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相变材?#31995;?#28201;作用及相关研究

周广德北京环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?#31995;?#30456;变温度调节受限于环境气候温度而决定相变材?#31995;?#30456;变调温功能是环境温度而不是相变材料本身研究建筑与相变物质及环境气候可以加深我们对相变材?#31995;?#24615;能作用与价值的认识和理解

 关键词   相变材料    相变保温材料  

 前言

世界上任?#25105;?#31181;物质对温度变化?#21152;?#21453;应遇热遇冷后会吸热放热并发生形态变化甚至?#22681;?#26500;与性能变化这种变化每时每刻都在进行着我们所处的地球环境和万物也是如此
材料对温度变化的反应在科学与客观上是不可否?#31995;ġ?#22914;果将一些化学合成的可以起相变调温作用的材料或技术大量地用于建筑墙体其实际意义并不会很大
本文客观地从建筑材料居住建筑自?#40644;?#20505;环境环保与健康等角度来讨论相变材料应用?#31995;?#19968;些问题因学识有限如有不正之处诚请业内行家批评指正 

 

一常用相变材?#31995;?#30456;变温度与相变能及其应用

 样品名称               相变温度             相变能KJ/Kg

  水                   0                          333.6

 石蜡                  1224                     200300

  十二醇               1724                          188

  十八烷               2227                      205

 硬酯酸丁酯            1823                          140

 硬脂酸甲酯            2327                          188

 棕榈酸丙酯            1619                       186

棕榈酸丁酯                 1721                      138
从上表中可以看出水由液相变成固相的潜热值是比较高的俗?#20843;?#20912;冻三尺非一日之寒?#20445;?#20063;是人类最早利用的相变调温材料之一自然界中一切?#34892;?#30340;材料或物体受热遇冷后都会不同程度地吸收热量与释放热量并产生相变反应如热胀冷缩等

我国数百年前就有利用相变材料储冰的技术约三千年前的诗经中就记载有二之日凿冰冲冲三之日纳于凌阴四之日其蚤献羔?#29702;?#30340;诗句是说远在周朝?#20445;?#20154;们于腊月采冰正月往冰窖存冰二月取出冰来冰镇着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个地点共建有冰窖18座年储冰量约20万块以上每块冰一尺五寸见方重量约80公斤每年冬至后半个月开始在故宫护城河北海御河等处采冰储于冰窖里以供夏天冰镇食品冷饮防暑降温之用

