智能建筑材料在生态节能建筑中的应用

当前，以智能大厦和智能小区为代表的智能建筑，主要指的是利用现代先进技术对楼宇、社区进行控制、通信和管理。如智能大厦是以综合布线为基础，结合楼宇自动化系统(BA)、办公自动化系统(OA)、和综合通信系统(CA)等子系统实现现代办公和生活的理想场所。而智能小区则由小区网络通信、闭路电视监控、周界防范、可视对讲、小区一卡通、停车场管理、智能化物业管理、智能家居等子系统组成，以提供一个安全、舒适、便利的社区居住环境。
    上述传统智能化技术的应用有诸多缺点。例如，这些基于电气自动化计算机技术的系统过于复杂，维护工作量大;且存在建筑物使用周期长而智能化技术更新周期短的矛盾;据报道，许多智能化集成系统建成后利用率低，甚至是闲置不用从而不可避免地迅速贬值进而成为负担;更重要的是，过分强调现代通信电子技术的使用，带来建筑物的高能耗，直接提高了使用成本，比如北京上海一些高档写字楼，由于使用能耗过高导致出租率租金偏低。
    要实现真正意义上的智能型建筑，不仅体现在建筑内部弱电系统的应用，还应该把节能、环保、绿色、生态等发展可持续建筑的战略思想宗旨融入建筑的智能化建设中去，实现资源的有效持续利用，节能节水节地，减少废弃物，减低或消除污染，减小地球负荷，体现社会、经济、环境效益的高度统一。
    所以，智能建筑的建设不应仅局限于建筑内部子系统，还应包括能源优化系统、生态绿化系统、废弃物管理与处置系统、水热光气声环境优化系统等，充分体现建筑与周围环境的协调关系以及自身的稳定性可持续性，充分体现绿色建筑节能建筑和生态建筑的思想内容。要实现上述目标是一个复杂的系统工程，这其中，基于智能建筑材料的开发应用是非常重要的一方面。
    1、智能建筑材料
    智能材料是指模仿生命系统，能感知环境变化，并及时改变自身的性能参数，作出所期望的、能与变化后的环境相适应的复合材料或材料的复合。仿生命感觉和自我调节是智能材料的重要特征。
    智能材料在建筑中的应用广泛，结构型智能建筑材料可对建筑结构的性能进行预先的检测和预报，不仅大大减少结构维护费用，更重要的是可避免由于结构破坏而造成的严重危害。而本文讨论的功能型智能建筑材料，则主要体现出在节能环保、绿色生态等智能化建筑元素中的作用。
    以建筑中的功能元素之一湿度调节为例，若使用当前的智能建筑技术，需要通过HVAC(Heating，Ventilating，andAirConditioning)系统实现，能耗很大。而一些建筑材料本身具有调节湿度的功能，可以充分加以利用。传统材料如木材的平衡含水率、石膏的“呼吸”作用，二者都可随空气湿度的变化吸收或放出水分。新开发的某些智能材料其调湿作用更加明显，如下文讨论的调湿混凝土、相转变材料等。
    2、混凝土
    除水泥、水、砂、石及化学外加剂外的添加第六组分，不仅可以改善混凝土的使用性能，一些特殊的功能型智能型添加物以及一些特种混凝土，可提供特殊的绿色节能生态功能。
1)电磁屏蔽混凝土
    通过掺入金属粉末导电纤维等低电阻导体材料，在提高混凝土结构性能的同时，能够屏蔽和吸收电磁波，降低电磁辐射污染，提高室内电视影像和通讯质量。
    2)调湿混凝土
    通过添加关键组分纳米天然沸石粉制成，可探测室内环境温度，并根据需要进行调控，满足人的居住或美术馆等建筑对湿度的控制要求，相比较于传统的利用温度湿度传感器控制器和复杂布线系统，使用和维护成本低。
