《Buildings》：Effects of Outer Phase-Change Mortar Layer on Heat Transfer Characteristics of Walls Under Solar Radiation Conditions in Summer
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摘要：相变材料（phase-change material，PCM）层在控制建筑墙体的传热特性中起着关键作用。为评估这一效果，本研究建造了两间结构配置相同的实验测试房，并在夏季太阳辐射条件下进行了监测。其中一间房间的外墙采用了外置相变砂浆层，而另一间则采用传统
摘要：相变材料（phase-change material，PCM）层在控制建筑墙体的传热特性中起着关键作用。为评估这一效果，本研究建造了两间结构配置相同的实验测试房，并在夏季太阳辐射条件下进行了监测。其中一间房间的外墙采用了外置相变砂浆层，而另一间则采用传统的普通砂浆层墙体作为参照对照组。在自然天气条件下，对两间房间墙体的传热特性进行了全面评估。实验结果表明，在所测试的夏季条件下，具有合适相变温度的外置相变砂浆层能够改善墙体系统的热调节性能。特别地，采用相变温度为32°C的相变材料的墙体有效降低了外表面温度，其最高外表面温度保持在44°C以下。然而，当外表面温度超过44°C时，由于热条件不匹配导致的相变无效，相变材料层不仅无助于降温，反而可能因无效相变导致墙体表面温度和整体温度升高。这项研究为相变蓄热墙体的工程应用和参数优化提供了支持。
论文解读文章
1. 研究背景与问题提出
随着全球对能源消耗和碳排放问题的日益关注，建筑节能已成为研究热点。建筑行业是全球最耗能的领域之一，约占全球能源消费的35%-40%。将相变材料（PCM）集成到建筑围护结构中，是一种成熟且高效的被动式节能技术。PCM能够根据环境温度变化动态地储存和释放潜热，从而增强墙体的隔热和蓄热能力，稳定室内热环境并降低建筑运行能耗。
尽管现有研究已充分验证了PCM集成墙体的技术可行性，但仍存在一些局限性，限制了外置PCM蓄热墙体的工程推广。首先，多数现有实验在理想实验室条件下进行，其稳定的边界条件与实际户外气候（如随机温度变化、大昼夜温差和变化的太阳辐射）差异显著，因此实验室结论难以直接指导实际工程。其次，当前研究主要集中在内部嵌入式PCM墙体、夹心PCM结构和复合围护系统上，针对适用于新建和既有建筑改造的外抹PCM砂浆层的对比现场研究仍然匮乏。最后，大多数研究侧重于验证PCM墙体的宏观降温和节能性能，而对固定相变温度的外置PCM墙体缺乏长期连续的现场监测和定量机理分析。
为解决上述研究不足，本研究构建了两个全尺寸测试房，旨在通过夏季真实自然环境下的连续全天候现场测量，系统探究外置PCM砂浆层对建筑墙体热工性能的热传递调控机理，为夏热冬冷地区外置相变蓄热墙体的参数优化和实际工程应用提供可靠的实验数据和理论支持。
2. 研究方法与技术路线
研究人员在中国夏热冬冷地区建造了两个结构完全相同的测试房。其中一个实验房的南向和西向外墙使用了自制的相变温度为32°C的相变砂浆层（20mm厚），另一个对照房则使用传统普通砂浆层。两个测试房尺寸均为2m×2m×2m，坐北朝南，相距3米以避免相互遮挡。墙体基层为200mm厚的加气混凝土砌块。空调设定为每日7:00至19:00开启，室内目标温度为26°C。研究人员在整个8月份（8月1日至31日）进行了为期31天的连续监测，数据采集间隔为10分钟。通过在墙体不同深度（外表面、砂浆与基层界面、墙体中心、内表面等）布置SLST1-1型温度传感器（精度±0.5°C），获取了包括室外气温、各层墙体温度和室内空气温度在内的关键热工参数。最终选取了8月21日至23日的代表性数据进行分析。
3. 研究结果与分析
(1) 南墙温度分布规律对比
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外表面温度： 相变测试房南墙外表面平均最高温度为43.2°C，比对照房（44.0°C）降低了0.8°C。这表明外置相变砂浆层有助于抑制峰值壁面温度。
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砂浆与基层界面温度： 相变测试房在该界面的平均最高温度为40.3°C，比对照房（42.3°C）降低了2°C，温度波动幅度减小了1.1°C。这证明了PCM层对传入墙体系统的温度波动具有明显的衰减作用。
