建筑節(jié)能型調(diào)濕功能陶瓷的研究與展望

張緹+劉俊榮+周雅琴+梁耀龍

摘 要：隨著人們生活水平的提高和環(huán)保意識的增強，以綠色、低碳、環(huán)保、資源循環(huán)利用為基本概念的建筑陶瓷，以及產(chǎn)品對環(huán)境的協(xié)調(diào)發(fā)展，將成為陶瓷未來發(fā)展的趨向。本文對建筑節(jié)能型被動調(diào)濕功能陶瓷的研究現(xiàn)狀進行了闡述，并對其應(yīng)用技術(shù)及市場前景提出了展望。

關(guān)鍵詞：建筑節(jié)能；被動調(diào)濕；功能陶瓷磚

1 引言

隨著人們生活水平的提高和環(huán)保意識的增強，以綠色、低碳、環(huán)保、資源循環(huán)利用為基本概念的建筑陶瓷，以及產(chǎn)品對環(huán)境的協(xié)調(diào)發(fā)展，將成為陶瓷未來發(fā)展的趨向。我國是世界上最大的建筑材料生產(chǎn)和消費大國，隨著中華人民共和國工業(yè)和信息化部《建筑衛(wèi)生陶瓷工業(yè)“十二五”發(fā)展規(guī)劃》、《新型建筑材料工業(yè)“十二五”發(fā)展規(guī)劃》等相關(guān)政策的出臺，在節(jié)能環(huán)保方面提出了更高的目標(biāo)，這也是陶瓷產(chǎn)業(yè)首次列入國家戰(zhàn)略的范疇。推動建筑衛(wèi)生陶瓷的綠色化，是行業(yè)發(fā)展必須解決的重大課題，綠色化發(fā)展也是我國建筑衛(wèi)生陶瓷行業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要保證和努力的方向。

空氣相對濕度是表示空氣中水汽的多少，即干濕程度的物理量，是衡量室內(nèi)環(huán)境的一項重要參數(shù)，它對人體健康、室內(nèi)空氣質(zhì)量，以及物品的存放都有重要意義。過高或者過低的濕度都會影響人體健康，對物品的保存、儀器的壽命等密切相關(guān)。國家《空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定室內(nèi)相對濕度標(biāo)準(zhǔn)值，夏季空調(diào)房間為40%～60%，冬季采暖房間為30%～60%。我國潮濕地區(qū)年平均相對濕度在70%～80%，有時高達95%～100%[1]，北方干燥時期的相對濕度甚至可以達到10%以下。這些地區(qū)的建筑要達到室內(nèi)環(huán)境的熱舒適要求，就需要采取高效的方法解決相對濕度帶來的室內(nèi)環(huán)境質(zhì)量問題。目前，按是否消耗人工能源可將濕度控制調(diào)節(jié)方法分為主動式和被動式兩種。前者即空調(diào)技術(shù)，是目前普遍采用的方法，但存在耗電大，污染環(huán)境、破壞生態(tài)，以及引發(fā)“建筑室內(nèi)綜合癥”等問題，不符合可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略。后者是利用可再生能源或材料的吸放濕特性來控制調(diào)節(jié)濕度，無需消耗任何人工能源，是一種生態(tài)性控制調(diào)節(jié)方法。

近幾年，我國已進行了一部分與調(diào)濕材料相關(guān)的研究，大多集中在硅膠、高分子聚合物、無機礦物質(zhì)以及復(fù)合材料上，但由于調(diào)濕機理的復(fù)雜性，這方面的研究進展緩慢，某些調(diào)濕產(chǎn)品存在制造工藝復(fù)雜、生產(chǎn)成本高、濕容量過小、調(diào)濕速度慢等缺點。所以，工藝簡單、生產(chǎn)成本低廉，且調(diào)濕性能優(yōu)良的調(diào)濕材料，將成為目前調(diào)濕材料研發(fā)的主要方向。

從能耗和能效上可以反映出一個國家生活質(zhì)量的高低，以及經(jīng)濟效益的大小。從長遠來看，也是國家可持續(xù)發(fā)展能力的具體體現(xiàn)?，F(xiàn)在我國正處于房屋建設(shè)的戰(zhàn)略機遇期，到2020年，我國還要建造約300億m2的建筑。也就是說，中國正以前所未有的規(guī)模和速度建造高能耗建筑，這些高能耗建筑將在近百年的時間內(nèi)大量消耗我國寶貴而稀缺的能源。

