基于敏感性信息的气候响应优化：在未来的气候情景下评估集成了相变材料的办公楼围护结构

《Energy and Buildings》：Sensitivity-informed climate-responsive optimization: PCM-integrated office building envelopes assessed under future climate scenarios

本研究针对中国五大气候区的办公楼，通过TRNSYS模拟和Morris敏感性分析优化相变材料（PCM）参数（温度、厚度、朝向），并评估未来SSP情景下其节能潜力。结果表明，内部PCM安装节能效率提升13%，但气候变暖和PCM热降解导致年均节能下降5.16%/10，累计损失达39.4%。提出动态碳回收期方法，使静态评估偏差小于18%，周期最短10.4年。该框架为气候适应性建筑设计提供依据。

　　

王刚|李向莉

大连理工大学建筑环境与设施工程学院，中国大连116024

摘要

将相变材料（PCM）集成到建筑物中可以减少能源需求并提高热适应性；然而，其在气候变化下的长期有效性仍不清楚。本研究调查了在当前气候条件下，PCM集成办公建筑在五个具有代表性的中国气候区中的节能潜力，并评估了未来气候情景下优化设计的性能演变。通过分组敏感性分析和参数聚类筛选了关键的PCM参数，包括转变温度、厚度和方向，然后使用多目标优化方法对建筑能源性能进行了优化。气候变化的影响是使用来自共享社会经济路径（Shared Socioeconomic Pathways）的TRNSYS兼容的每小时天气数据集来评估的。结果表明，PCM集成可实现每年0.38%–10.61%的节能效果，内部安装比外部安装多节省13%的能源。气候变暖每十年会降低PCM的有效性高达5.16%，而潜热退化导致到2070年的累计节能损失高达39.4%。提出了一种动态碳回收方法，表明回收期短至10.4年，与静态估计的偏差小于18%。研究结果展示了PCM保持有效性的条件，并强调了其在气候适应性和低碳建筑设计中的作用。

引言

建筑行业约占全球能源消耗的30%，并贡献了约26%的与能源相关的碳排放[1]。这突显了运营能源效率在实现双碳目标中的关键作用。在中国，尽管公共建筑仅占总建筑面积的五分之一（2023年数据），但其能源使用量却异常高——平均为27.9 kgce/m2——根据《中国建筑能源效率发展年度报告》[2]。随着这种建筑类型的扩张，总能源消耗持续增长。在各种公共建筑类型中，高度依赖供暖和制冷的办公建筑特别容易受到未来气候不确定性的影响[3]，[4]。因此，迫切需要开展气候响应性的节能研究，以通过提高气候适应性和能源韧性来支持低碳建筑的可持续发展。

为了实现低运营能源消耗并增强对环境变化的适应性，越来越多的注意力被投入到早期设计阶段集成被动节能策略[5]，[6]。其中，相变材料（PCM）由于其高热存储能力和负荷转移潜力而成为一种有前景的解决方案[7]，[8]。PCM技术可以嵌入建筑围护结构中——如墙壁[9]，[10]、屋顶[11]，[12]或地板[13]——以实现结构集成和提升热性能，这对于气候响应性设计至关重要。最近的研究集中在PCM性能如何受到物理参数的影响，包括转变温度[14]，[15]，[16]、潜热[3]，[17]、厚度[18]、分层策略[19]和安装方向[20]，许多研究确定了在不同气候条件下的最佳范围。例如，Bre等人[14]发现具有多个熔点的复合PCM可以提高能源节省和热舒适度。Li等人[16]报告称，20–24°C的配置可将夏季室内温度波动显著降低62.5%。Yang等人[21]建议使用5–30毫米的PCM层来平衡热响应性和成本。然而，PCM的安装方向——一个影响太阳得热和PCM效率的关键因素——仍然没有得到充分研究。

尽管一些研究强调了墙体方向对PCM性能的显著影响——例如，Agarwal和Prabhakar[20]报告称，朝东南方向的墙体每年可节省1.05美元/平方米的冷却成本，而朝北方向的墙体仅为0.027美元/平方米——但在优化模型中经常忽略这一因素。Al-Absi等人[22]进一步表明，朝南方向的墙体表现优于其他方向，这一发现也得到了参考文献[3]的证实，该文献报告称朝南方向的PCM层吸收的热量是其他方向的3.38倍。尽管有这些证据，许多优化研究仍然将方向视为一个固定条件。例如，Bre等人[15]在分类围护结构组件时没有区分外墙的方向，从而限制了优化结果的准确性和实际应用性。为了提高PCM优化的可靠性，应在设计过程之前进行敏感性分析，以识别关键影响变量[23]，[24]，[25]，[26]。鉴于PCM性能对气候的强烈依赖性[18]，[19]，[23]，[26]以及参数响应的空间变异性，明确考虑方向——连同转变温度、潜热和厚度——是必不可少的。基于敏感性结果的分组能够实现更有针对性的聚类，减少过度简化，并提高优化结果的实际相关性。

