相變材料調(diào)溫作用及相關(guān)研究

周廣德（北京環(huán)益美高分子聚合物研究所，北京101113）

世界上任何一種物質(zhì)，對(duì)溫度變化都有反應(yīng)，遇熱遇冷后，會(huì)吸熱放熱并發(fā)生形態(tài)變化，甚至是結(jié)構(gòu)與性能變化，這種變化每時(shí)每刻都在進(jìn)行著，我們所處的地球環(huán)境和萬(wàn)物也是如此。

材料對(duì)溫度變化的反應(yīng)，在科學(xué)與客觀上，是不可否認(rèn)的。如果將一些化學(xué)合成的可以起相變調(diào)溫作用的材料或技術(shù)，大量地用于建筑墻體，其實(shí)際意義并不會(huì)很大。

本文客觀地從建筑材料、居住建筑、自然氣候環(huán)境、環(huán)保與健康等角度來(lái)討論相變材料應(yīng)用上的一些問(wèn)題，因?qū)W識(shí)有限，如有不正之處，誠(chéng)請(qǐng)業(yè)內(nèi)行家批評(píng)指正。

1 常用相變材料的相變溫度與相變能及其應(yīng)用

從表1中可以看出，水由液相變成固相的潛熱值是比較高的，自然界中一切有形的材料或物體，受熱遇冷后，都會(huì)不同程度地吸收熱量與釋放熱量，并產(chǎn)生相變反應(yīng)（如熱脹冷縮等）。

表1 常用相變材料的相變溫度與相變能

我國(guó)數(shù)百年前就有利用相變材料—儲(chǔ)冰的技術(shù)，約三千年前的《詩(shī)經(jīng)》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(xiàn)羔祭韮”的詩(shī)句，是說(shuō)遠(yuǎn)在周朝時(shí)，人們于臘月采冰，正月往冰窖存冰，二月取出冰來(lái)，冰鎮(zhèn)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4個(gè)地點(diǎn)，共建有冰窖18座，年儲(chǔ)冰量約20萬(wàn)塊以上（每塊冰一尺五寸見(jiàn)方，重量約80公斤）。每年冬至后半個(gè)月開(kāi)始在故宮護(hù)城河、北海、御河等處采冰，儲(chǔ)于冰窖里，以供夏天冰鎮(zhèn)食品、冷飲、防暑降溫之用。

80年代，北京街頭叫賣的冰鎮(zhèn)汽水，就是用從冰窖取來(lái)的冰塊冰涼的，筆者于90年代初的寒冬時(shí)節(jié)，曾目睹過(guò)當(dāng)?shù)鼐用駨暮写罅咳”赜诰徒牡叵峦两阎械那榫?，（地點(diǎn)就是現(xiàn)在的北京朝陽(yáng)公園西面），后來(lái)由于電冰箱問(wèn)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(xué)合成固液型、液固型、固固型相變材料及封裝技術(shù)，在國(guó)內(nèi)外早就有很多人從事研究，我國(guó)的清華大學(xué)、武漢理工大學(xué)、中國(guó)建筑材料科學(xué)研究總院、中國(guó)紡織科學(xué)研究院等單位的一些科技人員都做過(guò)相關(guān)研究，關(guān)于研究方面的文獻(xiàn)也有很多。在國(guó)外，如美國(guó)在80年代就將相變材料用于建材制品試驗(yàn)，直到現(xiàn)在近30年過(guò)去了，卻并沒(méi)有在建材領(lǐng)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(huán)保、健康等問(wèn)題，國(guó)際社會(huì)是非常謹(jǐn)慎的，很多國(guó)家和地區(qū)都有由政府資助的相關(guān)課題研究小組。我國(guó)部分城市的政府主管部門(mén)、科研技術(shù)人員也開(kāi)始對(duì)用于建筑的可調(diào)溫相變材料的應(yīng)用，持慎重態(tài)度，甚至是懷疑。因此，對(duì)于化學(xué)合成相變材料在建材、建筑上的大量應(yīng)用，還需要進(jìn)一步從資源、環(huán)保、健康、節(jié)能效益等方面，做細(xì)致的分析、研究與評(píng)價(jià)工作，不能盲目推廣。

