帮助建筑材料制造商减少供暖和制冷住宅的能源消耗和碳足迹

家庭供暖和制冷需要付出高昂的经济和环境代价。美国能源情报署报告称，美国一半以上的家庭能源用于供暖和制冷，也占全国总能源使用量的14%以上。根据世界绿色建筑委员会的数据，建筑行业占全球能源相关碳排放量的39%。

来自工程学院莱尔斯土木工程学院的普渡大学土木工程助理教授MirianVelay-Lizancos正在解决这些问题。她和她实验室的研究人员开发了一种正在申请专利的、可扩展的、可自动化的工艺，该工艺改进了将相变材料或PCM结合到建筑材料中的传统方法。

将石蜡、酯类和盐水合物等PCM掺入建筑围护结构元素可缓和室外温度变化对室内环境的影响。它们通过从固体转变为液体或相反，将热能的变化转化为相变。它们通过在这些转变期间吸收或释放能量来提供有用的冷却或热量。

Velay-Lizancos说：“采用PCM可以减少建筑物的能源消耗，从而减少二氧化碳排放和运营成本。”“它还降低了建筑材料的透水性。”

PCM用于建筑物的围护结构，或门、外墙、地基、屋顶、窗户和其他在室内和室外之间形成屏障的组件。建筑围护结构的热性能在建筑物的能源消耗中起着关键作用。

Velay-Lizancos说：“提高建筑围护结构的储热能力将减少建筑物温度波动的影响。”“这将提高建筑物的热舒适度，并减少能源消耗、二氧化碳排放量以及供暖和制冷的相关经济成本。它还会使建筑物更具弹性和能源独立性，并且不易受到停电和其他能源供应问题的影响。”

Velay-Lizancos表示，在建筑材料中添加PCM的传统方法存在缺陷。

Velay-Lizancos说：“目前，PCM通过微囊化或大囊化被结合到其他材料中。”“然而，这些方法限制了PCM的使用。微胶囊对建筑材料的强度和耐久性有负面影响。宏观胶囊限制了建筑材料的形状和生产方法。”

Velay-Lizancos的方法是在砖、石膏板和混凝土等建筑材料形成后，使用液体浸入和真空来结合PCM。

“这增加了强度，增强了耐用性并增加了建筑材料的热惯性，”Velay-Lizancos说。“这种新方法还分布PCM，使它们集中在建筑材料的表层。更多的PCM与建筑围护结构的外表面接触，这使得PCM更有效。”

Velay-Lizancos的方法只需要一个真空系统，她说这个系统非常容易获得，制造商也很容易使用。

“用户需要熟悉这个过程，但他们不需要特殊培训，”Velay-Lizancos说。“这个过程可以很容易地实现自动化，并融入预制构件的生产链中，例如砖、混凝土面板、石膏板和摊铺机等。”

Velay-Lizancos和她的研究小组在莱尔斯土木工程学院的Pankow实验室测试了这项创新。最初的测试是用商业砖块和15分钟的真空时间进行的。

对具有三种水灰比的水泥砂浆进行了大型实验活动，因此具有不同的初始孔隙率水平。在三个不同的真空时间段内将PCM掺入研钵中：15分钟、1小时和4小时。Velay-Lizancos和她的团队观察到热惯性增加了24%，抗压强度增加了22%以上，而只有7%的元件体积填充了PCM。

Velay-Lizancos表示PCM集中在表层的不均匀分布使得PCM在增强热性能方面更加有效。

“本研究中使用的方法将PCM引入更接近材料表面的材料层中，这意味着更多的材料将与建筑围护结构的外表面接触，从而更有效地使用PCM，”Velay-Lizancos说。

“此外，这种方法通过真空将PCM材料推入毛细孔。由于毛细力，即使最终复合材料暴露在远高于所用PCM熔点的高温下，也没有观察到PCM泄漏。“

描述研究方法和结果的论文已发表在2023年3月的《建筑与建筑材料》杂志上。

开发PCM合并方法的下一个里程碑是构建全尺寸原型。

“这将使我们能够通过摄像机和传感器可视化建筑围护结构的热性能，”Velay-Lizancos说。“客户将拥有硬数据，也能够直观地看到这项技术的优势。”

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