當(dāng)前,以智能大廈和智能小區(qū)為代表的智能建筑,主要指的是利用現(xiàn)代先進(jìn)技術(shù)對(duì)樓宇、社區(qū)進(jìn)行控制、通信和管理。如智能大廈是以綜合布線為基礎(chǔ),結(jié)合樓宇自動(dòng)化系統(tǒng)(BA)、辦公自動(dòng)化系統(tǒng)(OA)、和綜合通信系統(tǒng)(CA)等子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代辦公和生活的理想場(chǎng)所。而智能小區(qū)則由小區(qū)網(wǎng)絡(luò)通信、閉路電視監(jiān)控、周界防范、可視對(duì)講、小區(qū)一卡通、停車場(chǎng)管理、智能化物業(yè)管理、智能家居等子系統(tǒng)組成,以提供一個(gè)安全、舒適、便利的社區(qū)居住環(huán)境。
上述傳統(tǒng)智能化技術(shù)的應(yīng)用有諸多缺點(diǎn)。例如,這些基于電氣自動(dòng)化計(jì)算機(jī)技術(shù)的系統(tǒng)過(guò)于復(fù)雜,維護(hù)工作量大;且存在建筑物使用周期長(zhǎng)而智能化技術(shù)更新周期短的矛盾;據(jù)報(bào)道,許多智能化集成系統(tǒng)建成后利用率低,甚至是閑置不用從而不可避免地迅速貶值進(jìn)而成為負(fù)擔(dān);更重要的是,過(guò)分強(qiáng)調(diào)現(xiàn)代通信電子技術(shù)的使用,帶來(lái)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檔寫(xiě)字樓,由于使用能耗過(guò)高導(dǎo)致出租率租金偏低。
要實(shí)現(xiàn)真正意義上的智能型建筑,不僅體現(xiàn)在建筑內(nèi)部弱電系統(tǒng)的應(yīng)用,還應(yīng)該把節(jié)能、環(huán)保、綠色、生態(tài)等發(fā)展可持續(xù)建筑的戰(zhàn)略思想宗旨融入建筑的智能化建設(shè)中去,實(shí)現(xiàn)資源的有效持續(xù)利用,節(jié)能節(jié)水節(jié)地,減少?gòu)U棄物,減低或消除污染,減小地球負(fù)荷,體現(xiàn)社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境效益的高度統(tǒng)一。
所以,智能建筑的建設(shè)不應(yīng)僅局限于建筑內(nèi)部子系統(tǒng),還應(yīng)包括能源優(yōu)化系統(tǒng)、生態(tài)綠化系統(tǒng)、廢棄物管理與處置系統(tǒng)、水熱光氣聲環(huán)境優(yōu)化系統(tǒng)等,充分體現(xiàn)建筑與周圍環(huán)境的協(xié)調(diào)關(guān)系以及自身的穩(wěn)定性可持續(xù)性,充分體現(xiàn)綠色建筑節(jié)能建筑和生態(tài)建筑的思想內(nèi)容。要實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)工程,這其中,基于智能建筑材料的開(kāi)發(fā)應(yīng)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統(tǒng),能感知環(huán)境變化,并及時(shí)改變自身的性能參數(shù),作出所期望的、能與變化后的環(huán)境相適應(yīng)的復(fù)合材料或材料的復(fù)合。仿生命感覺(jué)和自我調(diào)節(jié)是智能材料的重要特征。
