相变材料调温作用及相关研究

1. 相变材料调温作用及相关研究 北京环益美高分子聚合物研究所 总工程师 周广德

2. 摘要建筑用材料的相变温度调节，受限于环境气候温度，而决定相变材料的相变调温功能，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料的性能、作用与价值的认识和理解。摘要建筑用材料的相变温度调节，受限于环境气候温度，而决定相变材料的相变调温功能，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料的性能、作用与价值的认识和理解。 • 关键词相变材料 相变保温材料

3. 前言 • 世界上任何一种物质，对温度变化都有反应，遇热遇冷后，会吸热放热、并发生形态变化，甚至是结构与性能变化，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，是不可否认的。如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、自然气候环境、环保与健康等角度来讨论相变材料应用上的一些问题，因学识有限，如有不正之处，诚请业内行家批评指正。

4. 一、常用相变材料的相变温度与相变能及其应用一、常用相变材料的相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

5. 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，俗话说“冰冻三尺非一日之寒”！也是人类最早利用的相变调温材料之一，自然界中一切有形的材料或物体，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，献羔祭韮”的诗句，是说远在周朝时，人们于腊月采冰，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。

6. 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。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，北京街头叫卖的冰镇汽水，就是用从冰窖取来的冰块冰凉的，笔者于九十年代初的寒冬时节，曾目睹过当地居民从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），后来由于电冰箱问世，这种古老的办法才渐渐失传了。

7. 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，直到现在近三十年过去了，却并没有在建材领域或建筑上全面推广。

8. 由于大量使用相变材料，可能引起的资源、环保、健康等问题，国际社会是非常谨慎的，很多国家和地区都有由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料的应用，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、建筑上的大量应用，还需要进一步从资源、环保、健康、节能效益等方面，做细致的分析、研究与评价工作，不能盲目推广。

9. 二、自然气候环境与物理相变 • 自然气候变化规律自然环境气候，而且四季分明，我们把它分成春夏秋冬、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、白露、秋分、寒露、霜降、立冬、小雪、大雪、冬至、小寒、大寒。还编写出了二十四节气歌：“春雨惊春清谷天，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，万物生长与存在都是

10. 遵循这些自然气候规律，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、利用自然气候条件的例证。遵循这些自然气候规律，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、利用自然气候条件的例证。

11. 自然气候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，都有相变功能，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，从每天二十四小时的环境温度变化中就能够体会和感触到这点，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，渐渐看不到自然气候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，都有相变功能，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，从每天二十四小时的环境温度变化中就能够体会和感触到这点，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

12. 太阳，环境气温还是热，为什么盛夏的夜晚总是很热，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，才会明显感到环境有些温暖，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。

13. 一、自然气候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、温和五个自然分区，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，这都是自然环境造就的。

14. 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，是自然气候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，形成可以持续性、自然循环、自我调节的自然生态环境与气候体系。假设全球气温一年四季都是恒温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（(参考文献《现代建材及城市建设与健康和生态环境保护》www.bwjc.cn中国保温建材科技网,作者: 周广德)。因此，笔者认为，人类不可能超越自然法则，如异想去改变自然的一切，几乎会是徒劳，必然会适得其反。

15. 二、自然气候环境与健康 • 随着进步与发展，人类的生活水平有了较大的改变，但自然环境和身体健康状况却面临的问题却越来越严重，世界各国的政治家、经济学家不顾环境与自然，热衷于搞经济开发、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、资源紧缺、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！

16. 现在很多的墙体保温材料和技术，存在认识上的误区，那种不考虑自然气候环境、节约能耗的主要根源，片面认为只要墙体穿上“棉衣”就能真正保温和节能，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”，用实验室的数据，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。

17. 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资源、能源、环境等问题，如全球气温升高、雪山消融、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，都是我们用“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、油漆、涂料、密封材料、防水材料等，还有大量钢材、玻璃，石油沥青道路等，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”，现代城市城区，要比郊外温度高出好几度。

18. 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。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料的几个主要问题 • 材料的相变特性、调温功能与作用是不可否认的，在某些特殊环境可以根据需要利用相变材料的吸热、放热、调温作用来满足人们对温度的要求。但如果我们企图把它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：

19. 1．相变材料的安全、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，特别是将这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，其使用寿命终止后难以利用，会增加环境负荷，造成新的污染。

20. 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，化学合成材料的相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。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，化学合成材料的相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，太阳光照射建筑物呈规律性偏移，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

21. 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，比如：北方的阴面墙体、南方的阳面墙体采用轻质保温材料或适当增加墙体厚度，采用人字型坡屋顶，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。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，比如：北方的阴面墙体、南方的阳面墙体采用轻质保温材料或适当增加墙体厚度，采用人字型坡屋顶，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。

22. 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，但其作用却十分受限，因为我们所处的自然气候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，我们应该亲近自然，不宜在建筑墙体上或生活中广泛使用相变材料。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，但其作用却十分受限，因为我们所处的自然气候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，我们应该亲近自然，不宜在建筑墙体上或生活中广泛使用相变材料。

23. 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℃以上的时间有好几个月，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，连夜间气温都是零上30多度，这时，相变材料放热就会使气候环境更热（大家看到的城市石油沥青路面，它是最能吸热放热的相变材料，但我们的城市居民却没有感受到“冬天不冷，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，建筑用相变材料的相变温度调节，受限于环境气候温度，而决定相变材料的相变调温功能，是环境温度，而不是相变材料本身。

24. 5．相变材料与自然气候条件问题人体感到舒适的自然温度范围是25℃左右，高于或低于这个温度10℃以上时，人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℃时，就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。也就是说一年中约有半年左右的时间，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。

25. 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，加强资源、能源、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，其解决问题的根本出路，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，三是尽可能适应自然气候环境变化，充分利用自然气候环境条件，利用自然的太阳能、光能、风能、水气能的调温作用。

26. 综述 • 现代建筑和建材工业的发展，关系到我国经济可持续发展的一个重要方面，建筑所产生的资源、能耗、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、装饰材料等，其技术性能的可靠性、安全环保、资源利用、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

27. 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、几百个工程项目提供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奖，有两篇论文入编《中国现代化建设研究文库》，有多篇论文入选论文集出版，专题技术讲座2００多场次。主要研究方向：高分子材料、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。

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