淺談環(huán)保節(jié)能型建筑材料的研究現(xiàn)狀及發(fā)展策略

李意洪

太原理工大學(xué)建工學(xué)院，山西 太原 030053

淺談環(huán)保節(jié)能型建筑材料的研究現(xiàn)狀及發(fā)展策略

李意洪*

太原理工大學(xué)建工學(xué)院，山西 太原 030053

環(huán)保節(jié)能型建筑材料(PCM)在近幾年的發(fā)展過程中逐步取代傳統(tǒng)的建筑材料，PCM在使用過程中不僅對(duì)環(huán)境和使用空間體現(xiàn)出良好的融合性能，其在節(jié)能領(lǐng)域的表現(xiàn)也十分搶眼，本文基于PCM在近幾年的發(fā)展現(xiàn)狀，提出其最近幾年的研究現(xiàn)狀與發(fā)展策略。

建筑材料；節(jié)能；環(huán)保；現(xiàn)狀

一、引言

自然環(huán)境是人類社會(huì)賴以生存發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)，自然環(huán)境的優(yōu)劣程度也越來越成為世界各國競(jìng)爭的重要籌碼。隨著經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，各行各業(yè)對(duì)環(huán)保的要求也日益劇增。我國《自然環(huán)境發(fā)展“十二五”規(guī)劃》提出，“十二五”時(shí)期，要加快制度變革，全面提高建筑材料開發(fā)以及使用效率，構(gòu)建安全、穩(wěn)定、可持續(xù)發(fā)展的現(xiàn)代自然環(huán)境體系。近年來，我國建筑物數(shù)量的迅速增多，隨之帶來的建筑耗能也迅速增加，建筑節(jié)能技術(shù)的地位也越來越高。因此尋找節(jié)能、高效、環(huán)保的材料已經(jīng)迫在眉睫。

二、節(jié)能型環(huán)保建筑材料的制備現(xiàn)狀

國內(nèi)外對(duì)于環(huán)保節(jié)能的建筑材料的研制取得了很大進(jìn)展。重慶大學(xué)的楊穎教授采用實(shí)驗(yàn)的方法制備了一種癸酸與月桂酸的復(fù)合環(huán)保節(jié)能的建筑材料。癸酸的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為65%，月桂酸的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為35%，這種環(huán)保節(jié)能的建筑材料的峰值熔化溫度是22.2℃，潛熱是126.7J/g。將這種材料直接浸泡于膨脹珍珠巖，最終環(huán)保節(jié)能的建筑材料的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為60%。用差示掃描量熱儀測(cè)試出，復(fù)合材料的開始熔化的溫度17.9℃，潛熱74.41J/g，與不含環(huán)保節(jié)能的建筑材料的膨脹珍珠巖相比有很大的蓄熱能力。

山東輕工業(yè)學(xué)院的馬烽博士以癸酸-月桂酸為環(huán)保節(jié)能的建筑材料，利用石墨的吸附性作為多孔介質(zhì)，使癸酸-月桂酸有效地包封在石墨孔內(nèi)，在定形材料中質(zhì)量分?jǐn)?shù)占80.47%。采用DSC、ESEM、熔化凝固過程分析對(duì)定形相變儲(chǔ)能材料進(jìn)行了結(jié)構(gòu)和熱性能研究。結(jié)果表明定形環(huán)保節(jié)能的建筑材料的相變溫度為19.50℃，相變焓為93.18J/g。目前國內(nèi)對(duì)環(huán)保節(jié)能的建筑材料的熔化凝固特性的研究多是基于實(shí)驗(yàn)?zāi)M、描述現(xiàn)象、儀器分析。人們最開始對(duì)熔化凝固過程的分析，為了使求解變成可能，必須要忽略一些現(xiàn)象或做一些簡化等效處理。上個(gè)世紀(jì)80年代以前，由于技術(shù)水平限制，所分析的計(jì)算模型都是導(dǎo)熱模型，忽略了自然對(duì)流現(xiàn)象。Bayazitoglu和Nicholas分析水平管內(nèi)的熔化過程時(shí)，雖然考慮到了環(huán)保節(jié)能的建筑材料在相變時(shí)的密度差，卻沒有考慮液態(tài)時(shí)相變區(qū)內(nèi)部的自然對(duì)流。Roy和Sengupta進(jìn)一步對(duì)相變問題的數(shù)值解進(jìn)行研究分析中考慮了固體PCM上表面的熔化，但是仍然做了很大變動(dòng)的簡化假設(shè)。幾乎所有文獻(xiàn)都沒有考慮PCM在熔化過程中的體積膨脹問題。后來Wilchinsky等在研究中考慮了相變發(fā)生引起PCM體積變化，因此他們的實(shí)驗(yàn)結(jié)果更能反映實(shí)際的固、液PCM密度變化特性，以及實(shí)際相變過程。Assis等對(duì)PCM凝固過程的數(shù)值研究，最后可以精確的計(jì)算出相變過程中環(huán)保節(jié)能的建筑材料的體積收縮。