    3)透水混凝土
    具备良好的透水透气性，可增加地表透水、透气面积，调节环境温度、湿度，减少城市热岛效应，维持地下水位和植物生长。
    4)生物相容型混凝土
    利用混凝土良好的透水透气性，提供植物生长所需营养。陆地上可种植小草，形成植被混凝土，用于河川护堤的绿化美化;淡水海水中可栖息浮游动物和植物，形成淡水生物、海洋生物相容型混凝土，调节生态平衡。
    5)抗菌混凝土
    在传统混凝土中加入纳米抗菌防霉组分，使混凝土具有抑制霉菌生长和灭菌效果，
    6)净水生态混凝土
    将高活性净水组分与多孔混凝土复合，提高吸附能力，使混凝土具有净化水质功能和适应生物生息场所及自然景观效果，用于淡水资源净化和海水净化。
    7)净化空气混凝土
    在砂浆和混凝土中添加纳米二氧化钛等光催化剂，制成光催化混凝土，分解去除空气中的二氧化硫、氮氧化物等对人体有害的污染气体。另外还有物理吸附、化学吸附、离子交换和稀土激活等空气净化形式，可起到有效净化甲醛、苯等室内有毒挥发物，减少二氧化碳浓度等作用。
    8)再生混凝土
    将废弃混凝土经过处理，部分或全部代替天然骨料而配制的新混凝土，减少城市垃圾，节约资源。
    9)温度自监控混凝土
    通过掺入适量的短切碳纤维到水泥基材料中，使混凝土产生热电效应，实现对建筑物内部和周围环境温度变化的实时测量。此外尚存在通过水泥基复合材料的热电效应利用太阳能和室内外温差为建筑物提供电能的可能性。
    10)绿色高性能混凝土
    在混凝土的生产使用过程中，除了获得高技术性能外，还综合体现出节约能源资源，不破坏环境的宗旨。在概念上，绿色混凝土重点在于对环境无害，而生态混凝土强调的是直接有益于环境。
    11)绿色生态水泥
    在水泥的生产过程中，通过改进生产工艺、更新设备、充分使用工业废料等手段，体现出节能、利废、保护环境的宗旨。
    3、涂料
    自然界中的微生物环境给人类健康带来的隐患和威胁不容忽视，据WHO的统计数字显示仅1995年因细菌传染造成死亡的人数就达1700万，前几年出现的SARS病毒使人们更加重视保健抗菌材料。
    纳米材料因近似大分子水平的粒径，具有大比表面积高表面活性，故化学催化和光催化能力强。以混凝土、涂料、玻璃、陶瓷、砖、板材或其它应用形式出现的纳米建材，可具备同时憎水憎油特性，将抗菌成份银、铜等离子及其化合物结合与其中，使其依靠自身能量激活水氧产生活性，使材料表面具有自清洁防污、防霉、防毒、防雾防露、抗菌、净化环境等功能。纳米技术的发展为人们设计功能复合建筑材料提供了广阔的空间，以下介绍几种典型的应用形式。
1)室外净化空气涂料
    外墙涂料在阳光下爆晒后激活其中的光催化剂捕捉空气污染物，由于表面不易产生静电作用，抗污性好，易清洁，雨水也能够将被吸收的污染物冲刷。这类涂料在国外已进入实用阶段，如意大利Ecopaint产品，据称在5年使用周期内可大量吸收汽车尾气和有毒烟雾等有害气体。此类涂料的净化原理之一是涂料中的二氧化钛和碳酸钙球形粒子与多孔硅酮材料混合，通过紫外线把大气中的氮氧化物和硫氧化物等转变成硝酸和硫酸，从而被冲刷或中和。
    2)室内环境净化涂料
