李意洪

太原理工大學建工學院，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*

太原理工大學建工學院，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)境是人類社會賴以生存發(fā)展的物質(zhì)基礎，自然環(huán)境的優(yōu)劣程度也越來越成為世界各國競爭的重要籌碼。隨著經(jīng)濟的飛速發(fā)展，各行各業(yè)對環(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)外對于環(huán)保節(jié)能的建筑材料的研制取得了很大進展。重慶大學的楊穎教授采用實驗的方法制備了一種癸酸與月桂酸的復合環(huán)保節(jié)能的建筑材料。癸酸的質(zhì)量分數(shù)為65%，月桂酸的質(zhì)量分數(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)量分數(shù)為60%。用差示掃描量熱儀測試出，復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)量分數(shù)占80.47%。采用DSC、ESEM、熔化凝固過程分析對定形相變儲能材料進行了結構和熱性能研究。結果表明定形環(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驗模擬、描述現(xiàn)象、儀器分析。人們最開始對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。上個世紀80年代以前，由于技術水平限制，所分析的計算模型都是導熱模型，忽略了自然對流現(xiàn)象。Bayazitoglu和Nicholas分析水平管內(nèi)的熔化過程時，雖然考慮到了環(huán)保節(jié)能的建筑材料在相變時的密度差，卻沒有考慮液態(tài)時相變區(qū)內(nèi)部的自然對流。Roy和Sengupta進一步對相變問題的數(shù)值解進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的簡化假設。幾乎所有文獻都沒有考慮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，因此他們的實驗結果更能反映實際的固、液PCM密度變化特性，以及實際相變過程。Assis等對PCM凝固過程的數(shù)值研究，最后可以精確的計算出相變過程中環(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)能型建筑材料應用與開發(fā)技術早在19世紀就已經(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)能的建筑材料應用到建筑中的節(jié)能技術已成為大家關注研究的熱點。例如環(huán)保節(jié)能建筑材料(PCM)——室外環(huán)境溫度升高時，PCM受熱逐步熔化，該過程吸收能量，并將能量儲存其中；當室外溫度下降時，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優(yōu)點：(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)負荷，有削峰和移谷作用，能夠減少空調(diào)裝機容量；(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)能的建筑材料應用于墻體中，這就要求相應的環(huán)保節(jié)能的建筑材料應具備以下幾個特點：(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，不會破壞建筑平衡性以及其他力學強度要求。建筑物圍護結構材料的最優(yōu)化選擇對建筑物實現(xiàn)熱舒適性也起著重要的作用。以相變儲能為例的環(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一步結合

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

北京建筑工程學院的閆全英教授和他的學生們利用水泥、細砂和石蠟模擬了一個相變墻。他們將水泥和砂漿與粉碎后的46號石蠟按照2：1的比例進行混合，然后加水攪拌均勻倒入模具中，用模壓成型的方法制成相變墻并對其熱工性能進行研究。

西南交通大學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，在標準日工情況下，分別研究分析了不同相變溫度、相變潛熱等參數(shù)對相變墻體傳熱特性的影響。其中使用的建筑圍護結構是多層的，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)點處的方式。最終他們用實驗證明，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)能設計優(yōu)化研究[D].西安建筑科技大學，2014.

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

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

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