PCM的性能不仅受其内在热物理特性的影响，还受到围护结构热性能和外部气候条件的共同作用的影响，这些因素共同决定了它们对建筑能源性能的实际贡献[25]，[27]，[28]，[29]，[30]。在当前气候条件下，研究表明，在昼夜温差大[14]、夏季炎热冬季寒冷[15]或季节性负荷变化显著[26]的地区，PCM表现出更大的节能潜力。然而，具有不同热性能水平的建筑对气候条件的响应不同[3]，[32]，[33]，[34]，[35]，预计未来的气候变化将改变建筑负荷（BL）剖面和热动态，从而影响PCM的有效性。为了支持稳健且面向未来的PCM优化，有必要将PCM性能评估集成到基于预测气候情景（如共享社会经济路径SSP）的整栋建筑模拟中。虽然一些研究已经探讨了未来代表性年份（例如2050年、2080年或2095年）的PCM性能[3]，[33]，[36]，[37]，[38]，但这些评估通常是静态的，缺乏时间粒度和对性能演变的系统评估。例如，Sajjadian等人[36]评估了2020年、2050年和2080年情景下PCM对英国住房夏季冷却负荷的影响，报告称到2080年可节省128.1 kWh的能源。Nurlybekova等人[38]发现，到2095年，转变温度为28–30°C的PCM在六个亚热带城市中最优，可实现高达37%的能源节省。然而，这种代表性年份的方法无法捕捉气候和建筑负荷的年际波动。相比之下，Xiong等人[31]使用了基于连续SSP的模拟，揭示了热需求的显著年际变化，突显了静态方法的局限性。此外，大多数PCM评估依赖于固定的基准建筑模型，忽略了建筑围护结构性能可能随气候变化而动态交互的方式。这些差距凸显了需要动态的、逐年评估框架，以揭示不同建筑类型和气候区中PCM应用的性能演变和气候适应性。

总之，本研究重点关注在不同建筑热特性和未来气候条件下，PCM集成围护结构的节能性能和动态演变。选择了五个具有代表性气候区的中国城市，以典型的办公建筑作为基准模型。首先使用TRNSYS模拟了年度供暖和冷却负荷，然后通过Morris方法进行分组敏感性分析，以识别不同气候和墙体方向下的关键影响参数。接着使用jEPlus+EA平台进行多目标优化，以确定最佳的PCM配置。最后，在SSP126、SSP245和SSP585情景下评估了优化策略的长期能源性能和生命周期适应性，同时考虑了材料随时间的退化。这一框架完成了“气候扰动 – 热响应 – 潜热利用 – 节能效益”的逻辑链，突出了PCM集成的气候响应性。本研究的主要贡献如下：

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将墙体方向引入PCM敏感性分析，解决了先前优化研究中经常忽略的因素，以提高PCM设计的稳健性。

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基于SSP情景开发了与TRNSYS兼容的每小时未来气候数据集，使得在气候变化下更真实地评估PCM性能成为可能。

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将PCM热退化与不断变化的气候条件结合起来，评估整个建筑生命周期的长期性能。

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提出了一种动态的、气候响应性的碳回收期（CPP）评估方法，以增强PCM系统的环境评估。

研究框架

研究框架

图1展示了本研究的整体框架。第2.2节描述了代表性办公建筑的建模过程和参数设置。第2.3节解释了中国建筑气候区，选择了代表性城市，并根据其特点制定了能源供应计划。第2.4节涵盖了敏感性分析方法、优化数据集的创建以及多目标优化策略，对PCM进行了详细描述

气候区下的建筑能源基准

作为“气候扰动 – 热响应 – 潜热利用 – 节能效益”逻辑链的基础环节，本节首先建立了典型建筑的基准BL，以明确不同气候条件下的热负荷特性。图9展示了基准建筑的年度建筑负荷、供暖负荷和冷却负荷。负荷模式与讨论中的季节性温度极端情况相符

结论

本研究系统地探索了PCM在代表性中国气候区中的节能潜力和未来气候响应性，涵盖了不同效率水平的建筑（传统建筑、uZEB和nZEB）。在TRNSYS中开发了在内部和外部表面集成PCM的建筑模型。采用了全局敏感性分组和聚类方法来识别关键PCM参数的代表性组合，包括转变温度

CRediT作者贡献声明

王刚：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，可视化，验证，软件，方法论，调查，形式分析，数据管理，概念化。李向莉：撰写 – 审稿与编辑，验证，监督，资源管理，项目管理，方法论，资金获取。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能会影响本文报告的工作。

致谢

本工作得到了中国国家重点研发计划“建筑相变储能围护材料系统的建设、生产和应用示范”（2022YFB3806504）的支持。