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动态热响应： 在升温阶段，相变测试房的升温速率低于对照房。在8月22日，对照房壁面温度峰值出现在13:25，而相变测试房推迟至14:30，产生了约1小时的时间延迟。在降温阶段，相变测试房从峰值降至32°C需6.5小时，比对照房（4.67小时）延长了1.83小时。这证实了PCM层因其潜热储存和释放而产生的显著热滞后效应。
(2) 西墙温度分布规律对比
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外表面温度： 在晴朗高温天气（8月21日和23日），相变测试房西墙的最高外表面温度（47.4°C和47.2°C）略高于对照房（45.4°C和44.7°C）。而在雨天（8月22日），相变测试房的最高外表面温度（39.2°C）则低于对照房（40.5°C）。
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PCM失效分析： 研究发现，当西墙外表面温度低于约44°C时，PCM层能有效降低壁面温度。但当温度超过44°C时，PCM层无法提供有效的热调节，甚至可能导致壁温升高。这是因为在高热负荷下，PCM的潜热储存容量达到饱和，无法通过相变完全吸收外界热量。
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砂浆与基层界面温度： 在晴朗天气，尽管外表面温度很高，但相变测试房该界面的最高温度基本保持恒定，表明PCM层起到了良好的蓄热和隔热作用。在午后（13:00后），当PCM完全熔化后，其有效热阻降低，加之西墙受到太阳直射，导致热量迅速传入墙体。
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热滞后效应： 对照房和相变测试房的砂浆-基层界面最高温度分别出现在约16:00和16:30，显示出约0.5小时的时间延迟。
(3) 南墙与西墙温度对比分析
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太阳辐射差异： 南墙在上午至中午（7:00-13:00）受太阳辐射最强，温度在13:00-13:30达到峰值。西墙则在下午（13:00-16:30）受太阳直射，温度在16:30-17:00达到峰值，且最高温度比南墙高出至少2°C。
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PCM适用性： 对于南墙，其升温时间与PCM的相变温度区间（32°C）较为吻合，PCM能有效吸收热量，降低峰值温度。而对于西墙，由于其长时间暴露于午后强太阳辐射下，温度持续升高并超过PCM的有效工作范围（44°C），导致PCM过早饱和，热调节效果减弱。因此，在本实验条件下，32#相变砂浆在南向墙体上表现出更好的热调节性能。
(4) 温度测量不确定度分析
研究人员依据GB/T 27418-2017标准，对温度测量的扩展不确定度进行了评估，结果为0.6°C（置信水平约为95%）。研究中所有记录的温度差值（如0.8°C、2.0°C、1.3°C等）均超过了此不确定度阈值，表明实验结果具有统计学意义。
4. 结论与讨论
研究人员通过对夏季太阳辐射条件下相变砂浆改性测试房与常规测试房的墙体传热性能进行对比现场实验，得出以下主要结论：
(1) 现场对比试验表明，材料的相变温度是影响PCM集成墙体传热性能的关键因素。本实验中，当外表面最高温度低于44°C时，32#相变砂浆有助于降低墙体表面温度。然而，一旦外表面温度超过此阈值，其冷却效果会显著减弱，甚至使墙体表面温度超过常规墙体。这种现象是由于PCM的潜热储热能力在高热负荷条件下达到了上限。
(2) 量化了外置PCM墙体的显著热滞后和温度衰减效应。结果表明，PCM层可将墙面及墙体-基层界面的峰值温度出现时间延迟约0.5-1小时，并显著降低温度波动幅度。此外，还考察了在所测试条件下南向和西向墙体热调节性能的明显差异，为类似气候区不同建筑立面上PCM砂浆的针对性应用提供了初步参考。
(3) 本研究的结论和工程建议是在特定实验条件下得出的，仍存在一定局限性。现场测试仅在单一区域进行，使用了单一相变温度的相变砂浆，监测期仅限于夏季一个月，未能覆盖全年多季节气候条件。未来的工作将在多个气候区开展对比现场实验，采用不同相变温度的相变砂浆试件，延长现场监测周期，并结合数值模拟进行多参数分析，以进一步完善外置相变砂浆墙体工程应用的理论基础。
