一种新型复合建筑围护结构，结合了相变材料石膏板和重力热管：实验与数值研究

《Journal of Cleaner Production》：A novel composite building envelope integrating phase change material gypsum boards and gravity heat pipes: experimental and numerical investigation

　　朱念|李帆|王欣|陈宏霞|寇方成
清华大学建筑科学系，北京，100084，中国

**摘要**
相变材料（PCM）石膏板有助于平衡间歇性的太阳能供应与建筑供暖需求，但存在实际限制：被动系统的热传递效率较低，而主动系统则复杂且成本较高。相比之下，重力热管（GHP）能够高效地将太阳能导入室内，但与传统建筑材料结合使用时，缺乏足够的热储存能力，导致温度波动较大。此外，关于GHP与建筑材料结合的研究主要基于模拟，缺乏在真实建筑中的系统验证。为了解决这些问题，本研究开发了一种新型建筑围护结构，将PCM石膏板与GHP相结合。我们建造了三个全尺寸实验小屋（PCM-GHP、PCM和参考小屋），并在被动和主动模式下进行了测试。同时开发并验证了一个数值模型，以模拟该围护结构在整个供暖季节的长期性能。实验结果表明，与参考小屋相比，PCM-GHP小屋在被动模式下显著提高了热舒适度，每日综合不适度（IDDCday）在晴天减少了98.7%，在阴天减少了51.8%。在主动模式下，能源和成本节约超过30%，而PCM小屋的节约幅度低于2%。供暖季节的模拟验证了其长期有效性，与参考小屋相比，被动模式下的IDDCday减少了32.7%，主动模式下的能源节约了36.8%。技术经济分析表明，PCM-GHP小屋的动态回收期为18.6年，具有在未来大规模应用中大幅降低成本的良好潜力。这种新型围护结构为北方地区的清洁供暖提供了可行的途径，有助于能源节约和实现“双碳”目标。

**引言**
中国政府承诺在2030年前达到碳排放峰值，并在2060年前实现碳中和（中华人民共和国国务院，2024年），旨在通过能源结构调整、产业升级和技术创新推动系统的经济和社会转型。在这一“双碳”目标的背景下，作为建筑能耗重要组成部分的北方地区供暖面临着严峻的节能和减排挑战（Wan等人，2025年），这些挑战可以大致分为城市和农村供暖形式。

北方城市供暖系统具有较大的建筑面积，能耗和碳排放强度较高。2023年，该地区的供暖能耗达到了2.22亿吨标准煤当量，占全国建筑能耗的19%；总碳排放量约为5亿吨二氧化碳，占全国建筑运行碳排放的22.4%。碳排放强度为29千克二氧化碳/平方米。这一现实凸显了北方城市供暖带来的能源消耗和环境影响问题。

相比之下，北方农村供暖主要依赖使用柴火和原煤的分散式炉灶（Nie等人，2023年）。这些传统方法能耗低且污染严重。此外，农村住宅长期缺乏统一规划和保温措施，加上简陋的供暖设备以及低热效率，导致冬季供暖占家庭总能耗的约80%（MOHURD，2013年）。农村地区的高能耗和显著碳排放凸显了推广清洁供暖和提高建筑能源效率的紧迫性（Wang和Wei，2024年）。

在这种背景下，对建筑进行节能改造并充分利用可再生能源对于减少供暖需求、提高建筑能源效率以及支持实现国家碳目标具有重要意义（Wang等人，2018年）。高效利用太阳能且能耗为零或低的建筑被认为是实现碳中和的可行途径（Yang等人，2024年）。北方地区拥有丰富的太阳能资源，其时间分布与供暖需求较为匹配，表明太阳能利用潜力巨大（CMA，2025年）。然而，太阳能辐射强度受地理位置、季节变化、气象波动、昼夜循环和大气污染等多种因素影响，导致供应的间歇性、变异性和不确定性较大。这种固有的不稳定性对建筑层面持续稳定的太阳能供应构成了根本挑战。潜热储存，特别是基于相变材料（PCM）的热能储存，为缓解太阳能供需不匹配提供了有效方法（Jiang等人，2011年）。PCM具有高能量储存密度和稳定的相变温度等优点。当应用于建筑时，它们可以实现热能储存，缓解建筑能源供需在时间、空间分布和强度上的不匹配（Khudhair和Farid，2004年）。目前，PCM在建筑中的应用主要分为被动和主动两种形式。

在被动应用中，PCM被集成到建筑围护结构中，依靠自然对流与室内空气进行热交换。然而，自然对流的热传递系数较低，限制了PCM的热调节和节能潜力。如表1所示，各种被动PCM策略（包括集成PCM的阳光空间（Vukadinovi?等人，2020年）、PCM百叶窗（Li等人，2021年）、带有硅气凝胶玻璃的PCM墙体（Ma等人，2023年）、微胶囊化PCM砂浆（Paranjothi等人，2021年）和室内PCM表面（Guo等人，2025年）仅取得了有限的改进：供暖节能和室内温度提升都非常有限。材料层面的优化（如使用两种不同相变温度的PCM（Zhu等人，2019年）或通过石墨提高热导率（Mano等人，2025年）也几乎没有效果（室内温度提升≤0.6°C）。总之，被动PCM应用的总体改进仍然有限。因此，研究重点应逐渐从单一材料优化转向系统级集成，以实现更高效的能源利用和改善室内热环境。