三、環(huán)保節(jié)能型建筑材料的發(fā)展策略研究

(一)環(huán)保型建筑材料與節(jié)能材料的融合

環(huán)保節(jié)能型建筑材料應(yīng)用與開發(fā)技術(shù)早在19世紀(jì)就已經(jīng)出現(xiàn)，人們利用環(huán)保節(jié)能的建筑材料制成取暖裝置。近年來，將環(huán)保節(jié)能的建筑材料應(yīng)用到建筑中的節(jié)能技術(shù)已成為大家關(guān)注研究的熱點(diǎn)。例如環(huán)保節(jié)能建筑材料(PCM)——室外環(huán)境溫度升高時(shí)，PCM受熱逐步熔化，該過程吸收能量，并將能量儲(chǔ)存其中；當(dāng)室外溫度下降時(shí)，PCM受冷凝固，釋放出能量。環(huán)保節(jié)能的建筑材料具備如下四個(gè)優(yōu)點(diǎn)：(1)解決自然環(huán)境供求的不平衡問題，提高自然環(huán)境利用率；(2)減小空調(diào)負(fù)荷，有削峰和移谷作用，能夠減少空調(diào)裝機(jī)容量；(3)在夏季可以降低室內(nèi)最高溫度，在冬季可以提高室內(nèi)最低溫度，減小室內(nèi)溫度的波動(dòng)范圍；(4)減少墻體厚度，減輕墻體自重，節(jié)約建筑材料[3]。將環(huán)保節(jié)能的建筑材料應(yīng)用于墻體中，這就要求相應(yīng)的環(huán)保節(jié)能的建筑材料應(yīng)具備以下幾個(gè)特點(diǎn)：(1)環(huán)保節(jié)能的建筑材料膨脹收縮性小，過冷或過熱現(xiàn)象少，熔化凝固過程體積變化?。?2)有合適的相變溫度，能滿足人體感知的舒適環(huán)境溫度；(3)環(huán)保節(jié)能的建筑材料無毒，無腐蝕性，對(duì)人體和環(huán)境無害；(4)環(huán)保節(jié)能的建筑材料還需與建筑材料相容，不會(huì)破壞建筑平衡性以及其他力學(xué)強(qiáng)度要求。建筑物圍護(hù)結(jié)構(gòu)材料的最優(yōu)化選擇對(duì)建筑物實(shí)現(xiàn)熱舒適性也起著重要的作用。以相變儲(chǔ)能為例的環(huán)保建筑材料在近年來收到來自行業(yè)和科研單位的一致青睞。

(二)環(huán)保節(jié)能的建筑材料與建筑的進(jìn)一步結(jié)合

國內(nèi)外的研究者們對(duì)環(huán)保節(jié)能的建筑材料的制備以及對(duì)其性能的分析，最終目的都是要應(yīng)用在實(shí)際生活中。東南大學(xué)研究者采用enthalpy-porosity法建立了一個(gè)處于交變溫度下的內(nèi)部填有PCM的磚墻模型，并對(duì)其熔化和凝固相變過程進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算，比較了普通墻體實(shí)心磚以及填充環(huán)保節(jié)能的建筑材料的墻體的室內(nèi)側(cè)壁溫響應(yīng)變化，分析討論了墻體中PCM填充比重和PCM的空間分布對(duì)傳熱過程的影響，并對(duì)這種墻體結(jié)構(gòu)進(jìn)行性能評(píng)價(jià)。結(jié)果表明，填充了PCM的磚墻通過熔化/凝固相變過程儲(chǔ)存潛熱，能有效削弱外界溫度變化對(duì)室內(nèi)溫度的影響，對(duì)室內(nèi)溫度起到“削峰填谷”的作用。

北京建筑工程學(xué)院的閆全英教授和他的學(xué)生們利用水泥、細(xì)砂和石蠟?zāi)M了一個(gè)相變墻。他們將水泥和砂漿與粉碎后的46號(hào)石蠟按照2：1的比例進(jìn)行混合，然后加水?dāng)嚢杈鶆虻谷肽＞咧?，用模壓成型的方法制成相變墻并?duì)其熱工性能進(jìn)行研究。

西南交通大學(xué)袁艷平教授和牛犇用ESP-r軟件建立模擬相變墻體傳熱特性，在標(biāo)準(zhǔn)日工情況下，分別研究分析了不同相變溫度、相變潛熱等參數(shù)對(duì)相變墻體傳熱特性的影響。其中使用的建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)是多層的，因此他們采用將環(huán)保節(jié)能的建筑材料置于其中一層的中間節(jié)點(diǎn)處的方式。最終他們用實(shí)驗(yàn)證明，將環(huán)保節(jié)能的建筑材料添加到墻體內(nèi)側(cè)內(nèi)表面溫度波動(dòng)最小，房間室內(nèi)最高溫度降低最大，效果最好。

[1]路文才，竇艷鵬.環(huán)保節(jié)能型建筑材料的現(xiàn)狀及發(fā)展策略[J].民營科技，2013，02：311.

[2]韓斌斌，李星.環(huán)保節(jié)能型建筑材料的研究現(xiàn)狀及發(fā)展策略[J].城市建筑，2013，14：169.

[3]何潔.西安地區(qū)農(nóng)村居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)優(yōu)化研究[D].西安建筑科技大學(xué)，2014.

[4]楊曉寧.環(huán)保節(jié)能型建筑發(fā)展研究[D].吉林大學(xué)，2015.

李意洪(1961-)，山西太原人，太原理工大學(xué)建工學(xué)院，工程師，研究方向：建筑節(jié)能、建筑環(huán)保，建筑聲學(xué)。

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