《Journal of Building Engineering》：Bio-based Eutectic PCM-Enhanced Clay Bricks for Passive Thermal Regulation in Extreme Heat Conditions
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气候变暖催生对高效可持续建筑材料的需求，本研究创新性将棕榈酸与月桂酸生物基共晶相变材料（BEPCM）封装于铝管后嵌入黏土砖，通过模拟巴基斯坦50-55℃极端高温环境，实验组较对照组实现室内峰值温度降低6.0℃，平均降幅9.9%，证实BEPCM黏土砖体系可有效缓解高温建筑热负荷。
Rimsha Riaz | Majid Ali | Sana Yaqub | Hassan Nazir | Amir Khan | Kokab Iqbal | Waqas Khalid | Zafar Said
美国-巴基斯坦能源高级研究中心（USPCAS–E），巴基斯坦国立科学技术大学（NUST），伊斯兰堡44000
摘要
气候变化加剧了在炎热气候下对节能和可持续建筑材料的需求。本研究描述了一种新型生物基共晶相变材料（BEPCM）的实验应用，该材料由棕榈酸和肉豆蔻酸组成，用于粘土砖中以实现被动温度调节。这种相变材料被称为生物基的，因为棕榈酸和肉豆蔻酸是从可再生生物资源（如植物油）中提取的天然脂肪酸。BEPCM的熔化温度范围为44–48°C，被封装在铝管中，并与用于建造样品隔间的砖混合使用，以模拟建筑围护结构。同时，还使用普通粘土砖设置了对照组。两个隔间都暴露在模拟巴基斯坦夏季高温峰值的程序化高温循环中。差示扫描量热法证实了这种相变材料的相变行为，其潜热容量为180.4 J/g。结果显示，在外部峰值温度为56.9°C的情况下，添加了BEPCM的隔间室内温度最高降低了6.0°C；与对照组相比，平均峰值室内温度降低了9.9%。这些发现表明，将BEPCM与烧制粘土砖结合使用是一种经济高效、可持续的被动夜间降温方法。这项工作填补了现有文献中的空白，评估了BEPCM在极端高温条件下的性能，而此类研究此前较少。
引言
气候变化对建筑环境构成了重大威胁，加剧了与能源效率、室内热舒适度和碳排放相关的问题[1]。全球气温上升和不可预测的天气模式增加了建筑供暖、通风和空调系统（HVAC）的能源需求[2]、[3]。根据国际能源署（IEA）的数据，建筑占全球能源消耗的近30–40%，以及大约三分之一的温室气体（GHGs）排放[4]、[5]、[6]。这一环境危机的主要驱动因素之一是温室气体（尤其是二氧化碳（CO2）向大气中的释放。CO2排放主要是由于燃烧化石燃料（如煤炭、石油和天然气）来满足不断增长的能源需求[7]、[8]。其中大部分能源用于通过HVAC系统维持舒适的室内环境[9]。随着气候条件的持续变化，能源需求预计将进一步增加，从而加剧环境退化。在这种情况下，迫切需要能够被动调节室内温度的可持续和节能建筑材料。
为了应对与建筑HVAC负荷相关的高能源需求，建筑围护结构在维持室内温度稳定性方面起着关键作用，它充当了内部空间与外部气候之间的屏障[10]、[11]。在建筑构件中应用热能存储（TES）系统并利用相变材料（PCMs）已显示出显著的节能潜力[12]、[13]、[14]。PCMs具有在相变过程中吸收和释放热量的独特能力，有助于稳定室内温度[15]、[16]、[17]、[18]。通过减少建筑物内的温度波动，PCMs可以降低对HVAC系统的需求，从而减少能源消耗[19]。许多研究通过修改建筑结构来减少HVAC负荷[20]、[21]、[22]。最近的研究结果表明，PCMs在全球各种气候条件下的建筑应用显著影响了热负荷管理[23]、[24]、[25]、[26]。这些研究提供了关于集成方法、PCM类型、选择标准、封装技术以及建筑围护结构集成挑战的全面概述[27]、[28]、[29]、[30]。
PCMs的增强性能与其基于特定热容量的显著能量密度的潜热存储特性有关，相对于水泥基材料、砖块和金属等建筑材料而言[31]、[32]。Izadi等人[33]评估了三种不同相变材料（PCMs）集成到两种常用商用空心砖中对伊朗寒冷气候下避难所热舒适度的效果。结果显示，含有RT22 PCM的砖在最初的24小时内平均热流减少了66.79%，优于传统空心砖。Alrashdan等人[34]在沙特阿拉伯对地下停车场和楼梯间等公用区域进行了实验研究，将熔点分别为37°C和43°C的微胶囊化石蜡基相变材料（PCMs）嵌入水泥和石膏复合材料中，结果显示使用43°C PCM的复合材料使热负荷减少了约63%，并且在环境温度（Tamb）为40°C时室内温度最高降低了5.2°C。Ramakrishnan等人[35]研究了将疏水性膨胀珍珠岩基相变材料集成到标准水泥复合材料中的效果，在夏季设计条件下室内温度峰值降低了4.43°C，当与夜间通风结合使用时进一步降至3.4°C。