英文原题：Pathways to Carbon Neutrality in the Built Environment: Phase Change Materials
作者：Wenzhu Lin, Xiaoxue Yao, Wen Zhao, Yiru Pu, Steven Wang*
01 论文信息
论文信息
W. Lin, X. Yao, W. Zhao, et al. Pathways to Carbon Neutrality in the Built Environment: Phase Change Materials[J]. Green Carbon 2024 2(2) 197-204.
论文关键词
Phase change material; Building; Latent heat; Energy storage; Energy saving
论文网址
https://doi.org/10.1016/j.greenca.2024.03.003
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Pathways to carbon neutrality in the built environment: Phase change materials
中文解读原链接
Green Carbon文章│香港城市大学Steven Wang副教授：建筑环境中实现碳中和的途径——相变材料
02 背景简介
全球能源格局深受建筑影响，其中建筑运营占全球终端能源消耗的30%，同时占全球能源相关排放的26%。建筑能耗主要涉及采暖、生活热水供应、通风、空调、照明、炊事等日常用电设备，尤其是供暖和制冷占据建筑能源使用量的40%以上。随着城市人口和住宅建筑面积的增加，加上生活水平的提高，室内能源需求快速增长。相变材料（PCM）展现出卓越的能力，可以在不同相之间的转变中吸收和释放热能，确保温度稳定。这个过程涉及大量能量以潜热形式的吸收和释放，使得相变材料成为建筑设计和施工中具有前景的材料。
香港城市大学Steven Wang副教授团队最近在Green Carbon上发表一篇题为“Pathways to Carbon Neutrality in the Built Environment: Phase Change Materials”的综述文章。该篇文章全面回顾了相变材料在建筑设计领域的最新进展，并深入探讨了其在提高建筑物能源效率、舒适度和可持续性方面的应用。在这篇综述中，作者对各种类型的相变材料进行了详细研究，讨论了它们的选择标准、集成方法以及对室内气候和能源消耗的影响。特别是，文章讨论了不同建筑组件上被动和主动相变材料系统的影响，涵盖了墙壁、屋顶、窗户和地板，并介绍了与HVAC和太阳能存储集成相关的技术。此外，综述还探讨了当前相变材料在建筑领域面临的挑战以及未来的发展方向。这些洞察有助于指导未来相变材料的研发和应用，推动建筑行业向着更为能源高效、环境舒适、可持续发展的方向前进。
03 文章简介
相变材料
相变材料，凭借其在不同相之间转变过程中吸收与释放热能的独特性能，在建筑学领域，尤其是在建筑设计与施工中，被视作一种极具潜力和广阔应用前景的材料。通过将相变材料集成到建筑材料中，我们能够实现热能的高效存储和调节释放，从而显著减少建筑物供暖和制冷过程的总体能源需求。
相变材料在建筑应用中的重要性不仅限于提高能源效率，还包括增强室内舒适度。相变材料在相变过程中有效储存和释放热能，减少了对传统加热和冷却系统的需求。通过在白天吸收多余的热量并在寒冷时期释放热量，相变材料有助于稳定室内温度，降低能耗、节省成本并减少对环境的影响。
将相变材料集成到建筑应用中不仅提高了能源效率，还显著提高了室内舒适度。相变材料在相变过程中保持恒定的温度，减轻温度波动，为建筑物居住者创造更舒适的生活和工作环境。这使得相变材料集成成为提高建筑物室内舒适度的宝贵解决方案。
图1. 相变材料的分类
建筑中的相变材料集成方法
传统建筑结构存在蓄热能力有限、热惯性不足等缺点，致使室内温度易受外部环境影响，进而增加制冷和供暖需求。为了解决这一问题，建筑领域采用了相变潜热储能系统，分为被动式和主动式系统。
在被动式系统中，相变材料直接集成到建筑材料中或作为单独的结构添加到建筑围护结构中，如墙壁、屋顶、地板和窗户等。这些系统具有施工过程简便、灵活性强、可操作性高等优点。墙壁、屋顶等结构的集成利用环境温度和相变材料温度之间的温差作为驱动力，有效管理室内温度。通过白天吸收多余热量并在夜间释放，被动系统减少了对机械加热和冷却系统的依赖，降低了能源消耗和成本。
相变材料的集成还扩展到了屋顶、窗户和地板等组件中，进一步增强了建筑物的热惯性，稳定了室内温度。相变材料与窗户的集成作为建筑设计的创新解决方案，重点强调能源效率，对调节温度波动和优化能源消耗发挥关键作用。地板作为建筑物热围护结构的重要组成部分，集成相变材料可有效降低能耗，提高热舒适度，尤其适用于温度波动较大的区域。