建筑節(jié)能技術(shù)種類很多，如：被動技術(shù)是針對建筑物整體而提出的一種建筑節(jié)能技術(shù)，它按照作用對象可分為作用于建筑物屋面；作用于建筑物墻體；作用于窗、陽臺等開放空間三種。被動蒸發(fā)冷卻技術(shù)結(jié)合了被動技術(shù)及蒸發(fā)冷卻技術(shù)的特點，利用清潔無污染的能源——水、太陽能來降低建筑物維護結(jié)構(gòu)的冷負荷。隨著現(xiàn)代建筑業(yè)的不斷發(fā)展，為了節(jié)省占地空間，出現(xiàn)了越來越多的高層建筑。高層建筑的出現(xiàn)使得建筑物墻體面積比例大大增加。據(jù)統(tǒng)計，在建筑物空調(diào)能耗中建筑物維護結(jié)構(gòu)所占能耗比例大約為25%～50%[2]。因此，將建筑物墻體作為主要的研究對象，在干熱的夏季，將具有調(diào)濕功能的建筑陶瓷材料作為墻體或者貼附于墻體的外表面，研究其制冷運行情況將對建筑節(jié)能有著重要的意義。

2 調(diào)濕功能陶瓷的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

“調(diào)濕材料”這一概念是由日本學(xué)者西藤宮野[3]首先提出來的，是指不需要借助任何人工能源和機械設(shè)備，依靠自身的吸放濕性能，感應(yīng)所調(diào)空間空氣溫、濕度的變化，從而自動調(diào)節(jié)空氣相對濕度的材料。用調(diào)濕材料調(diào)節(jié)房間的溫、濕度就是利用材料的多孔性結(jié)構(gòu)，以及水蒸氣在孔中的擴散而起到調(diào)濕作用，并且在調(diào)節(jié)濕度的過程中吸收或者釋放汽化潛熱，從而調(diào)節(jié)室內(nèi)的溫度。對于那些全年所需除濕量與加濕量相當(dāng)?shù)姆块g，如果房間內(nèi)部采用調(diào)濕材料把除濕階段的余濕儲存起來，到需要加濕時再釋放出去，那么該房間將不需要其它的除濕、加濕設(shè)備，這樣既可以替代傳統(tǒng)空調(diào)處理方式達到調(diào)濕效果，又可節(jié)省電能，起到節(jié)約能耗，減少排放的作用，而且能明顯改善室內(nèi)空氣品質(zhì)；對于居住建筑室內(nèi)濕度環(huán)境改善，實現(xiàn)全面建筑節(jié)能，促進可持續(xù)發(fā)展，具有重要的理論意義和應(yīng)用價值。

在20世紀(jì)60年代，調(diào)濕材料這一概念被西藤宮野提出，隨后日本的材料工作者就前赴后繼地展開調(diào)濕材料的研究及應(yīng)用工作。日本在1980～1987年期間，大約在近百項工程中使用了調(diào)濕材料，對文物及重要的美術(shù)書刊的保護與保管起了很大的作用。近幾年，日本的調(diào)濕材料研究專利呈上升的趨勢，主要是無機調(diào)濕材料。

日本的INAX公司（2002）用石灰、鋁礬土、砂等通過混練制成濕度控制抹面材料；國立產(chǎn)業(yè)綜合技術(shù)研究所前田雅喜將水玻璃、氫氧化鋁與高嶺土混合，并經(jīng)800～1150℃煅燒成型，制成具有濕度調(diào)節(jié)功能的鋁基調(diào)濕材料；JANIS公司（2002）利用海泡石、硅藻土、沸石和輕質(zhì)混凝土的一種或幾種和無機粘結(jié)劑為原料，經(jīng)過成型干燥制成濕度控制材料。日本INAX公司最近研制開發(fā)出一種“健康建材”，不僅降低了有害化學(xué)成份的含量，且更具有調(diào)節(jié)室內(nèi)濕度的作用[4]。此外，日本還申請了多項關(guān)于濕度調(diào)節(jié)或控制材料的專利，奠定了日本作為調(diào)濕材料研究領(lǐng)域的主導(dǎo)地位。

相對于日本對新型無機非金屬類調(diào)濕材料的研究，國內(nèi)關(guān)于調(diào)濕材料的研究尚停留在初級階段，1990年7月，清華大學(xué)土木系建材研究室開展了調(diào)濕材料的研究[5]。1991 年12月，該研究室與日本大學(xué)生產(chǎn)工學(xué)部的笠井芳夫等聯(lián)合進行了“關(guān)于采用天然沸石作調(diào)濕材料”試驗研究。

田福禎[6]等篩選了幾種無機材料及合成的硅酸鈣，并對其調(diào)濕性能進行了測試；復(fù)配了五種調(diào)濕材料，與日本樣品進行試驗對比。其結(jié)果表明，這五種調(diào)濕材料的調(diào)濕性能達到了日本樣品的水平。endprint

