用戶名:

密  碼:

驗證碼:

 

專家論壇 

 

相變材料調溫作用及相關研究 

 

周廣德(北京環益美高分子聚合物研究所,北京101113

   Zhou guangde (Beijing Huan Yi Mei lnstitute of polymer ,Beijing 101113)

 

摘要   建筑用材料的相變溫度調節,受限于環境氣候溫度,而決定相變材料的相變調溫功能,是環境溫度,而不是相變材料本身,研究建筑與相變物質及環境氣候,可以加深我們對相變材料的性能、作用與價值的認識和理解。

 關鍵詞   相變材料    相變保溫材料  

 前言

世界上任何一種物質,對溫度變化都有反應,遇熱遇冷后,會吸熱放熱、并發生形態變化,甚至是結構與性能變化,這種變化每時每刻都在進行著,我們所處的地球環境和萬物也是如此。
材料對溫度變化的反應,在科學與客觀上,是不可否認的。如果將一些化學合成的可以起相變調溫作用的材料或技術,大量地用于建筑墻體,其實際意義并不會很大。
本文客觀地從建筑材料、居住建筑、自然氣候環境、環保與健康等角度來討論相變材料應用上的一些問題,因學識有限,如有不正之處,誠請業內行家批評指正。 

 

一、常用相變材料的相變溫度與相變能及其應用

 樣品名稱               相變溫度℃             相變能KJ/Kg

  水                   0                          333.6

 石蠟                  12~24                     200~300

  十二醇               17~24                          188

  十八烷               22~27                      205

 硬酯酸丁酯            18~23                          140

 硬脂酸甲酯            23~27                          188

 棕櫚酸丙酯            16~19                       186

棕櫚酸丁酯                 17~21                      138
從上表中可以看出,水由液相變成固相的潛熱值是比較高的,俗話說“冰凍三尺非一日之寒”!也是人類最早利用的相變調溫材料之一,自然界中一切有形的材料或物體,受熱遇冷后,都會不同程度地吸收熱量與釋放熱量,并產生相變反應(如熱脹冷縮等)。

我國數百年前就有利用相變材料—儲冰的技術,約三千年前的《詩經》中,就記載有“二之日鑿冰沖沖,三之日納于凌陰,四之日其蚤,獻羔祭韮”的詩句,是說遠在周朝時,人們于臘月采冰,正月往冰窖存冰,二月取出冰來,冰鎮著羊羔肉和韮菜上供祭神。

在清朝,由工部都水司掌管,京城有四個地點,共建有冰窖18座,年儲冰量約20萬塊以上(每塊冰一尺五寸見方,重量約80公斤)。每年冬至后半個月開始在故宮護城河、北海、御河等處采冰,儲于冰窖里,以供夏天冰鎮食品、冷飲、防暑降溫之用。