2 自然氣候環(huán)境與物理相變

2.1 自然氣候變化規(guī)律

春夏秋冬、24個(gè)節(jié)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(xiě)出了二十四節(jié)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(guān)于氣候變化方面的民歌、民謠、農(nóng)諺等，有其恒久不變的規(guī)律，萬(wàn)物生長(zhǎng)與存在都是遵循這些自然氣候規(guī)律，也是人類在長(zhǎng)期的生產(chǎn)生活實(shí)踐、生存適應(yīng)和不斷發(fā)展過(guò)程中對(duì)自然環(huán)境的領(lǐng)悟和知識(shí)積累，它是遠(yuǎn)古以來(lái)人類順應(yīng)自然、利用自然氣候條件的例證。

2.2 自然氣候與地球環(huán)境的相變性

實(shí)際上地球、地球上萬(wàn)物、建筑物本身、包括空氣與水、甚至于我們?nèi)梭w，都有相變功能，都能不斷吸收太陽(yáng)輻射所產(chǎn)生的熱能和放熱、起到一定的自動(dòng)調(diào)節(jié)環(huán)境溫度作用，每天每時(shí)刻都在不停地發(fā)揮著這樣作用，從每天二十四小時(shí)的環(huán)境溫度變化中就能夠體會(huì)和感觸到這點(diǎn)，夏天的清晨陽(yáng)光照射地球，但卻不會(huì)覺(jué)得有多熱，是因?yàn)榈厍蛏先f(wàn)物在吸收太陽(yáng)的光和熱能，直到中午才慢慢飽和，達(dá)到一個(gè)較熱的峰值，人們才會(huì)感到特別炎熱，而太陽(yáng)西下后，漸漸看不到太陽(yáng)，環(huán)境氣溫還是熱，為什么盛夏的夜晚總是很熱，是因?yàn)榈厍蛏蠝\表及萬(wàn)物在緩慢釋放白天所吸收太陽(yáng)熱能的原因，直到接近凌晨，氣溫慢慢降下來(lái)，而到了嚴(yán)冬氣候，早上陽(yáng)光明媚，卻感覺(jué)不到暖和，是因?yàn)榈厍蛏蠝\表及萬(wàn)物在吸收太陽(yáng)能量，到中午吸收達(dá)到一定飽和狀態(tài)，才會(huì)明顯感到環(huán)境有些溫暖，太陽(yáng)落山，直到夜里二十三點(diǎn)鐘，我們感到氣溫逐漸在降低。如果沒(méi)有地球和萬(wàn)物的吸熱放熱的相變調(diào)溫作用，我們的環(huán)境氣候會(huì)不可想象。任何的人工相變材料產(chǎn)品，不可能達(dá)到地球受溫度相變所產(chǎn)生能量與調(diào)溫的能力。

3 自然氣候環(huán)境與生態(tài)循環(huán)和健康

3.1 自然氣候環(huán)境與生態(tài)循環(huán)

我國(guó)氣候條件分為嚴(yán)寒、寒冷、夏熱冬冷、夏熱冬暖、溫和五個(gè)自然分區(qū)，北方冷、南方熱，加上海洋氣候環(huán)境，我國(guó)的空氣很容易形成對(duì)流，這樣的氣候條件最有利于生態(tài)循環(huán)與發(fā)展，對(duì)于萬(wàn)物生長(zhǎng)、人類繁衍很有利。這點(diǎn)明顯優(yōu)于非洲等其它國(guó)家和地區(qū)，我們的國(guó)土能養(yǎng)活13億人民，而且中國(guó)人很有智慧，這都是自然環(huán)境造就的。

以唯物辯證法的觀點(diǎn)，因?yàn)轭l繁的冷熱氣候變化、甚至是異常的變化，才會(huì)產(chǎn)生風(fēng)、云、雨、露等，是自然氣候環(huán)境的冷熱變化與地球環(huán)境的相變調(diào)溫作用，才產(chǎn)生了良好的自然環(huán)境的生態(tài)特性，形成可以持續(xù)性、自然循環(huán)、自我調(diào)節(jié)的自然生態(tài)環(huán)境與氣候體系。假設(shè)全球氣溫一年四季都是恒溫26℃或是28℃，沒(méi)有頻繁冷熱變化，空氣就難以流動(dòng)，不能形成對(duì)流，難以產(chǎn)生風(fēng)、云、雨、露等，世界上許多生物包括人類就會(huì)消亡，筆者認(rèn)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(huì)是徒勞，必然會(huì)適得其反。

