《Applied Thermal Engineering》：Improvement of thermal properties in lauryl alcohol-impregnated hybrid paper membranes for thermal-energy storage applications
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本研究开发了一种高绩效混合纸膜，浸渍月桂醇（PCM），通过涂布和真空浸渍工艺优化分布，显著提升热存储能力（92.73–139.2 J/g），同时保持湿气传输特性。经1000次加速热循环测试验证其耐久性，动态热成像显示时间滞后效应，有效稳定室内温度，为节能型通风系统提供材料级解决方案。
崔永俊|苏元德|金东灿|金秀敏
韩国延世大学建筑与建筑工程系，首尔03722
摘要
全球能源消耗的不断增加要求能源回收通风设备从被动交换装置向主动热管理组件进行根本性变革。为了解决标准纤维素元件热存储能力不足的问题，研究人员开发了一种浸渍了月桂醇（一种相变材料，PCM）的高性能混合纸膜。主要目标是开发一种能够在保持热交换所需水分传输特性的同时实现动态热量调节的材料。为此，采用了一种结合涂布和真空浸渍的双重制造工艺，以确保PCM在多孔纤维网络中的均匀分布，从而克服了传统浸渍方法的结构限制。综合热物理评估显示，该材料具有92.73–139.2 J/g的显著潜热存储能力，有效将其转变为一种主动热稳定剂。所采用的策略成功平衡了热传输与水分传输之间的权衡：虽然PCM浸渍使热导率提高了约8倍（约0.25 W/(m·K)），但等效空气层厚度仍低于1.0 m，证明了其保持了高效运行所需的水分渗透性。通过1000次加速热循环（0–50°C）的严格验证，证明了其高循环稳定性和耐用性。此外，动态热成像分析表明该材料能够产生时间延迟效应，从而延缓冷却并调节室内温度波动。这些发现表明，通过材料本身的改进可以替代复杂的系统级调整，为高效工程膜在先进环境控制系统中建立可扩展且经过科学验证的框架。
引言
全球能源消耗的迅速增加，主要是由于工业和技术进步的推动，这对可持续发展构成了严峻挑战。建筑行业占总能源使用的约30%，因此到2050年实现净零二氧化碳排放目标（Net Zero CO2 Emissions Scenario）至关重要[1]，[2]。为此，韩国提出了多项政策和解决方案，如碳中和计划和节能策略，包括《应对气候危机的碳中和与绿色发展框架法》[3]和《国家碳中和与绿色发展基本计划》[4]。正在采取多种措施来支持建筑行业的节能和提高效率。通过不断改进冰箱、锅炉和HVAC系统中使用的机械设备的性能[5]，[6]，已经取得了显著的效率提升。这些进步得益于多种技术的发展，包括辐射冷却系统（直接和间接）[7]、将太阳能、地热能和燃料电池等可再生能源融入建筑[8]，以及实施能源管理和建筑能源管理系统[9]。ASHRAE等组织建议在HVAC系统设计中减少空气循环，并增加室外空气（OA）与回风（RA）的混合比例，以确保空间内持续流动的新鲜空气[10]，[11]。在各种策略中，能源回收通风器（ERVs）被广泛采用，作为减少通风负荷和改善室内空气质量的关键解决方案。热回收通风（HRV）和ERV已广泛应用于住宅和商业建筑[12]，[13]。ERV通过排气空气（EA）与进入的OA之间的热交换来回收热量或根据需要去除热量，同时实现显热和潜热（水分）的交换。在能源回收通风系统中，空气中的能量从高浓度区域向低浓度区域传递。当受污染的室内空气被排出时，EA中的热量和水分（能量）转移到进入的冷干空气中，这一过程减少了热量和湿度的损失，同时只允许水分通过，防止室内污染物重新进入[12]。由于OA负荷约占总空调负荷的30%，HRV系统可以通过直接交换空调EA和供应空气（SA）之间的热量来回收约70%的总热量（显热和潜热）[14]，[15]。从结构上看，热交换介质通常由特定的热传导纸（纸浆）和功能性的波纹芯组成。当热交换介质在板间流动时，它会加热进入的空气，空气通过蜂窝状热交换器循环，从而提高室内通风的整体效率。通风装置通过热交换器将EA的热量传递给SA，调节供应到房间的空气温度[16]。利用EA中的能量可以在制冷季节实现除湿和冷却，在制热季节实现加湿和加热，从而降低供暖和制冷能耗[17]。减少HRV系统中的OA负荷可以降低相关设备的容量需求，进而降低年度运营成本[18]。然而，传统的纤维素膜仅作为被动热交换器使用，其效率会随外部天气条件波动，这意味着它们无法主动缓冲温度变化或调节极端气候下的SA温度。大量研究致力于通过设计新的膜材料和优化其结构配置来进一步提高ERV的性能（图1）。Li等人[19]指出，基于膜的ERV已成为同时提升室内空气质量和能源效率的关键方法。先前的研究指出，膜的高水蒸气传输率和选择性渗透性是潜热交换效率的关键决定因素。Zhang等人[20]分析了膜的热导率和渗透性对平行板焓交换器整体效率的影响，发现具有增强热和水分传输特性的材料显著提高了能源回收性能。然而，提高ERV效率的努力通常涉及增加风扇输出或安装额外风扇，这反而增加了总体能耗。