八十年代,北京街頭叫賣的冰鎮汽水,就是用從冰窖取來的冰塊冰涼的,筆者于九十年代初的寒冬時節,曾目睹過當地居民從湖中大量取冰藏于就近的地下土窖中的情景,(地點就是現在的北京朝陽公園西面),后來由于電冰箱問世,這種古老的辦法才漸漸失傳了。
相變材料,特別是人工化學合成固液型、液固型、固固型相變材料及封裝技術,在國內外早就有很多人從事研究,我國的清華大學、武漢理工大學、中國建筑材料科學研究總院、中國紡織科學研究院等單位的一些科技人員都做過相關研究,關于研究方面的文獻也有很多。在國外,如美國在八十年代就將相變材料用于建材制品試驗,直到現在近三十年過去了,卻并沒有在建材領域或建筑上全面推廣。
由于大量使用相變材料,可能引起的資源、環保、健康等問題,國際社會是非常謹慎的,很多國家和地區都有由政府資助的相關課題研究小組。我國部分城市的政府主管部門、科研技術人員也開始對用于建筑的可調溫相變材料的應用,持慎重態度,甚至是懷疑。因此,對于化學合成相變材料在建材、建筑上的大量應用,還需要進一步從資源、環保、健康、節能效益等方面,做細致的分析、研究與評價工作,不能盲目推廣。
二、自然氣候環境與物理相變
1.         自然氣候變化規律
自然環境氣候,而且四季分明,我們把它分成春夏秋冬、二十四個節氣,如:立春、雨水、驚蟄、春分、清明、谷雨、立夏、小滿、芒種、夏至、小暑、大暑、立秋、處暑、白露、秋分、寒露、霜降、立冬、小雪、大雪、冬至、小寒、大寒。還編寫出了二十四節氣歌:“春雨驚春清谷天,夏滿芒夏暑相連 ,秋處露秋寒霜降,冬雪雪冬小大寒”。還有“夏三伏”、“冬三九”和一些關于氣候變化方面的民歌、民謠、農諺等,有其恒久不變的規律,萬物生長與存在都是遵循這些自然氣候規律,也是人類在長期的生產生活實踐、生存適應和不斷發展過程中對自然環境的領悟和知識積累,它是遠古以來人類順應自然、利用自然氣候條件的例證。
2.         自然氣候與地球環境的相變性
實際上我們地球、地球上萬物、建筑物本身、包括空氣與水、甚至于我們人體,都有相變功能,都能不斷吸收太陽輻射所產生的熱能和放熱、起到一定的自動調節環境溫度作用,每天每時刻都在不停地發揮著這樣作用,從每天二十四小時的環境溫度變化中就能夠體會和感觸到這點,夏天的清晨陽光照射地球,但卻不會覺得有多熱,是因為地球上萬物在吸收太陽的光和熱能,直到中午才慢慢飽和,達到一個較熱的峰值,人們才會感到特別炎熱,而太陽西下后,漸漸看不到太陽,環境氣溫還是熱,為什么盛夏的夜晚總是很熱,是因為地球上淺表及萬物在緩慢釋放白天所吸收太陽熱能的原因,直到接近凌晨,氣溫慢慢降下來,而到了嚴冬氣候,早上陽光明媚,卻感覺不到暖和,是因為地球上淺表及萬物在吸收太陽能量,到中午吸收達到一定飽和狀態,才會明顯感到環境有些溫暖,太陽落山,直到夜里二十三點鐘,我們感到氣溫逐漸在降低。如果沒有地球和萬物的吸熱放熱的相變調溫作用,我們的環境氣候會不可想象。任何的人工相變材料產品,不可能達到地球受溫度相變所產生能量與調溫的能力。
一、   自然氣候環境相變與生態循環

我國氣候條件分為嚴寒、寒冷、夏熱冬冷、夏熱冬暖、溫和五個自然分區,北方冷、南方熱,加上海洋氣候環境,我國的空氣很容易形成對流,這樣的氣候條件最有利于生態循環與發展,對于萬物生長、人類繁衍很有利。這點明顯優于非洲等其它國家和地區,我們的國土能養活13億人民,而且中國人很有智慧,這都是自然環境造就的。

以唯物辯證法的觀點,因為頻繁的冷熱氣候變化、甚至是異常的變化,才會產生風、云、雨、露等,是自然氣候環境的冷熱變化與地球環境的相變調溫作用,才產生了良好的自然環境的生態特性,形成可以持續性、自然循環、自我調節的自然生態環境與氣候體系。假設全球氣溫一年四季都是恒溫26℃或是28℃,沒有頻繁冷熱變化,空氣就難以流動,不能形成對流,難以產生風、云、雨、露等,世界上許多生物、包括人類就會消亡((參考文獻《現代建材及城市建設與健康和生態環境保護》www.nvrfpu.tw中國保溫建材科技網,作者: 周廣德)。因此,筆者認為,人類不可能超越自然法則,如異想去改變自然的一切,幾乎會是徒勞,必然會適得其反。