3.2 自然氣候環(huán)境與健康

隨著進(jìn)步與發(fā)展，人類的生活水平有了較大的改變，但自然環(huán)境和身體健康狀況面臨的問(wèn)題卻越來(lái)越嚴(yán)重，世界各國(guó)的政治家、經(jīng)濟(jì)學(xué)家不顧環(huán)境與自然，熱衷于搞經(jīng)濟(jì)開(kāi)發(fā)、鼓勵(lì)民眾消費(fèi)、甚至是過(guò)度消耗，工業(yè)化、城市化建設(shè)，造成人口過(guò)分集中、城市擁堵、資源緊缺、氣候變暖、環(huán)境污染、耕地面積減少、糧食供應(yīng)緊張、生活成本增加，引起民生問(wèn)題。沒(méi)有良好的自然環(huán)境和生態(tài)循環(huán)體系，不久的將來(lái)，我們會(huì)變得越來(lái)越難以生存下去。

現(xiàn)在很多的墻體保溫材料和技術(shù)，存在認(rèn)識(shí)上的誤區(qū)，不考慮自然氣候環(huán)境、節(jié)約能耗的主要根源，片面認(rèn)為只要墻體穿上“棉衣”就能真正保溫和節(jié)能。墻材里有了相變材料，就可以自動(dòng)調(diào)溫，達(dá)到保溫節(jié)能的理想，是無(wú)知的表現(xiàn)。我們不能“閉門(mén)造車”，用實(shí)驗(yàn)室的數(shù)據(jù)，而脫離現(xiàn)實(shí)與實(shí)際，現(xiàn)實(shí)與實(shí)際情況是：烈日當(dāng)夏，流動(dòng)的空氣，清新自然流動(dòng)的空氣，要比用“棉衣”隔熱，更節(jié)能、更舒服的多，而冰封的寒冬，則需要太陽(yáng)光芒的照射來(lái)溫暖我們。

從理論上講，空氣的導(dǎo)熱系數(shù)最小，如果我們采用的保溫材料和技術(shù)阻隔了冷熱空氣，不讓空氣對(duì)流，將人與自然隔絕，則會(huì)因此而喪失自然能源的調(diào)溫作用，反而會(huì)增加能耗；室內(nèi)空氣不能微循環(huán)，會(huì)加劇室內(nèi)空氣污染，損害身體健康。

4 現(xiàn)代城市的熱島效應(yīng)與環(huán)境污染問(wèn)題

自然恩賜給人類一切，但我們卻沒(méi)有很好地愛(ài)惜。當(dāng)今全世界面臨所有的資源、能源、環(huán)境等問(wèn)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(lái)的，是我們過(guò)分追求工業(yè)化、城市化和侈逸生活的結(jié)果。

現(xiàn)代城市建筑的屋頂、墻體、地面大量使用化學(xué)合成材料，如有機(jī)化學(xué)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(yáng)熱能，加上汽車尾氣、人口過(guò)多等原因，導(dǎo)致城市產(chǎn)生“熱島效應(yīng)”，現(xiàn)代城市城區(qū)，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(guò)大，空氣、水源等環(huán)境污染加大，城市生態(tài)環(huán)境不斷惡化，這些將是未來(lái)宜居城市規(guī)劃發(fā)展的需要解決的重要問(wèn)題。

5 建筑墻體保溫節(jié)能系統(tǒng)使用相變材料的幾個(gè)主要問(wèn)題

材料的相變特性、調(diào)溫功能與作用是不可否認(rèn)的，在某些特殊環(huán)境可以根據(jù)需要利用相變材料的吸熱、放熱、調(diào)溫作用來(lái)滿足人們對(duì)溫度的要求。但如果我們企圖把它大量用于建筑物的調(diào)溫上，不是一個(gè)簡(jiǎn)單的問(wèn)題，需要認(rèn)真對(duì)待與研究以下問(wèn)題：

1)相變材料的安全、環(huán)保、健康問(wèn)題

雖然國(guó)內(nèi)有采用微膠囊密封技術(shù)，但用于封裝材料與技術(shù)可行性、可靠性和環(huán)保等問(wèn)題存在，建筑是永久性的，能否與建筑保持同等使用壽命，如果達(dá)不到這個(gè)要求，就會(huì)存在安全健康和環(huán)境污染隱患。

