综述：集成相变材料建筑围护结构的动态增强：机理、控制与净效益边界的评述性综述

《RENEWABLE & SUSTAINABLE ENERGY REVIEWS》：Dynamic enhancement of PCM-integrated building envelopes: A critical review of mechanisms, control, and net-benefit boundaries

　　

摘要 相变材料（Phase Change Materials, PCM）可以增加围护结构的热储存能力，但被动式系统仍受限于对蓄热与释热的速率、边界耦合及时机控制不足。本综述通过"机制—控制—净效益"框架评估了动态增强的相变集成围护结构。被动式局限被归纳为热响应延迟、固定边界依赖和时间错配。研究考察了两条物理增强路径：基于空气或液体循环的流体介导系统，以及利用可移动层、旋转部件或可切换热阻的几何或边界重构。监督控制被视为调度这些行动的决策层。对42项代表性研究进行了编码，涵盖五项报告要素：风机或泵送电量、源侧能量、执行器或切换能耗、可靠性或循环证据，以及经济评估与生命周期评估（LCA）边界。动态增强可改善再生、负荷转移和热耦合，但辅助及源侧输入可显著削弱毛效益。严格同边界逆转仅出现在两项研究中，并非普遍现象。没有任何一项综述研究同时关闭了能源、碳、可靠性和生命周期边界。系统内部比较也显示，基于规则、基于预测和基于学习的控制之间不存在普遍层级关系。其相对性能取决于基线策略、信息质量、控制目标以及剩余PCM可控性。在缺乏统一核算边界的情况下，元件级增益无法确立系统级净效益。因此，可验证的工程价值要求明确的基线、一致的关键绩效指标（KPI）、辅助能耗核算以及长期可靠性证据。引言 建筑围护结构是室内外环境之间热交换的主要界面，其性能影响供暖和制冷需求以及室内舒适度[1]。传统蓄热围护结构使用混凝土和砖石等材料提供热惰性，但结构承载能力和空间限制使该方法在轻型建筑和改造应用中受到制约[2]。此外，储存和释放仍由外部条件主导，无法直接响应建筑负荷、能源价格或使用情况[3]。相变材料（PCM）通过吸收和释放潜热，可在窄温度范围内增加围护结构的储存能力，其体积储存密度约为传统显热储存材料的5至14倍[4]。PCM已被集成到墙体、楼板、屋面和窗户中，据报道可带来峰值温度衰减、热流延迟和负荷降低等效益[5,6]。然而，在动态气候条件下，这些预期效益可能无法在服役期间持续保持。被动式PCM系统往往表现不佳，因为储存和释放与实际建筑负荷时机不一致[7]，尤其是在每日相变循环无法完成时更为明显。此处PCM作为一个总称，涵盖有机材料（主要为石蜡和脂肪酸）、无机水合盐和共晶配方。这些材料也以复合材料、微胶囊化产品和形状稳定化产品等形式出现，其导热性、过冷度、相分离、退化特性、成本和环境影响各不相同。动态围护结构研究仍以有机系统为主，水合盐的应用相对有限；所编码的证据反映了这一不平衡。因此，所综合的性能和控制证据主要适用于有机PCM，因为过冷和相分离可能改变水合盐的相态解释和所需控制逻辑。被动式PCM围护结构面临三项运行约束。第一，许多有机PCM的导热系数较低，通常为0.1至0.7 W/(m·K)，减缓了内部热传递，可能导致每日循环内无法完成储存或释放[8,9]。第二，PCM运行遵循外部温度梯度，不利天气可能导致热饱和或再生不完全[10]。第三，被动式系统无法可靠地将PCM运行与负荷峰值、电价或需求响应窗口对齐[11]。Bampoulas等人[12]同样表明，除非应用调度感知控制，围护结构侧储存仅提供部分可用的灵活性。这些约束可表述为对PCM储存和释放的速率、边界耦合及时机控制有限[13]。克服这种有限的可调性为动态增强提供了出发点。动态增强通过流体循环、可移动或旋转部件、可切换热阻以及监督调度来调节这些维度。此类策略将PCM从被动的热惰性层转变为在运行期间可管理其与室内、室外及供暖通风空调（HVAC）边界交互作用的部件，而不仅仅是提高材料导热性。表1比较了相变集成围护结构的相关综述。以往的综述侧重于材料改性、组件集成、气候依赖的被动性能或宽泛的被动—主动—混合分类[[14], [15], [16], [17], [18]]，而近期工作开始考虑主动运行和智能控制[19,20]。然而，现有综合成果很少将每种主动策略与其针对的被动局限建立联系。Zhou等人[20]强调了机器学习辅助控制，而Al-Yasiri[19]考察了从被动集成到主动系统的转变。运行代价和核算边界仍然弱地与系统级解释整合。本综述做出了三项综合层面的贡献。第一，将被动式局限重新定义为运行可调性有限，并归纳为速率、边界耦合和时间约束。每种约束随后映射到旨在缓解它的物理增强路径或监督控制层，从而使策略可以按功能而非仅按构型进行比较。