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        智能建材:全面改善居住體驗

        2023-03-23 01:59:42李偉
        檢察風云 2023年5期
        關(guān)鍵詞:紅外線智能建筑玻璃

        文·圖/李偉

        人們通常認知中的智能建筑,是利用計算機、通信、AI等技術(shù)為住戶提供服務(wù)。其實,改善居住體驗的建筑智能化還體現(xiàn)在材料和結(jié)構(gòu)上。智能建筑材料的創(chuàng)新對于建筑的發(fā)展至關(guān)重要,能夠極大地優(yōu)化設(shè)計和建造理念,提升建筑的品質(zhì),延長其使用壽命。

        智能混凝土外墻可實現(xiàn)綠化效果

        智能玻璃已應(yīng)用在建筑領(lǐng)域

        里程碑:智能化恒溫建材

        據(jù)英國《自然》雜志報道,美國芝加哥大學分子工程學院的研究人員,開發(fā)出一種具有里程碑式意義的智能建筑材料。這種被喻為“變色龍”的建筑材料可以根據(jù)外部溫度的變化改變顏色,并吸收或釋放熱量。在炎熱的天氣里,這種智能建筑材料能散射多達92%的紅外線熱量,幫助建筑物內(nèi)部降溫;在寒冷的天氣里,這種材料只散射7%的紅外線熱量,有助于建筑物內(nèi)部保溫。

        以上述智能建筑材料為基礎(chǔ)的節(jié)能方案,形象地說就是在冷的時候給建筑物“加衣”,在熱的時候給建筑物“脫衣”,在不消耗大量能源的情況下保持建筑物內(nèi)部的溫度恒定適宜。

        據(jù)統(tǒng)計,建筑物能耗占全球能源總消耗量的30%,其碳排放量占全球總排放量的10%。對于建筑物來說,大約一半的能源消耗歸因于室內(nèi)空間的溫度調(diào)節(jié),即供暖和制冷。

        紅外線是物體向外輻射的不可見光,也是一種熱量。在傳統(tǒng)的節(jié)能建筑材料研發(fā)領(lǐng)域,研究人員朝兩個方向推進:一是冷卻型建筑材料,即通過增強建筑物向外散射紅外線的能力來幫助其內(nèi)部降溫;二是保溫型建筑材料,即在寒冷天氣里阻止建筑物向外散射紅外線,使其內(nèi)部的溫度不下降。

        芝加哥大學此項研究成果的亮點在于,將上述兩個研發(fā)方向統(tǒng)一起來,設(shè)計開發(fā)出智能化恒溫建筑材料。它包含可呈現(xiàn)兩種構(gòu)象的材料層:一種是能保留大部分紅外線熱量的固態(tài)銅,另一種是能散射紅外線的溶液。感應(yīng)到溫度變化時,材料的智能控制系統(tǒng)就會啟動,使用少量電能將銅沉積到溶液中,或者剝離出來,通過化學反應(yīng)控制材料的熱量散射。

        研究團隊解釋了這種智能建筑材料如何在兩種狀態(tài)之間快速且可逆地切換。試驗表明,在反復切換1800個周期后,該材料的兩種構(gòu)象之間仍然保有任意切換的能力。

        研究團隊還創(chuàng)建了這種新型材料在不同城市的典型建筑中發(fā)揮作用的模型。研究報告顯示,在一棟普通的商業(yè)建筑中,用于引起該材料變化的電量不到建筑總用電量的0.2%,能夠降低用于供暖和制冷的能耗,節(jié)能總量占建筑總能耗的8.4%。

        智能建材的分類

        上述新型智能建材技術(shù)上升到了一個新的高度,全面改善居住體驗的智能建材離我們越來越近了。

        智能材料的分類方式有多種。在建筑領(lǐng)域,根據(jù)智能材料模擬生物行為的模式,可將其分為智能傳感材料、智能驅(qū)動材料、智能修復材料和智能控制材料四大類。