相變材料，特別是以石臘為主的化學(xué)合成相變材料，其遇熱、燃燒時(shí)易揮發(fā)的有害成分，對(duì)于人體危害性和對(duì)于室內(nèi)空氣環(huán)境與自然環(huán)境的污染問(wèn)題，特別是將這些材料用于室內(nèi)環(huán)境，將會(huì)影響建筑物的呼吸透氣性和室內(nèi)環(huán)境的空氣質(zhì)量，其使用壽命終止后難以利用，會(huì)增加環(huán)境負(fù)荷，造成新的污染。

2)相變材料相變功能的衰減問(wèn)題

建筑物保溫節(jié)能系統(tǒng)要求，是要求建筑保溫節(jié)能系統(tǒng)要與建筑物同壽命，化學(xué)合成材料的相變功能及其使用壽命是極其有限的，它無(wú)法保證長(zhǎng)期的穩(wěn)定性，達(dá)不到這個(gè)基本要求。

3)環(huán)境溫度的自然調(diào)節(jié)與相變材料

由于地球的自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，太陽(yáng)光照射建筑物呈規(guī)律性偏移，建筑物四個(gè)方位及屋頂受熱時(shí)間與溫度不會(huì)一致。在外部自然溫度環(huán)境條件下，悶熱的夏季，要解決由于陽(yáng)光照射建筑物導(dǎo)致室內(nèi)溫度升高，并利用流動(dòng)的自然空氣來(lái)散熱降溫；而在寒冷的冬天，我們要擋寒風(fēng)并保持溫度，需要溫暖的陽(yáng)光透過(guò)窗戶玻璃直射到室內(nèi)增加溫度，所有這些問(wèn)題，完全能夠通過(guò)建筑設(shè)計(jì)師的智慧來(lái)達(dá)到目的，比如：北方的陰面墻體、南方的陽(yáng)面墻體采用輕質(zhì)保溫材料或適當(dāng)增加墻體厚度，采用人字型坡屋頂，利用空氣動(dòng)力學(xué)原理，設(shè)計(jì)可調(diào)節(jié)的自然新風(fēng)系統(tǒng)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(diào)溫作用，但其作用卻十分受限，因?yàn)槲覀兯幍淖匀粴夂颦h(huán)境不可能是一會(huì)兒35℃、一會(huì)兒-35℃，夏季處于長(zhǎng)時(shí)間高溫，冬季處于長(zhǎng)時(shí)間低溫，春秋氣候宜人，從健康與自然的角度，我們應(yīng)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(huán)境的溫度場(chǎng)問(wèn)題

我國(guó)氣候復(fù)雜，規(guī)律性強(qiáng)，大部分地區(qū)四季分明，在最嚴(yán)寒地區(qū)冬季，處于氣溫-20℃以上的時(shí)間有好幾個(gè)月，處于這種溫度場(chǎng)情況下，相變材料幾乎“無(wú)熱可吸”。而在夏熱地區(qū)，處于30℃度以上氣溫的時(shí)間有好幾個(gè)月，連夜間氣溫都是零上30多度，這時(shí)，相變材料放熱就會(huì)使氣候環(huán)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，但城市居民卻沒(méi)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(diào)節(jié)，受限于環(huán)境氣候溫度，而決定相變材料的相變調(diào)溫功能，是環(huán)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(wèn)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(gè)溫度10℃以上時(shí)，人體就會(huì)以增減衣物的辦法，來(lái)保持人體溫度，基本上不用其它保溫措施，只有在環(huán)境溫度低于5℃或高于30℃時(shí)，就會(huì)對(duì)生活與居住環(huán)境有調(diào)溫和保溫要求。自然環(huán)境氣候表明，一年四季中處于極冷極熱環(huán)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(huì)有調(diào)溫保溫要求。也就是說(shuō)一年中約有半年左右的時(shí)間，自然溫度可以滿足人們，相變材料就沒(méi)有太大調(diào)溫作用和意義。

6 建筑節(jié)能降耗面臨的實(shí)際問(wèn)題

客觀上講，能源問(wèn)題是世界面臨的重大難題，我國(guó)能源困難問(wèn)題也很突出，加強(qiáng)資源、能源、環(huán)保、健康方面的研究與宣傳教育，鼓勵(lì)和提倡人與自然和諧共處，節(jié)約和高效利用能源，其解決問(wèn)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(guò)度消費(fèi)行為，不提倡過(guò)分耗能的“溫室”生活，二是能源的高效利用，三是盡可能適應(yīng)自然氣候環(huán)境變化，充分利用自然氣候環(huán)境條件，利用自然的太陽(yáng)能、光能、風(fēng)能、水氣能的調(diào)溫作用。