第二，五项要素的最小报告框架涵盖风机或泵送电量、源侧能量、执行器或切换能耗、可靠性或循环证据，以及经济或LCA边界。该框架作为规范性报告目标和差距映射工具使用；它不对净正效益或净负效益进行认证。完整报告仍是必要的，但不足以支撑全面的净效益声明。第三，使用系统内部比较来评估物理构型大体不变情况下控制升级的增量价值，因为跨系统百分比无法隔离算法的贡献。现有证据不支持基于规则、基于预测和基于学习的控制之间存在普遍层级关系。模型预测控制（MPC）在一个应用中优于调优良好的基于规则的策略，而其他比较则随气候、季节、预测时域和基线定义而变化。增加的算法复杂性只有在贡献有用信息且PCM仍保留可控储存容量时才具有价值。当PCM接近饱和时，控制余量随之减少。通过关联增强机制、控制和报告边界，本综述提供了以机制为导向、边界明确的评估，而非基于构型的总结。因此，动态增强被视为工程权衡而非固有改进。核心问题是循环、重构、切换或高级控制是否将有用储存和释放强化到足以证明相关能量和实施成本合理。热响应延迟、固定边界依赖和时间错配与两条物理路径相关联：流体介导增强和几何或边界重构。监督控制构成调度可用行动的时机和决策层。这些类别对应上述识别的速率、边界耦合和时间约束。所报告的结果按其测量的元件、负荷、运行或系统边界进行解释，而非在不同百分比间进行排名。图1总结了该框架、其预期效益和主要权衡。本综述采用了以机制为导向的批判性综述方法。研究通过Scopus和Web of Science识别，并使用Google Scholar进行交叉核查。检索策略组合了三组关键词。第一组涵盖PCM材料和围护结构组件，包括墙体、幕墙、屋面和窗户。第二组涉及主动或动态运行，包括通风、可移动PCM和可切换保温。第三组涵盖控制和调度，包括基于规则的控制（RBC）、模型预测控制（MPC）、强化学习（RL）和需求响应。检索涵盖2000年至2026年的出版物，优先考虑近五年发表的研究，同时保留较早的基础性证据。符合纳入条件的研究通过流体循环、几何或边界重构或监督控制主动修改PCM运行。它们还在可定义的运行边界下报告了实验、数值或控制证据。仅当材料研究解释了被动热局限时方可纳入。非PCM的可切换围护结构研究仅作为动态PCM边界耦合的机制性参考保留。所选证据按图1组织，监督控制被视为调度可用物理行动的层次。片段摘要 被动PCM的热局限与动态增强逻辑 图2通过对热边界、PCM状态、建筑负荷和电价窗口之间代表性关系的综合，为三种被动失效模式提供了概念性时间映射图。该图为概念性示意，而非对特定测量数据集的复制，旨在阐明延迟响应、固定边界依赖和时间错配如何在每日循环中产生。流体介导的动态增强路径 流体介导增强使用两条输运路径：空气和液体循环。核心问题不在于哪种介质携带更多热量，而在于计入其运行能量后，所增加的输运路径是否能产生有用的PCM再生、负荷降低或负荷转移。风机或泵可加速相变并改善边界耦合，但也可能侵蚀由此产生的效益。以下各节分别按输运机制、控制模式以及……进行考察新兴几何和边界重构路径 本节考察了三条几何和边界重构路径：可移动PCM层、旋转或翻转部件和热阻切换。这些策略不提高材料导热性，而是在运行期间改变与PCM耦合的室内、室外、太阳或保温边界。因此，它们根据其产生的热流路径、所解决的运行错配以及所报告效益是否包含切换能耗等标准进行评估。监督控制的作用与分类 控制将流体循环、部件运动和热阻切换所提供的可调性转化为有用运行[133]。它不创造新的传热路径，而是调度第2.3节所述的时间错配作为运行调度问题、第2.4节所述的动态增强概念框架中识别的物理路径。由此产生的目标可能是节能、负荷转移、成本降低或改善热舒适度。控制方法按……分类跨路径综合迈向可验证的净效益 综述证据表明，动态增强可以改善PCM响应速率、再生和调度灵活性。这些增益并不自动确立能源、经济或环境价值，因为结果取决于基线、KPI、核算方法和控制场景。本节考察报告完整性、效应方向、同边界净效益和工程可行性，以识别现有证据可支持的声明。结论 本综述将动态增强相变集成建筑围护结构的物理机制、控制需求和证据边界关联起来。气流、液体循环、边界重构和监督控制可解决被动PCM系统的速率、边界耦合和时间局限。其工程价值取决于这些增益在考虑运行能量、实施复杂性和可靠性后是否仍然保留。主要结论如下：1.利益冲突声明 我们声明，我们与其他个人或组织不存在可能不当影响我们工作的财务和个人关系。并且，在任何产品、服务和/或公司中不存在任何性质或类型、可能被解释为影响本手稿中陈述或评审立场的专业或个人利益。Wenkai Fu | Hiroatsu Fukuda | Xi Meng 青岛科技大学可持续海洋建筑研究技术创新研究所，中国青岛，266033