二、   自然氣候環境與健康
隨著進步與發展,人類的生活水平有了較大的改變,但自然環境和身體健康狀況卻面臨的問題卻越來越嚴重,世界各國的政治家、經濟學家不顧環境與自然,熱衷于搞經濟開發、鼓勵民眾消費、甚至是過度消耗,工業化、城市化建設,造成人口過分集中、城市擁堵、資源緊缺、氣候變暖、環境污染、耕地面積減少、糧食供應緊張、生活成本增加,引起民生問題。沒有良好的自然環境和生態循環體系,不久的將來,我們會變得越來越難以生存下去!
現在很多的墻體保溫材料和技術,存在認識上的誤區,那種不考慮自然氣候環境、節約能耗的主要根源,片面認為只要墻體穿上“棉衣”就能真正保溫和節能,墻材里有了相變材料,就可以自動調溫,達到保溫節能的理想,是無知的表現。我們不能“閉門造車”,用實驗室的數據,而脫離現實與實際,現實與實際情況是:烈日當夏,流動的空氣,清新自然流動的空氣,要比用“棉衣”隔熱,更節能、更舒服的多,而冰封的寒冬,則需要太陽光芒的照射來溫暖我們。
從理論上講,空氣的導熱系數最小,如果我們采用的保溫材料和技術阻隔了冷熱空氣,不讓空氣對流,將人與自然隔絕,我們則會因此而喪失自然能源的調溫作用,反而會增加能耗;室內空氣不能微循環,會加劇室內空氣污染,損害身體健康。
 
四、現代城市的熱島效應與環境污染問題
自然恩賜給人類一切,但我們卻沒有很好地愛惜。當今全世界面臨所有的資源、能源、環境等問題,如全球氣溫升高、雪山消融、海平面升高、有害氣體排放和水源污染、空氣污染、食物污染等,都是我們用“工廠”制造出來的,是我們過分追求工業化、城市化和侈逸生活的結果!
現代城市建筑的屋頂、墻體、地面大量使用化學合成材料,如有機化學保溫材料、各種建筑粘合劑、油漆、涂料、密封材料、防水材料等,還有大量鋼材、玻璃,石油瀝青道路等,這些材料大量吸收太陽熱能,加上汽車尾氣、人口過多等原因,導致城市產生“熱島效應”,現代城市城區,要比郊外溫度高出好幾度。
城市建筑的大量增加,尤其是特大型城市,人口密度過大,空氣、水源等環境污染加大,城市生態環境不斷惡化,這些將是未來宜居城市規劃發展的需要解決的重要問題。
 
五、建筑墻體保溫節能系統使用相變材料的幾個主要問題
材料的相變特性、調溫功能與作用是不可否認的,在某些特殊環境可以根據需要利用相變材料的吸熱、放熱、調溫作用來滿足人們對溫度的要求。但如果我們企圖把它大量用于建筑物的調溫上,不是一個簡單的問題,我們需要認真對待與研究以下問題:
1.相變材料的安全、環保、健康問題
雖然國內有采用微膠囊密封技術,但用于封裝材料與技術可行性、可靠性和環保等問題,建筑是永久性的,能否與建筑保持同等使用壽命,如果達不到這個要求,就會存在安全健康和環境污染隱患。
相變材料,特別是以石臘為主的化學合成相變材料,其遇熱、燃燒時易揮發的有害成分,對于人體危害性和對于室內空氣環境與自然環境的污染問題,特別是將這些材料用于室內環境,將會影響建筑物的呼吸透氣性和室內環境的空氣質量,其使用壽命終止后難以利用,會增加環境負荷,造成新的污染。
2.相變材料相變功能的衰減問題
建筑物保溫節能系統要求,是要求建筑保溫節能系統要與建筑物同壽命,化學合成材料的相變功能及其使用壽命是極其有限的,它無法保證長期的穩定性,達不到這個基本要求。
3.環境溫度的自然調節與相變材料
由于地球的自轉運動,太陽光照射建筑物呈規律性偏移,建筑物四個方位及屋頂受熱時間與溫度不會一致。在外部自然溫度環境條件下,悶熱的夏季,要解決由于陽光照射建筑物導致室內溫度升高,并利用流動的自然空氣來散熱降溫;而在寒冷的冬天,我們要擋寒風并保持溫度,需要溫暖的陽光透過窗戶玻璃直射到室內增加溫度,所有這些問題,我們完全能夠通過建筑設計師的智慧來達到目的,比如:北方的陰面墻體、南方的陽面墻體采用輕質保溫材料或適當增加墻體厚度,采用人字型坡屋頂,利用空氣動力學原理,設計可調節的自然新風系統或排氣窗。
可用于建筑或紡織品的相變材料雖然有一定的吸熱放熱、調溫作用,但其作用卻十分受限,因為我們所處的自然氣候環境不可能是一會兒35℃、一會兒-35℃,夏季處于長時間高溫、冬季處于長時間低溫、春秋氣候宜人,從健康與自然的角度,我們應該親近自然,不宜在建筑墻體上或生活中廣泛使用相變材料。
4.相變材料與氣候環境的溫度場問題
我國氣候復雜,規律性強,大部分地區四季分明,在最嚴寒地區冬季,處于氣溫-20℃以上的時間有好幾個月,處于這種溫度場情況下,相變材料幾乎“無熱可吸”。而在夏熱地區,處于30℃度以上氣溫的時間有好幾個月,連夜間氣溫都是零上30多度,這時,相變材料放熱就會使氣候環境更熱(大家看到的城市石油瀝青路面,它是最能吸熱放熱的相變材料,但我們的城市居民卻沒有感受到“冬天不冷,夏天不熱”的舒適,反而增加更多的毒害、空氣污染和不舒適感)。因此,建筑用相變材料的相變溫度調節,受限于環境氣候溫度,而決定相變材料的相變調溫功能,是環境溫度,而不是相變材料本身。
5.相變材料與自然氣候條件問題
人體感到舒適的自然溫度范圍是25℃左右,高于或低于這個溫度10℃以上時,人體就會以增減衣物的辦法,來保持人體溫度,基本上不用其它保溫措施,只有在環境溫度低于5℃或高于30℃時,就會對生活與居住環境有調溫和保溫要求。自然環境氣候表明,一年四季中處于極冷極熱環境氣候,主要是冬季與夏季,而春秋兩季氣候宜人,基本上不會有調溫保溫要求。也就是說一年中約有半年左右的時間,自然溫度可以滿足人們,相變材料就沒有太大調溫作用和意義。
 