为了解决这些限制，热能存储系统提供了有效的方法，以显热、潜热和化学反应的形式回收和储存能量[21]。其中，使用相变材料（PCMs）的潜热存储在存储密度和窄温度范围内的操作性方面被证明是有效的[22]，[23]。多项研究回顾了PCMs的热传递特性和技术挑战，如过冷、相分离和稳定性。尽管PCMs已被广泛用于建筑应用中的负荷调节[24]，但由于成本和安全问题，其在低温应用中的可用性通常受到限制[25]。Kareem等人[26]强调了集成多种PCMs以提高能源系统热性能的有效性，但材料兼容性仍是一个关键问题。Oró等人[27]报告称，虽然铜和碳钢容易腐蚀，但聚合物材料通常具有较高的抗腐蚀性，因此推荐用于PCM应用。
在这方面，月桂醇（LAOL）——一种有机脂肪醇——因其高潜热容量和熔点（均在人体舒适温度范围内）而成为有前景的PCM候选材料。尽管Ali Memon等人[28]使用月桂醇和高岭土开发了一种熔点为19.14°C的形状稳定PCM，但纯LAOL（熔点约25°C，潜热205.4 J/g）可以直接用作宏观封装的PCM来储存大量能量。然而，关于其在重复热循环下的长期稳定性的热物理细节尚缺乏。先前对其他有机PCM的研究表明，在加速热循环（500–1000次循环）后，熔点和潜热可能会发生显著变化[29]，[30]。因此，在选择材料之前，必须研究其在重复循环下的热稳定性和化学稳定性以及与建筑材料的兼容性。因此，将PCMs集成到基于纸膜的能源回收通风系统中是一种通过被动热调节提高热性能并减少对外部能源依赖的有前景的方法。尽管PCMs已广泛应用于墙壁和地板等各种建筑组件中，但其在能源回收通风系统中的实际应用仍有限[31]，[32]。将相变剂直接注入纤维素能源回收通风屏障是一种可行的方法，可以促进被动热回收。通过在纤维纤维素网络中加载活性材料，复合材料获得了内在的潜热容量，从而确保了热平衡和传输效率的提升，同时不降低蒸汽透过性或物理耐久性（图2）。这种自主调节减少了对外部电源的依赖，从而保证了在外部气候波动情况下的稳定通风运行。为了建立稳健的制造策略，系统评估了三种不同的工艺方案——刷涂、真空浸渍和混合双步骤工艺——以确定工艺参数、试剂分散和湿热性能之间的相关性。这一严格分析确定了实现均匀分布和牢固粘附的最有效技术，这两者是持续热功能性的前提。与依赖外部热库的先前配置相比，所提出的设计在微观结构层面直接集成了潜热存储能力，从而允许在一个单一功能元件内同时进行水分交换和动态热缓冲。通过证明材料本身的改进效果优于复杂的系统级调整，这些发现为显著提升整体能源节约提供了有效途径，为先进环境控制系统提供了可行的解决方案。
混合纸膜系统的表征与制造
为了制造ERV热交换组件，我们首先使用原始纸张制成纸板片，然后堆叠并粘合这些纸板片以构建标准的热元件结构。在最终组装之前，将LAOL浸渍到纸膜中以增强系统的热性能。LAOL浸渍元件的设计和集成基于以下关键考虑：
(1) 基本评估
化学兼容性和微观结构特性
使用FT-IR光谱（图6）研究了未浸渍LAOL的基膜（base membrane）和浸渍LAOL的膜之间的化学键合特性。在基膜的FT-IR光谱中，3000–2750和1500–600 cm?1波数区域出现了明显的吸收带，表明存在特定的分子键合[47]，[48]。3200 cm?1附近的峰值归因于水分子与羟基（OH）团之间的氢键结论
成功开发并表征了LAOL浸渍的混合纸膜系统，从而证实了通过材料层面的热性能提升来提高ERV效率的可行性。通过将固态液态PCM集成到多孔纸浆基体中，有效解决了传统热交换元件在热能存储方面的根本限制。LAOL浸渍的混合纸膜系统展示了显著的潜热
CRediT作者贡献声明
崔永俊：概念构思、撰写——初稿。苏元德：方法论、撰写——审阅与编辑。金东灿：数据整理、可视化。金秀敏：资金获取、监督。
利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。致谢
本工作得到了韩国政府（MSIT）资助的国家研究基金会（NRF）（项目编号：RS-2025-02263517）的支持。