智能材料在建筑中的應(yīng)用廣泛,結(jié)構(gòu)型智能建筑材料可對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的性能進(jìn)行預(yù)先的檢測(cè)和預(yù)報(bào),不僅大大減少結(jié)構(gòu)維護(hù)費(fèi)用,更重要的是可避免由于結(jié)構(gòu)破壞而造成的嚴(yán)重危害。而本文討論的功能型智能建筑材料,則主要體現(xiàn)出在節(jié)能環(huán)保、綠色生態(tài)等智能化建筑元素中的作用。
以建筑中的功能元素之一濕度調(diào)節(jié)為例,若使用當(dāng)前的智能建筑技術(shù),需要通過(guò)HVAC(Heating,Ventilating,andAirConditioning)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn),能耗很大。而一些建筑材料本身具有調(diào)節(jié)濕度的功能,可以充分加以利用。傳統(tǒng)材料如木材的平衡含水率、石膏的“呼吸”作用,二者都可隨空氣濕度的變化吸收或放出水分。新開(kāi)發(fā)的某些智能材料其調(diào)濕作用更加明顯,如下文討論的調(diào)濕混凝土、相轉(zhuǎn)變材料等。
2、混凝土
除水泥、水、砂、石及化學(xué)外加劑外的添加第六組分,不僅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種混凝土,可提供特殊的綠色節(jié)能生態(tài)功能。
1)電磁屏蔽混凝土
通過(guò)摻入金屬粉末導(dǎo)電纖維等低電阻導(dǎo)體材料,在提高混凝土結(jié)構(gòu)性能的同時(shí),能夠屏蔽和吸收電磁波,降低電磁輻射污染,提高室內(nèi)電視影像和通訊質(zhì)量。
2)調(diào)濕混凝土
通過(guò)添加關(guān)鍵組分納米天然沸石粉制成,可探測(cè)室內(nèi)環(huán)境溫度,并根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)控,滿足人的居住或美術(shù)館等建筑對(duì)濕度的控制要求,相比較于傳統(tǒng)的利用溫度濕度傳感器控制器和復(fù)雜布線系統(tǒng),使用和維護(hù)成本低。
3)透水混凝土
具備良好的透水透氣性,可增加地表透水、透氣面積,調(diào)節(jié)環(huán)境溫度、濕度,減少城市熱島效應(yīng),維持地下水位和植物生長(zhǎng)。
4)生物相容型混凝土
利用混凝土良好的透水透氣性,提供植物生長(zhǎng)所需營(yíng)養(yǎng)。陸地上可種植小草,形成植被混凝土,用于河川護(hù)堤的綠化美化;淡水海水中可棲息浮游動(dòng)物和植物,形成淡水生物、海洋生物相容型混凝土,調(diào)節(jié)生態(tài)平衡。
5)抗菌混凝土
在傳統(tǒng)混凝土中加入納米抗菌防霉組分,使混凝土具有抑制霉菌生長(zhǎng)和滅菌效果,
6)凈水生態(tài)混凝土
將高活性凈水組分與多孔混凝土復(fù)合,提高吸附能力,使混凝土具有凈化水質(zhì)功能和適應(yīng)生物生息場(chǎng)所及自然景觀效果,用于淡水資源凈化和海水凈化。
7)凈化空氣混凝土
在砂漿和混凝土中添加納米二氧化鈦等光催化劑,制成光催化混凝土,分解去除空氣中的二氧化硫、氮氧化物等對(duì)人體有害的污染氣體。另外還有物理吸附、化學(xué)吸附、離子交換和稀土激活等空氣凈化形式,可起到有效凈化甲醛、苯等室內(nèi)有毒揮發(fā)物,減少二氧化碳濃度等作用。
8)再生混凝土
將廢棄混凝土經(jīng)過(guò)處理,部分或全部代替天然骨料而配制的新混凝土,減少城市垃圾,節(jié)約資源。
9)溫度自監(jiān)控混凝土