六、建筑節能降耗面臨的實際問題
客觀上講,能源問題是世界面臨的重大難題,我國能源困難問題也很突出,加強資源、能源、環保、健康方面的研究與宣傳教育,鼓勵和提倡人與自然和諧共處,節約和高效利用能源,其解決問題的根本出路,還必須先從人的能耗行為上,一是處罰高能耗、限制能耗、限制能源過度消費行為,不提倡過分耗能的“溫室”生活,二是能源的高效利用,三是盡可能適應自然氣候環境變化,充分利用自然氣候環境條件,利用自然的太陽能、光能、風能、水氣能的調溫作用。
 
綜述
現代建筑和建材工業的發展,關系到我國經濟可持續發展的一個重要方面,建筑所產生的資源、能耗、環境和健康影響很大,建筑上所用的一切材料,如防水材料、保溫材料、防火材料、裝飾材料等,其技術性能的可靠性、安全環保、資源利用、經濟適用性等,促進建筑材料、建筑、自然生態環境、人居環境的和諧發展,是我們一代建材人的義不容辭的責任和光榮使命!
                                  2011年10月21日于北京通州
 

附:作者簡介

周廣德,男,北京環益美高分子聚合物研究所總工程師,從事科技工作二十余年,有多年的理論研究和豐富的實踐經驗,為上千家企業、幾百個工程項目提供過上萬次的專業技術咨詢服務,主持或參與開發新技術、新產品百余項,個人獨立技術項目有八十多個,發表專業論文40余篇,其中有四篇論文獲得優秀論文獎,有兩篇論文入編《中國現代化建設研究文庫》,有多篇論文入選論文集出版,專題技術講座200多場次。主要研究方向:高分子材料、微生物、生態建材、建筑保溫節能技術、內外墻各種膩子、干混砂漿、水基干粉涂料、生態功能性建材料、新型建筑防水材料、防火涂料、相變材料、工程技術服務、專業技術咨詢服務等。

 

工作單位:北京環益美高分子聚合物研究所

郵編及地址:101113北京市通州區張家灣鎮西

聯系電話:(010)61568560   61569859 13501258798;

網    址:www· zglsj  ·com

電子郵箱:[email protected] Zgjf·cn。

 
 
如需與本文作者交流、咨詢或需要相關技術服務,請您點擊這里留言 

 

版權所有:保溫建材科技網 Copyright © 2006  京ICP備09039437號 * [email protected]

北京时时彩彩官网下载