八十年代北京街?#26041;?#21334;的冰镇汽水就是用从冰窖取来的冰块冰凉的?#25910;?#20110;九十年代初的寒冬时节曾目睹过当地?#29992;?#20174;湖中大量取冰藏于就近的地下土窖中的情景地点就是现在的北京朝阳公园西面后?#20174;?#20110;电冰箱问世这种古?#31995;?#21150;法才渐渐失传了
相变材料特别是人工化学合成固液型液固型固固型相变材料及封装技术在国内外早就有很多人从事研究我国的清华大学武汉理工大学中国建筑材料科学研究总院中国纺织科学研究院等单位的一些科技人员都做过相关研究关于研究方面的文献也有很多在国外如美国在八十年代就将相变材料用于建材制品试验直?#36739;?#22312;近三十年过去了却并没有在建材领域或建筑上全面推广
由于大量使用相变材料可能引起的?#35797;A?#29615;保健康等问题国际社会是非常谨慎的很多国家和地区?#21152;?#30001;政府资助的相关课题研究小组我国部分城市的政府主管部门科研技术人员也开始对用于建筑的可调温相变材?#31995;?#24212;用持慎重态度甚至是怀疑因此对于化学合成相变材料在建材建筑?#31995;?#22823;量应用还需要进一步从?#35797;A?#29615;保健康节能效益等方面做细致的分析研究与评价工作不能盲?#23458;?#24191;
二自?#40644;?#20505;环境与物理相变
1         自?#40644;?#20505;变化规律
自然环境气候而且四季分明我们把它分成?#21512;?#31179;冬二十四个节气如立春雨水惊蛰春分清明谷雨立夏小满芒种夏至小暑大暑立秋处暑白?#19969;?#31179;分寒?#19969;?#38684;降立冬小雪大雪冬至小寒大寒还编写出了二十四节气歌?#27827;?#24778;春清谷天夏满芒夏暑相连 秋处露秋寒霜降冬雪雪冬小大寒还有夏三伏冬三九和一些关于气候变化方面的民歌民谣农谚等有其恒久不变的规律万物生长与存在?#38469;?#36981;循这些自?#40644;?#20505;规律也是人类在长期的生产生活实践生存适应和不断发展过程中对自然环境的领悟和知识积累它是远古以来人类顺应自然利用自?#40644;?#20505;条件的例证
2         自?#40644;?#20505;与地球环境的相变性
实际上我们地球地球上万物建筑物本身包括空气与水甚至于我们人体?#21152;?#30456;变功能都能不断吸收太阳辐射所产生的热能和放热起到一定的自动调节环境温度作用每天每时刻都在不停地发挥着这样作用?#29992;刻?#20108;十四小时的环境温度变化中就能够体会和?#20889;?#21040;这点夏天的清晨阳光照射地球但却不会觉得有多热是因为地球上万物在吸收太阳的光和热能直到中午才慢慢饱和达到一个较热的峰值人们才会感到特别炎热而太阳西下后渐渐看不到太阳环境气温还是热为什?#35789;?#22799;的夜晚总是很热是因为地球上浅表及万物在缓慢释放白天所吸收太阳热能的原因直到接近凌晨气温慢慢降下来而到了严冬气候早上阳光明媚却感觉不到暖和是因为地球上浅表及万物在吸收太阳能量到中午吸收达到一定饱和状态才会明显感到环境?#34892;?#28201;暖太阳落山直到夜里二十三点钟我们感到气温逐渐在降低如果没有地球和万物的吸热放热的相变调温作用我们的环境气候会不可想象任何的人工相变材料产品不可能达到地球受温度相变所产生能量与调温的能力
一   自?#40644;?#20505;环境相变与生态循环

我国气候条件分为严寒寒冷夏热冬冷夏热冬暖温和五个自?#29615;?#21306;北方冷南方热加上海洋气候环境我国的空气很容易形成对流这样的气候条件最有利于生态循环与发展对于万物生长人类繁衍很有利这点明显优于非洲等其它国家和地区我们的国土能养活13亿人民而且中国人很有智慧这?#38469;?#33258;然环境造就的

以唯物辩证法的观点因为频繁的冷热气候变化甚至是异常的变化才会产生风云雨露等是自?#40644;?#20505;环境的冷热变化与地球环境的相变调温作用才产生了良好的自然环境的生态特性形成可以?#20013;?#24615;自然循环自?#19994;?#33410;的自然生态环境与气候体系假设全球气温一年四季?#38469;?#24658;温26或是28棬没有频繁冷热变化空气就难以流动不能形成对流难以产生风云雨露等世界上许多生物包括人类就会消亡(参考文?#20303;?#29616;代建材及城市建设与健康和生态环境保护www.klhac.club中国保温建材科技网,作者: 周广德)因此?#25910;?#35748;为人类不可能超越自?#29615;?#21017;如异想去改变自然的一切几乎会是徒?#20572;?#24517;然会?#23454;?#20854;反