通過(guò)摻入適量的短切碳纖維到水泥基材料中,使混凝土產(chǎn)生熱電效應(yīng),實(shí)現(xiàn)對(duì)建筑物內(nèi)部和周圍環(huán)境溫度變化的實(shí)時(shí)測(cè)量。此外尚存在通過(guò)水泥基復(fù)合材料的熱電效應(yīng)利用太陽(yáng)能和室內(nèi)外溫差為建筑物提供電能的可能性。
10)綠色高性能混凝土
在混凝土的生產(chǎn)使用過(guò)程中,除了獲得高技術(shù)性能外,還綜合體現(xiàn)出節(jié)約能源資源,不破壞環(huán)境的宗旨。在概念上,綠色混凝土重點(diǎn)在于對(duì)環(huán)境無(wú)害,而生態(tài)混凝土強(qiáng)調(diào)的是直接有益于環(huán)境。
11)綠色生態(tài)水泥
在水泥的生產(chǎn)過(guò)程中,通過(guò)改進(jìn)生產(chǎn)工藝、更新設(shè)備、充分使用工業(yè)廢料等手段,體現(xiàn)出節(jié)能、利廢、保護(hù)環(huán)境的宗旨。
3、涂料
自然界中的微生物環(huán)境給人類健康帶來(lái)的隱患和威脅不容忽視,據(jù)WHO的統(tǒng)計(jì)數(shù)字顯示僅1995年因細(xì)菌傳染造成死亡的人數(shù)就達(dá)1700萬(wàn),前幾年出現(xiàn)的SARS病毒使人們更加重視保健抗菌材料。
納米材料因近似大分子水平的粒徑,具有大比表面積高表面活性,故化學(xué)催化和光催化能力強(qiáng)。以混凝土、涂料、玻璃、陶瓷、磚、板材或其它應(yīng)用形式出現(xiàn)的納米建材,可具備同時(shí)憎水憎油特性,將抗菌成份銀、銅等離子及其化合物結(jié)合與其中,使其依靠自身能量激活水氧產(chǎn)生活性,使材料表面具有自清潔防污、防霉、防毒、防霧防露、抗菌、凈化環(huán)境等功能。納米技術(shù)的發(fā)展為人們?cè)O(shè)計(jì)功能復(fù)合建筑材料提供了廣闊的空間,以下介紹幾種典型的應(yīng)用形式。
1)室外凈化空氣涂料
外墻涂料在陽(yáng)光下爆曬后激活其中的光催化劑捕捉空氣污染物,由于表面不易產(chǎn)生靜電作用,抗污性好,易清潔,雨水也能夠?qū)⒈晃盏奈廴疚餂_刷。這類涂料在國(guó)外已進(jìn)入實(shí)用階段,如意大利Ecopaint產(chǎn)品,據(jù)稱在5年使用周期內(nèi)可大量吸收汽車尾氣和有毒煙霧等有害氣體。此類涂料的凈化原理之一是涂料中的二氧化鈦和碳酸鈣球形粒子與多孔硅酮材料混合,通過(guò)紫外線把大氣中的氮氧化物和硫氧化物等轉(zhuǎn)變成硝酸和硫酸,從而被沖刷或中和。
2)室內(nèi)環(huán)境凈化涂料
添加稀土激活無(wú)機(jī)抗菌凈化材料,能夠較好地凈化VOC、NOx、NH3等室內(nèi)環(huán)境污染氣體,其凈化原理與室外涂料類似;同時(shí),在光催化反應(yīng)過(guò)程中生成的自由基和超氧化物,能夠有效分解有機(jī)物,從而起到殺菌作用;此外,利用表面二氧化鈦的超親水效應(yīng),使表面去污方便快捷。為充分發(fā)揮上述自清潔效果,也可把納米成份用于瓷磚表面,使用在室內(nèi)廚房、衛(wèi)生間或內(nèi)墻等部位;或用于玻璃表面,使用在汽車、建筑的采光玻璃上,使清洗變得容易。
3)智能乳膠漆
在組分中加入“可逆變光劑”、“復(fù)合高分子穩(wěn)定劑”等符合材料,使產(chǎn)品可自動(dòng)調(diào)節(jié)光亮度自動(dòng)適應(yīng)環(huán)境。
4)負(fù)離子功能涂料
增加室內(nèi)空氣中負(fù)離子濃度,產(chǎn)生具有森林功能的效果,吸收二氧化碳及有害氣體,抑菌除臭。
5)阻熱防水涂料