在主动应用中，PCM与能量驱动系统（如风扇或泵）结合，实现可控的热量充放电。如表1所示，代表性的主动PCM系统（如嵌入式PCM墙体（Chen等人，2024年）、太阳能驱动的热空气PCM储存墙体（Zhu，2023年）和集成PCM的地板供暖（Barzin等人，2015年）取得了显著的温度提升和能源节约。然而，尽管有这些改进，但由于其复杂的配置、对风扇或泵的依赖以及高昂的运行和维护成本，这些系统在实际工程应用中难以广泛采用。

重力热管（GHP）作为高效的热传递元件（Grover等人，1964年），无需外部能量输入。其结构包括蒸发段、绝热段和冷凝段。工作原理基于内部工作流体的相变循环（Carbajal等人，2007年）：液态工作流体在蒸发段吸收热量并蒸发；蒸汽通过绝热段进入冷凝段，在那里释放潜热并重新凝结为液体；液体随后在重力作用下返回蒸发段，完成循环。GHP具有超高的热导率（10^4-10^5 W/(m·K)）和热二极管效应（Kou等人，2023b）。GHP仅允许热量从较低的蒸发段单向传递到较高的冷凝段；反向操作不会发生。这些特性使得GHP在建筑节能方面受到越来越多的关注。先前的研究提出了嵌入式GHP墙体（Zhang等人，2014年；Sun等人，2015年）和L形平板GHP集成太阳能供暖系统（Gong等人，2022年）。缩比模型实验表明，这些设计可以通过利用GHP的热二极管效应有效减少热量损失、降低供暖负荷并提高室内热舒适度。后续工作进一步优化了内墙配置（Kou等人，2023a）并评估了该系统的多区域适用性（Kou等人，2024年）。然而，现有的包含GHP的建筑设计几乎都使用了具有恒定热物理特性的传统建筑材料。通过GHP导入室内的热量缺乏更有效的热储存，导致白天室内温度过高，夜间温度迅速下降（Kou等人，2025年）。此外，关于GHP集成建筑的研究主要基于缩比实验设置，缺乏在真实世界规模下的系统全尺寸实验测量和模型验证，导致实际应用结果与模拟结论之间存在不确定性。值得注意的是，现有研究主要集中在GHP集成建筑的被动模式，而在主动辅助供暖条件下的控制特性和节能潜力尚未得到充分探索。

现有文献中存在明显的研究空白：被动PCM系统由于依赖自然对流，其热传递效率较低，导致室内热舒适度和节能效果有限；主动PCM系统虽然具有更好的可控性，但复杂性高、外部能量输入大且运行和维护成本高；GHP集成建筑围护结构虽然实现了高效的方向性热传递，但现有设计大多使用热储存能力不足的传统建筑材料，导致室内温度波动较大。此外，关于GHP集成建筑的研究主要局限于缩比实验设置，缺乏在被动和主动供暖模式下的系统全尺寸实验验证。

**本文的创新之处**
首先，提出并构建了一种新型集成建筑围护结构，将PCM石膏板与平板GHP相结合，充分利用了两种组件的协同作用。其次，通过全尺寸实验小屋在被动和主动模式下对所提出的围护结构进行了系统验证，填补了实际性能验证的关键空白。第三，开发并验证了PCM-GHP实验小屋的数值模型，实现了整个供暖季节的可靠长期性能模拟。第四，进行了技术经济分析，包括基于测量和模拟数据的热季动态回收期评估，提供了在类似研究中很少涉及的实际经济视角。

**配置和工作原理**
PCM-GHP实验小屋的结构如图1(a)所示。PCM安装在东西墙的内表面。平板GHP分为蒸发段和冷凝段，以L形倾斜配置安装。蒸发段附着在南向墙的外表面，涂有高吸光率黑色涂层以增强太阳能吸收。该部分覆盖有透明玻璃。

**实验设置**
我们在河北省涿州市建造了三个全尺寸实验小屋。所有小屋都朝南，尺寸统一为3.8米（东西方向）× 2.4米（南北方向）× 3.0米（高度）。参考小屋使用标准石膏板，PCM实验小屋使用PCM石膏板，PCM-GHP实验小屋则在墙体中嵌入了PCM石膏板和L形平板GHP。

**被动模式实验**
被动模式实验旨在评估PCM-GHP小屋的热性能和热舒适度提升。图8展示了三个小屋在3月13日至18日的五天连续数据（室外气象参数和室内运行温度）。图中黄色框标出了用于比较分析的典型晴天和典型阴天。在阳光充足的条件下，重点分析了热性能。

**结论**
为了解决被动PCM围护结构效率低、主动PCM系统成本高以及GHP与传统建筑热稳定性差的问题，本研究开发了一种新型建筑围护结构，将PCM石膏板与GHP相结合。通过全尺寸实验小屋和模拟，系统分析了其在被动和主动供暖模式下改善热舒适度和节能的效果。主要发现如下：

**作者贡献声明**
朱念：撰写——审阅与编辑、撰写——原始草稿、可视化、软件、方法论、调查、正式分析。
李帆：调查、数据整理。
王欣：撰写——审阅与编辑、监督、资源管理、项目协调、概念化。
陈宏霞：监督、项目协调。
寇方成：软件、方法论。

**利益冲突声明**
作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文所述的工作。

**致谢**
本研究得到了国家自然科学基金（项目编号52278113）的支持。