二   自?#40644;?#20505;环境与健康
随着进?#25509;?#21457;展人类的生活水?#25509;?#20102;较大的改变但自然环境和身体健康状况却面临的问题却越来?#31382;?#37325;世界各国的政治家经济学家不顾环境与自然热衷于搞经?#27599;?#21457;鼓励民众消费甚至是过度消耗工业化城市化建设造成人口过分集中城市拥堵?#35797;?#32039;缺气候变暖环境污染耕地面积减少粮食供应紧张生活成本增加引起民生问题没有良好的自然环境和生态循环体系不久的将来我们会变得越来越难以生存下去
现在很多的墙体保温材料和技术存在认识?#31995;?#35823;区那种不考虑自?#40644;?#20505;环境节约能耗的主要根源片面认为只要墙体穿上棉衣?#26412;?#33021;真正保温和节能墙材里有了相变材料就可以自动调温达到保温节能的理想是无知的表现我们不能闭门造车?#20445;?#29992;实验?#19994;?#25968;据而脱离现实与实际现实与实际情况是烈日当夏流动的空气清新自然流动的空气要比用棉衣隔热更节能更舒服的多而冰封的寒冬则需要太阳光芒的照射来温暖我们
从理论上讲空气的导热系数最小如果我们采用的保温材料和技术阻隔了冷热空气不让空气对流将人与自然隔绝我们则会因此而丧失自然能源的调温作用反而会增加能耗室内空气不能微循环会加剧室内空气污染损害身体健康
 
四现代城市的热岛效应与环境污染问题
自然恩赐给人类一切但我们却没有很好地爱惜当今全世界面临所有的?#35797;A?#33021;源环境等问题如全球气温升高雪?#36739;?#34701;海平面升高有害气体排放和水源污染空气污染食物污染等?#38469;?#25105;们用工厂制造出来的是我们过分追求工业化城市化和侈逸生活的结果
现代城市建筑的屋顶墙体地面大量使用化学合成材料如有机化学保温材料各种建筑粘合剂?#25512;?#28034;料密封材料防水材?#31995;x?#36824;有大量钢材玻璃石?#22303;?#38738;道路等这些材料大量吸收太阳热能加上汽车尾气人口过多等原因导致城市产生热岛效应?#20445;?#29616;代城市城区要比郊外温度高出好几度
城市建筑的大量增加尤其是特大型城市人口密度过大空气水源等环境污染加大城市生态环境不断恶化这些将是未来宜居城市规划发展的需要解决的重要问题
 
五建筑墙体保温节能系统使用相变材?#31995;?#20960;个主要问题
材?#31995;?#30456;变特性调温功能与作用是不可否?#31995;ģ?#22312;某些特殊环境可以根据需要利用相变材?#31995;?#21560;热放热调温作用来满足人们对温度的要求但如果我们企?#21450;?#23427;大量用于建筑物的调温上不是一个简单的问题我们需要认真对待与研究以下问题
1相变材?#31995;?#23433;全环保健康问题
虽然国内有采用微胶囊密封技术但用于封装材料与技术可行性可靠性和环保等问题建筑是永久性的能否与建筑保持同等使用寿命如果达不到这个要求就会存在安全健康和环境污染隐患
相变材料特别是以石腊为主的化学合成相变材料其遇热燃烧时易挥发的有害成分对于人体危害性和对于室内空气环境与自然环境的污染问题特别?#22681;?#36825;些材料用于室内环境将会影响建筑物的呼吸透气性和室内环境的空气质量其使用寿命终?#36141;?#38590;以利用会增加环境?#27721;ɣ?#36896;成新的污染
2相变材料相变功能的衰减问题
建筑物保温节能系统要求是要求建筑保温节能系统要与建筑物同寿命化学合成材?#31995;?#30456;变功能及其使用寿命是极其有限的它无法保证长期的稳定性达不到这个基本要求
3环境温度的自然调节与相变材料
由于地球的自转运动太阳光照射建筑物?#20351;?#24459;性偏移建筑物四个方位及屋顶受热时间与温度不会一致在外部自然温度环境条件下闷热的夏季要解决由于阳光照射建筑物导致室内温度升高并利用流动的自然空气来散热降温而在寒冷的冬天我们要挡寒风并保持温度需要温暖的阳光透过窗户玻璃直射到室内增加温度所有这些问题我们完全能够通过建筑设计师的智慧来达到目的?#28909;?#21271;方的阴面墙体南方的阳面墙体采用轻质保温材料或?#23454;?#22686;加墙体厚度采用?#20439;?#22411;坡屋顶利用空气动力学原理设计可调节的自然新风系统或排气窗
可用于建筑或纺织品的相变材料虽然有一定的吸热放热调温作用但其作用?#35789;?#20998;受限因为我们所处的自?#40644;?#20505;环境不可能是一会儿35桢一会儿-35棬夏季处于长时间高温冬季处于长时间低温春秋气候宜人从健康与自然的角度我们应?#20204;?#36817;自然不宜在建筑墙体上或生活中广泛使用相变材料
4相变材料与气候环境的温度场问题
我国气候复杂规律性强大部分地区四季分明在最严寒地区冬季处于气温-20以?#31995;?#26102;间有好几个月处于这种温度场情况下相变材料几乎无热可吸而在夏热地区处于30度以上气温的时间有好几个月连夜间气温?#38469;?#38646;上30多度这?#20445;?#30456;变材料放热就会使气候环境更热大家看到的城市石?#22303;?#38738;路面它是最能吸热放热的相变材料但我们的城市?#29992;?#21364;没有感受?#20581;?#20908;天不冷夏天不热的舒适反而增加更多的毒害空气污染和不舒适感因此建筑用相变材?#31995;?#30456;变温度调节受限于环境气候温度而决定相变材?#31995;?#30456;变调温功能是环境温度而不是相变材料本身
5相变材料与自?#40644;?#20505;条件问题
人体感到舒?#23454;?#33258;然温度范围是25左右高于或低于这个温度10以上?#20445;?#20154;体就会以增减衣物的办法来保持人体温度基本上不用其它保温措施只有在环境温度低于5或高于30?#20445;?#23601;会对生活与居住环境有调温和保温要求自然环境气候表明一年四季中处于极冷极热环境气候主要是冬季与夏季而春秋两季气候宜人基本上不会有调温保温要求也就是说一年中?#21152;?#21322;年左?#19994;?#26102;间自然温度可以满足人们相变材料就没有太大调温作用和意义
 
