集成了PCM（相变材料）的木结构建筑围护结构的多尺度耦合湿热性能

《ENERGY AND BUILDINGS》：Multiscale coupled hygrothermal performance of PCM-integrated timber building envelope

　　南智熙|金东灿|金秀敏
韩国首尔延世大学建筑与建筑工程系，邮编03722

**摘要**
基于木材的建筑围护结构具有环境优势，但其有限的热惯性限制了其在动态气候条件下的温度调节能力。将相变材料（PCM）整合到实木中可以增强热储存性能；然而，PCM的浸渍会改变木材的孔隙结构，并可能影响热湿传输过程。本研究通过将实验测得的材料性质与围护结构尺度的湿热模拟相结合，探讨了PCM浸渍对实木建筑围护结构应用的影响。三种烷烃类PCM（正十八烷、正二十烷和正二十二烷）被浸渍到四种木材中（云杉、白蜡杉、红松和日本扁柏）。在首尔气候条件下，通过WUFI Pro模拟分析了这些木材的热传导和蒸汽传输特性。PCM浸渍使体积密度增加了高达38%，并在红松中实现了高达1350 J/g的累积焓值。浸渍后，尤其是长链PCM，蒸汽扩散阻力增加，表明PCM的嵌入改变了水分传输路径。在建筑整体层面，外部PCM的集成减少了湿度波动幅度和冷凝风险，而内部PCM的应用则使五年内的霉菌生长指数上升到1,159.99 mm。这些结果表明，在热缓冲和水分保持之间存在权衡，表明PCM类型、木材种类和应用位置共同决定了潮湿大陆性气候下PCM增强型木材围护结构的热湿性能。

**引言**
如何在长寿命建筑中有效利用木材的碳储存能力，以及这一特性是否仍可作为未来建筑环境的可行解决方案，仍然是未解之谜。木材与石材和砖石一起，是人类历史上使用最久的建筑材料之一，在住宅和城市的建设中既承担结构功能也承担围护功能[1]。建筑行业占全球最终能源消耗的约36%，以及能源相关二氧化碳排放的近40%[2]。这种巨大的贡献提高了对低碳建筑材料和节能建筑围护系统的兴趣。基于木材的材料在这方面具有独特优势，结合了结构功能与固有的碳储存能力[3]。当可持续采伐实践与系统性的重新造林相结合时，基于木材的建筑材料有助于构建循环林业系统，从而在建筑的使用寿命内延长碳储存[4],[5]。从这一角度来看，增加建筑中木材的使用量直接提升了建筑的碳封存潜力。工程木材产品和大规模木材技术的发展使得木材能够应用于大型结构中，将木材建筑从低层扩展到中层和高层建筑以及大规模城市开发[6]。因此，研究工作主要集中在大规模木材系统的结构性能和消防安全方面[7]。图1展示了通过不同加工方法将原木转化为各种木材形式的过程，以及代表性的基于木材的建筑材料类别。

相比之下，人们对提高木材材料本身热性能的关注较少。尽管木材由于导热系数低而具有良好的隔热性能，但其体积热容量明显低于传统的高密度材料。例如，云杉的体积热容量通常在700–900 kJ/m3·K范围内，而普通重量混凝土的体积热容量约为2000 kJ/m3·K——相差约两到三倍[8]。这种差异源于木材相对于比热容的低体积密度，直接限制了材料在动态气候条件下调节室内温度的能力[9],[10]。这一限制在大型木材建筑中尤为明显，因为暴露的木材表面直接与室内外热环境互动，缺乏足够的热惯性可能导致显著的昼夜温度波动。相变材料（PCM）因其在特定温度范围内储存和释放潜热的能力而被研究用于热储存[11]。与室内热舒适度条件相对应的PCM被应用于室内装修和暖通空调相关组件[12],[13]，而更高温度的PCM则被整合到建筑集成系统中以缓解太阳负荷下的温度升高[14]。当PCM与木材结合时，它们可以在材料层面提供额外的热储存能力。

