热的实测条件下其白天舒适性略低，但混合冷却对于维持PCM的夜间放热至关重要，因为当地气候中大多数夜晚温度过高，仅靠夜间通风无法满足要求。因此，混合冷却为夜间高温湿热气候下的PCM集成地板提供了一种可靠且节能的策略。
**论文解读：湿热气候下PCM集成地板混合冷却控制的蓄热性能研究**
**1. 研究背景与问题提出**
全球范围内极端高温事件的频发加剧了室内过热问题，尤其在湿热地区，这一现象显著恶化了居住者的热舒适状况并增加了与热相关的健康风险。室内制冷需求的上升导致能耗增加，而由此产生的碳排放又进一步加剧全球变暖，形成恶性循环。为打破这一循环，建筑被动冷却的节能方法被相继提出，其中建筑围护结构的蓄热效应能够通过热惯性稳定室内温度，从而在白天防止室内过热。
相变材料（Phase Change Materials, PCM）凭借其轻质且通过相变潜热拥有大蓄热能力的特点，被集成到建筑围护结构中以增强蓄热效应。其机理为：在凉爽的夜间通过凝固过程放热，在炎热白天通过熔化过程蓄热。大量研究已证实相变循环能使PCM集成构造在白天冷却室内空间。然而，在湿热气候条件下，较小的昼夜温差限制了PCM的性能发挥。为增强PCM的夜间放热，有研究提出将夜间通风与PCM集成构造相结合的策略，实验证明该方法能显著提升PCM的热性能，并在室外夜间温度低于PCM凝固温度时效果更佳。但当夜间室外温度较高时，PCM夜间放热不足将导致白天冷却效果受限。机械制冷被提出用于解决高夜间温度下夜间通风冷却强度不足的问题，但完全替代夜间通风会导致显著能耗。因此，混合冷却模式应运而生，其通常将自然通风与机械制冷耦合，以稳定室内冷却效果并降低能耗。然而，目前尚缺乏将混合冷却应用于稳定PCM夜间放热的系统研究，且现有控制策略未充分考虑PCM相变、室内热舒适与气候条件之间的相互作用。基于此，本研究旨在回答三个关键问题：如何在湿热地区通过PCM集成构造与混合冷却确保室内热舒适并节约制冷能耗；如何基于当地气候条件确定用于PCM夜间放热和节能的混合冷却控制策略；以及应用混合冷却于PCM蓄热效应时，PCM集成构造的能耗表现与冷却效果如何。
**2. 研究内容与结论**
针对上述问题，研究人员开发了一种结合夜间通风与机械制冷的混合冷却模式，以在湿热地区冷却室内空间并增强PCM集成地板的蓄热效应。该系统针对印度尼西亚居民的生活方式设计，包括卧室夜间睡眠和起居室白天坐地活动。系统由卧室非PCM地板、起居室PCM集成地板、卧室地板下空间的空调（Air Conditioning, AC）以及起居室地板下空间的风扇组成。混合冷却采用切换式控制策略，根据夜间室外温度实时切换AC与风扇的运行。通过综合分析典型气象年（Typical Meteorological Year, TMY）数据、PCM相变温度范围和居民热舒适范围，确定了27.0°C的切换设定点，并设置0.3°C的滞回区间以避免频繁启停。现场实测在印度尼西亚直葛（Tegal）的一栋公寓建筑中进行，对比了四种模式：非制冷模式（M1）、仅风扇模式（M2）、仅空调模式（M3）和混合冷却模式（M4）。研究得出以下结论：混合冷却模式有效增强了PCM的夜间放热；相较于非制冷模式，强制夜间冷却模式将峰值地板表面温度降低了最高0.6°C，并将白天平均热舒适时长延长了231分钟；相较于仅空调模式，混合冷却模式能耗降低了29.3%，系统性能系数（Coefficient of Performance, COP）提高了40.7%，但这伴随着一定程度的白天舒适性下降，体现了能耗与舒适之间的权衡。该研究为湿热气候下PCM集成建筑的混合冷却设计提供了重要指导，论文发表于《BUILDING AND ENVIRONMENT》。