其關(guān)鍵組分是有無(wú)數(shù)閉合腔體的微泡玻璃球,當(dāng)用于金屬表面時(shí),可堵漏隔熱防銹。當(dāng)用于瀝青表面時(shí),可反射幾乎全部的太陽(yáng)能量,且增強(qiáng)瀝青的抗老化性能。用于剛性防水屋面也能發(fā)揮極佳的防水隔熱效果。此類產(chǎn)品當(dāng)前有美國(guó)專利索士蘭防水涂料、臺(tái)灣快意斷熱膠等。
6)露珠仙外墻涂料
仿生荷葉葉面微結(jié)構(gòu),利用荷葉效應(yīng)產(chǎn)生自清潔效果,讓塵埃易隨雨水清除,同時(shí)抑制菌類藻類繁殖,并具有防水防紫外線、透氣耐侯性好等特點(diǎn)。
4、玻璃
玻璃作為建筑采光材料具有不可替代性,玻璃及其深加工制品作為裝飾裝修材料的應(yīng)用面正在逐年擴(kuò)大,利用玻璃材料獨(dú)具的光電特性制造的多功能材料將會(huì)在節(jié)能綠色建筑中扮演重要角色。除了傳統(tǒng)的節(jié)能玻璃制作工藝如中空玻璃、吸熱玻璃和熱反射玻璃以外,近年來(lái)出現(xiàn)了很多的新技術(shù)新產(chǎn)品。
低輻射(Low－E)玻璃:附加一層金屬氧化膜,可通過(guò)太陽(yáng)輻射中的可見(jiàn)光,阻隔占太陽(yáng)輻射能量49%的紅外頻譜部分,與普通透明玻璃相比,它可以反射40%～70%的熱輻射,但只遮擋20%的可見(jiàn)光,與普通玻璃配合使用,組成雙層中空窗,有很好的保溫隔熱節(jié)能效果。同時(shí)由于對(duì)可見(jiàn)光的反射率低,用于玻璃幕墻減低反射光引起的光污染。
智能玻璃:玻璃在不同太陽(yáng)輻射作用下,能夠根據(jù)需要改變遮陽(yáng)系數(shù),從而減少日射得熱。根據(jù)變色原理,可分成以下幾種。
1)光致變色玻璃利用金屬鹵化物或光學(xué)變色塑料,當(dāng)陽(yáng)光中的紫外線越強(qiáng),變色材料越暗,減少可見(jiàn)光通過(guò)、吸收熱輻射。
2)熱變色玻璃熱變色材料會(huì)隨著溫度變化而改變其光學(xué)特性,受熱引起化學(xué)反應(yīng)或材料的相變,從而改變顏色,使太陽(yáng)輻射被散射或被吸收。如在雙層玻璃夾層中含有一層水溶性聚合纖維,由聚合物分子受熱產(chǎn)生定向排列使透明度改變。
3)液晶玻璃分散液晶在電場(chǎng)作用下產(chǎn)生定向排列,改變透明度。如其中的針狀液晶通電時(shí)晶體水平排列,玻璃變透明,斷電時(shí)晶體豎直排列,玻璃吸收散射太陽(yáng)輻射。
4)電致變色玻璃通過(guò)低壓直流電的驅(qū)動(dòng),使電變色材料(如W03)變暗,能夠根據(jù)需要連續(xù)調(diào)光,同時(shí)能消除日照中99%的紫外線。
5)電泳玻璃雙層玻璃面上有透明的導(dǎo)電涂層,中間充滿懸浮液,當(dāng)通電時(shí),懸浮液中的黑色針狀懸浮顆粒產(chǎn)生定向排列,改變透明度,根據(jù)電壓大小也可連續(xù)調(diào)光。
上述各種智能玻璃的應(yīng)用多側(cè)重于減少太陽(yáng)能對(duì)室內(nèi)的熱輻射,若從相反的能源利用的角度出發(fā),可使用德弗恩霍夫太陽(yáng)能研究所發(fā)明的一種透光隔熱材料,將陽(yáng)光轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?通過(guò)窗體導(dǎo)入室內(nèi),同時(shí)又能保護(hù)室內(nèi)熱量不向外散發(fā),可有效節(jié)約冬季取暖能耗。
日本日前開(kāi)發(fā)一種鑲有發(fā)熱玻璃的窗戶叫“窗暖”,是在玻璃中熔入導(dǎo)電金屬元素,通入小功率電流使玻璃發(fā)熱,可防止冬季結(jié)霜,消除室內(nèi)空氣因受冷而向下流動(dòng),夏季阻擋紅外線等。
5、其它
1)環(huán)保磚一種使用形式是利用自身多孔結(jié)構(gòu)和表面涂覆材料,有效吸收汽車尾氣和一氧化碳等有害氣體;另有一種“燒結(jié)型透水保濕路面磚”,用工業(yè)廢料制成,具有良好的透水透氣性,實(shí)現(xiàn)環(huán)保加生態(tài)的雙重效果。