        采用智能混凝土外墻和智能瓦片的建筑

        具體來說,上述四類智能建材主要包括應(yīng)用在綠色建筑領(lǐng)域的智能混凝土(即人們通常所說的自修復混凝土、自調(diào)節(jié)混凝土和自感應(yīng)混凝土),智能乳膠漆(通過室內(nèi)外光線的變化來改變墻體的反射率,起到調(diào)節(jié)室內(nèi)采光的作用),智能玻璃(建筑玻璃材料的主體)和智能涂料(有吸收物質(zhì)的能力,主要用于消除煙味或其他異味)。

        隨著智能化環(huán)境成為我們生活中不可或缺的一部分,人們對智能建筑材料的應(yīng)用也提出了更高的要求:它可以根據(jù)天氣的變化顯示相關(guān)信息;可以在黑暗中發(fā)光以代替燈具進行照明……

        建筑中采用的智能材料,其最大特點就是互動性——能夠根據(jù)環(huán)境變化做出反應(yīng),例如溫度變化、壓力變化、紫外線輻射量的變化、磁場或電場強度變化等等。在感應(yīng)到這些變化后,智能建筑材料就可能改變顏色、透明度、硬度,甚至外觀形狀。

        已得到應(yīng)用的智能建材

        智能化建筑材料往往為納米級,這使它們具備了獨特的性能。這類材料通過顏色、溫度或形狀的變化,可以實現(xiàn)不同的功效,而且這些變化都是可逆的和可重復的。英國《新科學家》雜志列舉了已經(jīng)得到應(yīng)用的幾種智能建筑材料。

        一是全息玻璃,它能根據(jù)反射光的類型和觀察者的位置改變顏色。建筑師從視覺效果和實用性的角度選擇使用全息玻璃。它們主要用于建筑物外圍的護墻,也可用于室內(nèi)的間隔墻。

        二是反光聚合物。它與全息玻璃的功能類似。兩者的不同之處在于,全息玻璃可呈現(xiàn)精致的平面圖案,而反光聚合物可顯示動態(tài)、三維的圖案和紋理。

        堅固耐用的智能木材

        三是智能調(diào)光玻璃,即可調(diào)控透明度的玻璃。其技術(shù)類型包括電致變色、光致變色和熱致變色。這種玻璃的透光特性取決于光或熱的影響。它在夏天可降低透明度,以阻擋刺眼的光線進入建筑物;在冬天,它會變得全透明,讓溫暖的光線進入。另外,智能調(diào)光玻璃可以阻擋多達90%的有害紫外線輻射。

        四是智能木材。與上述智能化玻璃多變的特性不同,智能木材的性能特點恰恰在于“不變”。在響應(yīng)環(huán)境變化方面,它可以說是不會對任何外部刺激做出反應(yīng)的材料,“以不變應(yīng)萬變”。經(jīng)過強化熱處理的智能木材,具有高耐候性(適應(yīng)氣候變化的性能)和更長的使用壽命,可用于建筑物的外墻和外部覆層。由于“不變”的特性,它能抵御化學腐蝕和害蟲,可以在任何氣候中使用。

        五是智能混凝土。這是一種含有微生物的混凝土,能夠生成氧氣,并吸收二氧化碳和污染物,從而使建筑物具備自動提升內(nèi)部空氣質(zhì)量的能力。根據(jù)需要,它還可以實現(xiàn)綠化與建筑融為一體的視覺效果。

        六是智能塑料。這種塑料的原料和制作方法都非常特別——從運河和其他水道中收集藻類,從中獲得微生物纖維素,經(jīng)發(fā)酵后織成層狀結(jié)構(gòu)。它是半透明的,具有重量輕、堅固、隔熱等特性,可用作隔斷屏風、內(nèi)部包層等。

        七是智能瓦片。它是大型太陽能電池板的替代品。這種小型瓦片可與傳統(tǒng)的屋面瓦交替鋪設(shè),既美觀耐用,又能吸收、儲備太陽能。與傳統(tǒng)的太陽能電池板相比,其安裝過程十分便捷,而且可以很方便地連接到家庭的電氣系統(tǒng)中。

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