**3. 主要关键技术方法**
研究人员采用了以下关键技术方法开展研究：基于印度尼西亚106个站点中直葛（Tegal）站点的TMY天气数据（2011-2020）进行年度气象分析，以确定PCM选型和混合冷却的切换设定点；在直葛的真实公寓单元中进行现场实测，测试单元起居室安装了PCM集成地板系统，并以相邻无地板冷却系统的单元作为参考；通过测量PCM温度、地板表面温度、热流密度、不同高度空气温度、黑球温度、相对湿度、风速及能耗等参数，全面评估系统性能；采用标准有效温度（Standard Effective Temperature, SET*）评价室内热舒适，并基于热感觉投票（Thermal Sensation Vote, TSV）确定舒适上限；利用均方根传递法（Kline-McClintock方法）进行不确定性分析以验证测量结果的可靠性。
**4. 研究结果**
**4.1 TMY数据分析**
TMY数据分析结果表明，直葛站点的年平均日间温度为30.1°C，平均夜间温度为27.0°C。基于27.0°C的切换设定点，全年91.8%的夜晚需要混合冷却运行，其中5.8%的夜晚可仅靠风扇运行，2.5%的夜晚需要仅靠AC运行，这证实了在该气候条件下采用混合冷却维持PCM夜间放热的必要性。
**4.2 PCM热状态**
温度测量结果显示，强制冷却模式（M2–M4）下PCM的日温度波动范围（≥3.8°C）显著大于非制冷模式（M1）（最大1.9°C），表明夜间强制冷却有效促进了PCM的凝固过程。其中M3实现了最低且最稳定的夜间PCM温度，M4在AC切换至风扇时出现明显拐点。与M1相比，M2–M4的白天峰值PCM温度降低了最高0.7°C。热流密度数据显示，M3的夜间放热量和白天吸热量最高，M4介于M2与M3之间，其白天吸热量仅比M3低3.5%（在测量不确定度范围内），表明混合冷却在白天吸热方面与连续AC冷却相当。
**4.3 室内冷却效果**
空气温度测量显示，所有模式下参考房间的温度均显著高于测试单元的起居室和卧室，证实了所设计地板系统的冷却效果。垂直温度分布表明，PCM集成地板的冷却效果在FL+1.1 m以下区域最为显著，这与当地居民坐地活动的生活方式高度契合。SET*分析结果显示，在M2–M4期间，起居室和卧室的最大SET*分别为30.5°C和30.6°C，仅比热舒适上限（29.9°C）高出0.6°C和0.7°C。相较于M1，M2–M4将起居室白天平均舒适时长延长了231分钟，卧室延长了261分钟。
**4.4 能耗表现**
能耗监测数据显示，M4的能耗比M3低29.3%。系统COP方面，M2最高（10.5–12.4），M3最低（2.0–2.5），M4居中（2.9–3.7）。M4的平均系统COP比M3高40.7%，这归因于混合冷却模式仅在夜间较暖时段（平均每晚约3.5小时）运行AC，其余时间以风扇运行替代。
**5. 讨论与结论**
讨论部分指出，将27.0°C作为切换设定点存在能耗与舒适之间的权衡：较高的设定点可延长风扇运行时间以节约能源，但可能在某些温暖夜晚导致PCM凝固不充分；较低的设定点虽能确保PCM放热和夜间舒适，但会增加AC运行和能耗。研究建议在混合冷却控制策略中优先采用夜间通风，以降低能耗并提高能源效率。研究还指出，M2白天舒适度优于M4的测量结果归因于M2测量期间较为温和的天气条件，而非通风-only冷却的固有优势。混合冷却模式是通风模式的超集，在相同天气条件下其PCM冷却效果至少不低于纯通风模式。TMY数据分析表明，由于当地全年91.8%的夜晚存在高温时段，混合冷却不可或缺。研究结论强调，混合冷却提供了稳定的制冷能力，在夜间高温的湿热气候中，为PCM集成地板提供了一种可靠且节能的策略。该控制策略综合考虑了年度夜间室外温度、室内热舒适要求及PCM相变温度范围等因素，并建议将当地居民生活方式纳入系统设计，以促进混合冷却与PCM集成构造系统的更广泛应用。