被动式系统的应用重新定义了建筑中热能管理的方式，提高了建筑物的能源效率、热舒适度和可持续性。相变材料的适应性使其成为建筑领域寻求节能和可持续发展的多功能工具。
图2. 将相变材料纳入建筑围护结构的被动式方法。（a）与建筑物墙壁结合的相变材料；（b）与建筑屋顶结合的相变材料；（c）与建筑窗户结合的相变材料；（d）与建筑物地板结合的相变材料
另一方面，主动潜热储能系统将相变材料与空调、通风、供暖等系统结合，不受环境条件限制，具有更高的灵活性和可控性。与被动系统相比，主动系统具有更广泛的应用范围，为建筑领域带来更多可能性。
图3. 将相变材料掺入各种体系的主动式方法。主动系统需要机械设备的辅助来实现pcm的热能充电或放电。（a）与空调集成的相变材料；（b）与辐射地板系统集成的相变材料；（c）与通风系统集成的相变材料；（d）与太阳能储能系统集成的相变材料
总结及展望
相变材料是提高建筑能源效率和热舒适度的有前途的一种解决方案，但面临着几个挑战。
首先，相变材料的选择需要根据特定应用进行精心挑选，因为它们有不同的熔点和凝固点，需要与建筑的气候和热性能需求相匹配，否则可能导致性能不佳。
其次，相变材料集成的经济方面是一个挑战，因为初始安装成本可能较高，尤其是对于需要改造现有建筑的情况。然而，通过节省能源费用和提高舒适度综合考量投资回报，往往可以说明这些成本是合理的。
此外，相变材料对温度波动非常敏感，需要维持在最佳工作温度范围内才能发挥最大效益，这需要细致的建筑设计和隔热策略。相变材料的长期稳定性和环境影响也是挑战，因为它们可能随着时间推移而发生微观结构变化，同时可能存在泄漏问题。
尽管存在这些挑战，但正在进行的研究和创新有望解决许多限制。例如，新型相变材料配方的开发以及定制相变材料解决方案的研究都在进行中，同时性能建模和仿真也在优化相变材料应用。总的来说，相变材料集成到建筑应用中具有巨大的潜力，可以提高建筑的能源效率和热舒适度，进而推动可持续建筑实践的发展。
04 文章摘要
Abstract
Phase change materials (PCMs) are increasingly capturing the spotlight in the realm of building design and construction owing to their capacity to absorb and release thermal energy throughout phase transitions. This review provides a comprehensive overview of PCMs, outlining their properties and applications in improving energy efficiency, comfort, and sustainability in buildings. It delves into various types of PCMs, discussing their selection criteria, integration methods, and their impact on indoor climate and energy consumption. The exploration covers both passive and active PCM systems across diverse building components, including implications for walls, roofs, windows, and floors, and integrated HVAC and solar energy storage. Additionally, the review addresses challenges associated with PCM implementation in building applications while considering future prospects in this field.
05 作者简介
Steven Wang 副教授
Steven Wang，香港城市大学资源规划协理副校长，香港城市大学仿生中心副主任，香港城市大学机械工程学院副教授，Green Carbon编委会委员。2014年至2015年于美国麻省理工学院开展博士后研究工作；2015年至2016年于瑞士苏黎世联邦理工学院继续从事博士后研究工作；2016年至2019年任职于英国纽卡斯尔大学。
06 Green Carbon
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