**以往关于木材-PCM复合材料的研究**
以往关于木材-PCM复合材料的研究主要集中在热性能评估和建筑能源应用方面。在材料层面，Suh等人[15]评估了浸渍了正十八烷的木材的热、结构和化学特性，并证明了其作为辐射地板供暖系统中饰面材料的适用性。在建筑应用层面，Hanif等人[16]开发了一种烷烃封装的去木质化木材框架，并证明了其在建筑中的热调节效果，而Mi等人[17]提出了一种用于节能建筑的聚合物渗透透明木材复合材料。然而，这些研究主要依赖于表面涂层或聚合物封装方法，这些方法随着时间的推移容易受到机械损伤和泄漏的影响，特别是当使用低粘度PCM时。木材的湿热行为一直是建筑物理学的研究重点。Hameury[18]通过数值建模证明，重型木材结构与室内气候之间的被动湿热相互作用可以减缓室内湿度波动，建议使用暴露的大规模木材作为增加机械通风的潜在替代方案。在材料层面，Kraniotis等人[19]使用热成像技术量化了挪威云杉吸湿过程中的潜热释放，报告了吸收过程中表面温度最高升高2.1°C的现象——直接体现了木材特有的热湿交换耦合性。Nore等人[20]将这些观察结果扩展到全尺寸木材测试房间，验证了湿热模拟结果，并量化了暴露木材表面的能量缓冲潜力。在围护结构层面，Kang等人[21]使用WUFI模拟评估了包含CLT外墙的建筑的室内湿热环境，证明了在湿度调节和能源效率方面的改进。在直接与本研究相关的韩国气候背景下，Park等人[22]评估了韩国季节性气候下木材墙体组件的湿热性能，并使用WUFI模拟确定了特定区域的冷凝和霉菌生长风险。

**表1总结了代表性研究**
表1总结了有关PCM集成木材材料和木材湿热性能的研究，特别关注了材料系统、PCM集成策略、评估规模和湿热评估的范围。如表1所示，以往的PCM-木材研究主要集中在潜热储存和建筑能源性能上，而很少同时考虑水分传输和建筑整体尺度的湿热安全性。相反，关于木材湿热性能的研究提供了有关水分缓冲、冷凝风险和木材组件中霉菌生长的宝贵见解，但这些研究通常考虑的是未经改性的木材或常规工程木材产品，没有PCM的集成。这种比较揭示了一个明确的研究空白：PCM浸渍的实木尚未系统地作为材料层面和建筑整体尺度上的热湿耦合传输材料进行评估。这个空白尤为重要，因为木材既吸湿又多孔，这意味着PCM的浸渍不可避免地会改变负责热湿耦合传输的内部路径。木材的层次化孔隙结构（包括导管、胞腔、射线和孔膜）在浸渍过程中既是PCM渗透的主要路径，也是蒸汽扩散和毛细水分传输的控制结构。在浸渍过程中，液态PCM通过射线作为主要传输路径渗透到这个网络中，随后在固化过程中填充导管胞腔[26]。形成的固态PCM在细胞结构中物理稳定，使得通过固液相变反复储存和释放潜热而不会发生显著泄漏。然而，当PCM占据这些孔隙空间时，可能会部分阻塞水分传输路径，增加蒸汽扩散阻力并改变木材基质的吸附和解吸动力学。因此，这项工作不仅仅是将PCM整合到木材中，而是将PCM浸渍的实木作为建筑围护结构中的热湿耦合传输材料进行评估。与以往主要强调潜热储存、热缓冲或节能潜力的PCM-木材研究不同，本研究重点关注PCM浸渍如何改变控制蒸汽扩散、水分重新分配和干燥行为的实木内部解剖结构。这一概念在图2中以示意图形式展示，将表面涂层和内部浸渍两种代表性的PCM集成策略进行了对比。与表面涂层不同，内部浸渍利用木材的自然多孔结构将PCM保留在导管、胞腔和射线路径中，从而减少了外部表面的潜在泄漏。但由于相同的孔隙结构也控制着蒸汽扩散和毛细水分传输，因此必须从热湿耦合的角度而不是单纯的热储存角度来评估这种集成策略。在此背景下，本研究通过WUFI模拟考察了PCM浸渍实木的多尺度湿热性能，将材料层面的热和蒸汽传输特性与建筑整体层面的行为联系起来。选择了三种烷烃类PCM（正十八烷、正二十烷和正二十二烷）来代表不同的热工作范围，并使用了四种木材（云杉、白蜡杉、红松和日本扁柏）来研究不同木材种类在PCM集成和湿热响应上的差异。特别关注了增强热缓冲与改变水分保持之间的权衡，因为PCM浸渍可以同时改善潜热储存并限制木材孔隙网络内的蒸汽扩散路径。

**结论**
PCM浸渍改变了用于木材墙体组件的实木的热储存能力和水分传输行为。本研究的主要贡献在于表明，PCM浸渍的实木应不仅作为热储存材料进行评估，还应作为热湿耦合传输材料进行评估，其孔隙尺度的改变可以影响墙体组件的蒸汽扩散、干燥潜力和霉菌生长风险。

**作者贡献声明**
南智熙：撰写——原始草稿、方法论、概念构思。
金东灿：撰写——审核与编辑、数据管理。
金秀敏：监督、资金获取。

**利益冲突声明**
作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。

**致谢**
本研究得到了韩国国家研究基金会（NRF）的资助（由韩国政府（MSIT）提供，项目编号RS-2025-02263517）。