    添加稀土激活无机抗菌净化材料，能够较好地净化VOC、NOx、NH3等室内环境污染气体，其净化原理与室外涂料类似;同时，在光催化反应过程中生成的自由基和超氧化物，能够有效分解有机物，从而起到杀菌作用;此外，利用表面二氧化钛的超亲水效应，使表面去污方便快捷。为充分发挥上述自清洁效果，也可把纳米成份用于瓷砖表面，使用在室内厨房、卫生间或内墙等部位;或用于玻璃表面，使用在汽车、建筑的采光玻璃上，使清洗变得容易。
    3)智能乳胶漆
    在组分中加入“可逆变光剂”、“复合高分子稳定剂”等符合材料，使产品可自动调节光亮度自动适应环境。
    4)负离子功能涂料
    增加室内空气中负离子浓度，产生具有森林功能的效果，吸收二氧化碳及有害气体，抑菌除臭。
    5)阻热防水涂料
    其关键组分是有无数闭合腔体的微泡玻璃球，当用于金属表面时，可堵漏隔热防锈。当用于沥青表面时，可反射几乎全部的太阳能量，且增强沥青的抗老化性能。用于刚性防水屋面也能发挥极佳的防水隔热效果。此类产品当前有美国专利索士兰防水涂料、台湾快意断热胶等。
    6)露珠仙外墙涂料
    仿生荷叶叶面微结构，利用荷叶效应产生自清洁效果，让尘埃易随雨水清除，同时抑制菌类藻类繁殖，并具有防水防紫外线、透气耐侯性好等特点。
    4、玻璃
    玻璃作为建筑采光材料具有不可替代性，玻璃及其深加工制品作为装饰装修材料的应用面正在逐年扩大，利用玻璃材料独具的光电特性制造的多功能材料将会在节能绿色建筑中扮演重要角色。除了传统的节能玻璃制作工艺如中空玻璃、吸热玻璃和热反射玻璃以外，近年来出现了很多的新技术新产品。
    低辐射(Low－E)玻璃:附加一层金属氧化膜，可通过太阳辐射中的可见光，阻隔占太阳辐射能量49%的红外频谱部分，与普通透明玻璃相比，它可以反射40%～70%的热辐射，但只遮挡20%的可见光，与普通玻璃配合使用，组成双层中空窗，有很好的保温隔热节能效果。同时由于对可见光的反射率低，用于玻璃幕墙减低反射光引起的光污染。
    智能玻璃:玻璃在不同太阳辐射作用下，能够根据需要改变遮阳系数，从而减少日射得热。根据变色原理，可分成以下几种。
    1)光致变色玻璃利用金属卤化物或光学变色塑料，当阳光中的紫外线越强，变色材料越暗，减少可见光通过、吸收热辐射。
    2)热变色玻璃热变色材料会随着温度变化而改变其光学特性，受热引起化学反应或材料的相变，从而改变颜色，使太阳辐射被散射或被吸收。如在双层玻璃夹层中含有一层水溶性聚合纤维，由聚合物分子受热产生定向排列使透明度改变。
    3)液晶玻璃分散液晶在电场作用下产生定向排列，改变透明度。如其中的针状液晶通电时晶体水平排列，玻璃变透明，断电时晶体竖直排列，玻璃吸收散射太阳辐射。
    4)电致变色玻璃通过低压直流电的驱动，使电变色材料(如W03)变暗，能够根据需要连续调光，同时能消除日照中99%的紫外线。
    5)电泳玻璃双层玻璃面上有透明的导电涂层，中间充满悬浮液，当通电时，悬浮液中的黑色针状悬浮颗粒产生定向排列，改变透明度，根据电压大小也可连续调光。
    上述各种智能玻璃的应用多侧重于减少太阳能对室内的热辐射，若从相反的能源利用的角度出发，可使用德弗恩霍夫太阳能研究所发明的一种透光隔热材料，将阳光转变为热能，通过窗体导入室内，同时又能保护室内热量不向外散发，可有效节约冬季取暖能耗。
    日本日前开发一种镶有发热玻璃的窗户叫“窗暖”，是在玻璃中熔入导电金属元素，通入小功率电流使玻璃发热，可防止冬季结霜，消除室内空气因受冷而向下流动，夏季阻挡红外线等。
