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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;摹?#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                  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

 棕榈酸丙酯            16~19                       186

棕榈酸丁酯                 17~21                      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;怠?#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;儭?#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;礎?#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;礎?#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℃,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;礎?#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;帷?#28034;料、密封材料、防水材?#31995;齲?#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;模?#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;桑?#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;紓?#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℃、一会儿-35℃,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;礎?#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;礎?#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;齲?#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40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200多场次。主要研究?#36739;潁?#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;?10)61568560   61569859 13501258798;

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