王新江[7]等利用煤系高嶺土為原料制備了自律型調(diào)濕材料，其產(chǎn)品是采用選擇性浸取法，以煤系高嶺土為原料制備的多孔質(zhì)燒成品，通過對燒成品的比表面積、細孔容積、細孔徑分布及水蒸氣吸附量的測定，評價了其調(diào)濕特性。古緒鵬利用氧化鈣和含結(jié)晶水的無機鹽在一定條件下能形成穩(wěn)定的不溶、透氣性好的薄層等特點，探索研制了一種低成本，能自動調(diào)節(jié)室內(nèi)濕度，且耐濕擦性好的內(nèi)墻涂料。

總而言之，國內(nèi)對于被動式綠色調(diào)濕材料的研究及產(chǎn)品都尚未成熟。由于目前國內(nèi)相關(guān)調(diào)濕產(chǎn)品尚處于初開發(fā)階段，研發(fā)出的調(diào)濕產(chǎn)品還存在許多問題，有機調(diào)濕材料雖然吸濕量大，吸濕速度快，但放濕量小，放濕速度慢；蒙脫土具有天然的多孔和層狀結(jié)構(gòu)，作為濕度調(diào)節(jié)劑，濕容量較?。荒承┬滦偷恼{(diào)濕材料雖然調(diào)濕性能較好，但具有制造工藝復(fù)雜、生產(chǎn)成本較高等缺點。迄今為止，未見價格適中、性能良好的調(diào)濕材料產(chǎn)品推出，且完整的吸、放濕理論的研究和科學(xué)系統(tǒng)調(diào)濕材料性能評價體系的建立尚待完善。

3 調(diào)濕功能陶瓷的發(fā)展趨勢

在我國工業(yè)、建筑、交通和生活四大節(jié)能產(chǎn)業(yè)中，建筑節(jié)能被視為熱度最高的領(lǐng)域，是減輕環(huán)境污染、改善城市環(huán)境質(zhì)量的一項最直接、最廉價的措施。隨著我國城鎮(zhèn)化、工業(yè)化進程的加快，以及社會主義新農(nóng)村建設(shè)的逐步展開，每年竣工的房屋建筑面積約為20億m2。預(yù)計到2020年底，全國房屋建筑面積將新增250億～300億m2 [8]，也就是說，中國正以前所未有的規(guī)模和速度建造高耗能建筑，這些高耗能建筑將在近百年的時間內(nèi)大量消耗我國寶貴而稀缺的能源。但是到目前為止，大部分建筑物都不節(jié)能，因此，開發(fā)出具有節(jié)約土地、能源、淡水、礦產(chǎn)資源的產(chǎn)品將是目前大家關(guān)注的課題。

建筑用能包括建造能耗和使用能耗兩個方面。據(jù)統(tǒng)計，我國總能耗中建筑能耗占30%左右（工業(yè)能耗占60%，交通能耗占10%）。其中，空調(diào)能耗占建筑能耗的50%～60%，照明能耗占建筑能耗的20%～30%。如果延續(xù)目前的建筑能耗狀況，預(yù)計到2020年，我國建筑業(yè)每年將消耗1.2萬億度電和4.1億噸煤，接近目前全國能耗的3倍，加上建筑能耗所占比例（16.7%），建筑建材能耗約占全社會總能耗的46.7%。因此，降低建筑材料的總體生產(chǎn)能耗，提高墻體材料的被動調(diào)濕等綠色環(huán)保性能迫在眉睫。因此，將建筑物墻體作為主要的研究對象，無論是在潮濕的春季還是在干熱的夏季，將具有調(diào)濕功能的建筑陶瓷材料作為墻體或者貼附于墻體的內(nèi)、外表面，利用其自身的調(diào)濕特性能延緩空調(diào)或者除濕機的開啟頻率、減少設(shè)備初投資與運行費用，具有明顯的經(jīng)濟性。同時，該材料也具有非常廣泛的市場前景，值得大力推廣。

4 結(jié)語

隨著材料不斷向著高性能化、功能化、智能化、生態(tài)化的方向發(fā)展，現(xiàn)代建筑技術(shù)既要求建筑材料本身具有安全、輕質(zhì)、高強、耐久等特征，又要求建筑材料在制備、使用與廢棄等過程中對環(huán)境負荷小，對資源、能源消耗少。所以，能開發(fā)出具有自清潔、自調(diào)濕、自調(diào)溫、吸波等功能的生態(tài)建材對改善人類生活環(huán)境、促進循環(huán)經(jīng)濟、可持續(xù)發(fā)展具有重要的意義。

參考文獻

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西安工程科技學(xué)院學(xué)報，2006（20）.endprint