    5、其它
    1)环保砖一种使用形式是利用自身多孔结构和表面涂覆材料，有效吸收汽车尾气和一氧化碳等有害气体;另有一种“烧结型透水保湿路面砖”，用工业废料制成，具有良好的透水透气性，实现环保加生态的双重效果。
    2)碳纤维电热板材在吊顶板、墙板、地板或其它装饰板制作中加入碳纤维，通电辐射供暖，热效率高近100%，安全节能无污染，方便操作，散热均匀，温度可自由调节，是一种典型的智能化多功能板材。
    3)智能毯用柔性聚酯膜材料做基层，上面喷涂照明、供暖、能量存储、信息显示等微元素粒子，利用有机光电太阳能电池供电，制成电子墙壁，提供变换多姿的装饰效果，其中的相转变材料可在白天蓄热，晚上供热。
    4)功能型高晶板材传统的石膏板具有保温隔热装饰性好等诸多优良的功能特点，以及特殊的“呼吸”作用，即可以调节室内的空气湿度，在此基础上，在基本材料中加入富含银离子的纳米无机抗菌材料，或掺入负离子经化学反应增加空气负离子浓度，可起到杀菌抑菌除臭作用，有效用作内墙板、吊顶板、防火面板等。
5)太阳能转换材料太阳能利用是智能建筑的重要内容，除了传统的光-热转换，用光-电转换材料将太阳能直接转换为电能的太阳能瓦，将太阳能电池与与建筑材料构件融为一体，体现太阳能与建筑的完美融合。此外，以可见光作光源，以聚合物光纤作转换材料实现光-光转换的光纤照明技术，可有效克服当前传统照明技术的耗能、辐射、易损、污染等缺点，应用前景广阔。
    6)TIM材料一种半透明绝热塑料(Transpar2entInsulatedMaterial)，用保护玻璃、遮阳卷帘、TIM层、空气层、吸热面层、结构层等制成复合透明隔热外墙，拓展了传统复合墙体的保温隔热功能，兼有采光隔热吸热流通空气等作用。
    7)相转变材料(PhaseChangeMaterial，PCM)是利用相变过程中吸收或释放的热量来进行潜热储能的物质，具有储能密度大、效率高以及近似恒定温度下吸热与放热等优点，可用于储能和温度控制，在太阳能利用、废热回收、空调建筑物、调温调湿、保温材料等方面用途广泛。若作为开发智能建筑材料的功能元素，是一种很有前途的节能材料。
    PCM可与多种基本建筑材料结合，发展多种应用形式。例如可用于改善室内温度稳定性及空调系统工况的平稳性，从而提高热舒适性、节省能源;也可用于混凝土中制成具有温度自动控制和自动调节功能的智能混凝土;还可用于防止道路、桥梁、飞机跑道等在冬夜结冰。如已开发的PCM恒温智能墙体材料和恒温智能水泥砂浆，能够提高墙体蓄热能力，增强夏季隔热和冬季保温效果。清华大学研制的超低能耗示范楼中围护结构采用PCM作蓄热体，在冬季白天储存由玻璃幕墙或窗户进入室内的太阳辐射热，晚上向室内散发，使室内温度波动不超过6摄氏度。
    6、结语
    随着时代的发展，建筑物的智能化建设会愈加深入，智能建筑的内容与涵义随着科技的发展不断延伸，其功能也在不断扩展，以满足人们日益增长的各种需要。具有关预测表明，在本世纪中叶，建筑业将步入高科技建材时期，以聚合混凝土和强化塑料为代表的新型建材成为主流。当前，智能建筑材料已由设计阶段进入试验、实验、实用阶段，将各类智能材料有机组合在建筑物结构中，构建起一个个具有生命特征的建筑物，会成为未来智能建筑的重要内容。

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