六建筑节能降耗面临的实际问题
客观上讲能源问题是世界面临的重大难题我国能源困难问题也很突出加强?#35797;A?#33021;源环保健康方面的研究与宣传教育鼓励和提倡人与自然和谐共处节约和高效利用能源其解决问题的根?#22659;?#36335;还必须先从人的能耗行为上一是处罚高能耗限制能耗限制能源过度消费行为不提倡过分耗能的温室生活二是能源的高效利用三是尽可能适应自?#40644;?#20505;环境变化充分利用自?#40644;?#20505;环境条件利用自然的太阳能光能风能水气能的调温作用
 
综述
现代建筑和建材工业的发展关系到我国经济可?#20013;?#21457;展的一个重要方面建筑所产生的?#35797;A?#33021;耗环境和健康影响很大建筑上所用的一切材料如防水材料保温材料防火材料装饰材?#31995;x?#20854;技术性能的可靠性安全环保?#35797;?#21033;用经济适用性等促进建筑材料建筑自然生态环境人居环境的和谐发展是我们一代建材人的义不容辞的责任和光荣使命
                                  2011年10月21日于北京通州
 

附作者简介

周广德男北京环益美高分子聚合物研究所总工程师从事科技工作二十余年有多年的理论研究和丰富的实践经验为上千家企业几百个工程项?#21051;?#20379;过上万次的专业技术咨询服务主持或参与开发新技术新产品百余项个人独立技术项目有八十多个发表专业论文余篇其中有四篇论文获得优秀论文?#20445;?#26377;两篇论文入编中国现代化建设研究文库?#32602;?#26377;多篇论文入选论文集出版专题技术讲座2多场次主要研究?#36739;}?#39640;分子材料微生物生态建材建筑保温节能技术内外墙各种腻子干混砂浆水基干粉涂料生态功能性建材料新型建筑防水材料防火涂料相变材料工程技术服务专业技术咨询服务等

 

工作单位北京环益美高分子聚合物研究所

?#26102;?#21450;地?#32602;?01113北京?#22411;?#24030;区张家湾镇西

联系电话?#28023;?1061568560  6156985913501258798

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