应用了PCM增强型水泥板的建筑有效减少了日常温度变化和表面热流，从而改善了热调节和室内舒适度。Anter等人[36]使用ANSYS 2020 R1对埃及阿斯旺炎热气候条件下的建筑墙体进行了长期模拟研究，测试了多种PCM的性能。所测试的PCM包括RT-27、RT-31、RT-42、RT-35HC、RT-44HC和月桂酸，厚度从1厘米到8厘米不等，安装在墙体的不同位置（内部、外部和中间层）。其中，RT-35HC的表现最佳，尤其是在距离内外墙表面15毫米的位置。这种配置使室内墙面平均温度从31.1°C（无PCM时）降至27.7°C，实现了3.4°C的降温。Ali Taj等人[37]在巴基斯坦伊斯兰堡的热气候条件下进行了研究，发现封装PCM的封闭空间温度降低了约4–5.5°C，同时PCM集成隔间的温度波动减少了约32%。H. Nazir等人[38]开发了使用棕榈酸、硬脂酸、肉豆蔻酸和月桂酸的共晶PCM，发现它们在建筑中的热能存储（TES）效果非常好。这些材料在约27–75°C的温度范围内高效运行，在相变过程中具有显著的吸热能力，吸热量约为127至210 kJ，使其在各种建筑应用中非常有效[39]、[40]、[41]。现有文献缺乏关于适用于50°C至55°C环境温度范围的BEPCMs在建筑外部结构中应用的调查。这些共晶相变材料可以通过缓解夏季高峰期的过度热量增益，显著提高室内热舒适度并降低热能需求。
本研究旨在通过开发和实验验证将生物基共晶PCM（棕榈酸和肉豆蔻酸的混合物）通过宏观封装铝管集成到烧制粘土砖中的创新方法，来填补这一空白。与其他将PCMs集成到混凝土或石膏中的方法不同，这种方法专为高温气候设计，旨在为遭受极端高温的地区提供一种可持续、可扩展且经济的被动冷却策略。
本研究重点关注巴基斯坦的炎热气候，气候变化引发的极端热浪可使温度超过50°C。BEPCMs被宏观封装在铝管中，并对砖的温度行为进行了实验研究。为了测量嵌入BEPCM的砖的有效性，建造了两个测试室。
研究分为三个阶段：（1）识别并合成适合建筑热管理的BEPCM，具有合适的熔化范围；（2）将PCM封装以便大规模集成到粘土砖中；（3）在模拟夏季峰值温度50–55°C的受控条件下评估BEPCM-砖系统的热性能。同时研究了加热和冷却行为，以及PCM集成所带来的峰值室内温度降低效果。
材料选择
材料选择
选择环保且低成本的生物基PCMs，因为它们具有有利的热物理特性，可以增强建筑的热稳定性。由于棕榈酸和肉豆蔻酸具有生物基特性，因此被选用于制备BEPCM。这两种化合物都是从可再生生物质（主要是植物油）中提取的饱和脂肪酸，具有可生物降解性、有机性和无毒性[42]。选择适合建筑应用的PCMs主要基于区域气候条件[43]
粘土砖的制备
粘土砖在建筑中广泛使用，因为它们具有较高的热质量，有助于温度调节，同时维护成本低且可持续[46]、[47]。本研究选择了来自巴基斯坦的高质量砌块砖，因为该地区有丰富的合适土壤和粘土。粘土砖的化学成分和热性能受到制造过程中使用的原材料特性的显著影响[48]。
传统粘土砖中的温度分布
为了分析标准粘土砖的热变化，在前端、中部和后端表面分别放置了三个珠状热电偶。然后，将砖置于保持先前描述相同环境条件的受控加热环境中。暴露后的前30分钟内，前端、中部和后端的表面温度分别为36.9°C、33.9°C和32.3°C，表明存在4.6°C的温度梯度
结论
本研究证明了将创新的BEPCM（由棕榈酸和肉豆蔻酸组成）集成到烧制粘土砖中的有效性，可以实现对建筑物的被动温度调节。BEPCM的物理特性包括47.53°C的熔点、180.38 J/g的潜热容量和0.356 W/mK的热导率，这些特性被封装在铝管中并嵌入砖中。在模拟夏季高峰值的受控实验室测试中进行了验证
未来建议
未来的研究应探讨BEPCM在建筑材料中的最佳位置和方向，以提升热性能。数值建模和不同气候条件下的瞬态热能传输及PCM性能的模拟将有助于改进设计。此外，评估长期热循环、机械强度和现场规模验证也非常重要，以确定BEPCM增强砌块的实际应用和寿命
作者贡献声明
Rimsha Riaz：撰写——原始草稿、调查、正式分析、数据管理。Majid Ali：撰写——审阅与编辑、监督、资源协调、方法论、概念构思。Waqas Khalid：方法论、概念构思。Zafar Said：撰写——审阅与编辑。Sana Yaqub：调查、数据管理。Hassan Nazir：撰写——审阅与编辑、调查。Aamir Khan：可视化、正式分析。Kokab Iqbal：调查
利益冲突声明
作者声明他们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
作者感谢巴基斯坦国立科学技术大学（NUST）的美国-巴基斯坦能源高级研究中心（USPCAS-E）提供的实验室设施和基础设施，使得该项目得以成功完成。