2)碳纖維電熱板材在吊頂板、墻板、地板或其它裝飾板制作中加入碳纖維,通電輻射供暖,熱效率高近100%,安全節(jié)能無(wú)污染,方便操作,散熱均勻,溫度可自由調(diào)節(jié),是一種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層,上面噴涂照明、供暖、能量存儲(chǔ)、信息顯示等微元素粒子,利用有機(jī)光電太陽(yáng)能電池供電,制成電子墻壁,提供變換多姿的裝飾效果,其中的相轉(zhuǎn)變材料可在白天蓄熱,晚上供熱。
4)功能型高晶板材傳統(tǒng)的石膏板具有保溫隔熱裝飾性好等諸多優(yōu)良的功能特點(diǎn),以及特殊的“呼吸”作用,即可以調(diào)節(jié)室內(nèi)的空氣濕度,在此基礎(chǔ)上,在基本材料中加入富含銀離子的納米無(wú)機(jī)抗菌材料,或摻入負(fù)離子經(jīng)化學(xué)反應(yīng)增加空氣負(fù)離子濃度,可起到殺菌抑菌除臭作用,有效用作內(nèi)墻板、吊頂板、防火面板等。
5)太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換材料太陽(yáng)能利用是智能建筑的重要內(nèi)容,除了傳統(tǒng)的光-熱轉(zhuǎn)換,用光-電轉(zhuǎn)換材料將太陽(yáng)能直接轉(zhuǎn)換為電能的太陽(yáng)能瓦,將太陽(yáng)能電池與與建筑材料構(gòu)件融為一體,體現(xiàn)太陽(yáng)能與建筑的完美融合。此外,以可見(jiàn)光作光源,以聚合物光纖作轉(zhuǎn)換材料實(shí)現(xiàn)光-光轉(zhuǎn)換的光纖照明技術(shù),可有效克服當(dāng)前傳統(tǒng)照明技術(shù)的耗能、輻射、易損、污染等缺點(diǎn),應(yīng)用前景廣闊。
6)TIM材料一種半透明絕熱塑料(Transpar2entInsulatedMaterial),用保護(hù)玻璃、遮陽(yáng)卷簾、TIM層、空氣層、吸熱面層、結(jié)構(gòu)層等制成復(fù)合透明隔熱外墻,拓展了傳統(tǒng)復(fù)合墻體的保溫隔熱功能,兼有采光隔熱吸熱流通空氣等作用。
7)相轉(zhuǎn)變材料(PhaseChangeMaterial,PCM)是利用相變過(guò)程中吸收或釋放的熱量來(lái)進(jìn)行潛熱儲(chǔ)能的物質(zhì),具有儲(chǔ)能密度大、效率高以及近似恒定溫度下吸熱與放熱等優(yōu)點(diǎn),可用于儲(chǔ)能和溫度控制,在太陽(yáng)能利用、廢熱回收、空調(diào)建筑物、調(diào)溫調(diào)濕、保溫材料等方面用途廣泛。若作為開(kāi)發(fā)智能建筑材料的功能元素,是一種很有前途的節(jié)能材料。
PCM可與多種基本建筑材料結(jié)合,發(fā)展多種應(yīng)用形式。例如可用于改善室內(nèi)溫度穩(wěn)定性及空調(diào)系統(tǒng)工況的平穩(wěn)性,從而提高熱舒適性、節(jié)省能源;也可用于混凝土中制成具有溫度自動(dòng)控制和自動(dòng)調(diào)節(jié)功能的智能混凝土;還可用于防止道路、橋梁、飛機(jī)跑道等在冬夜結(jié)冰。如已開(kāi)發(fā)的PCM恒溫智能墻體材料和恒溫智能水泥砂漿,能夠提高墻體蓄熱能力,增強(qiáng)夏季隔熱和冬季保溫效果。清華大學(xué)研制的超低能耗示范樓中圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用PCM作蓄熱體,在冬季白天儲(chǔ)存由玻璃幕墻或窗戶進(jìn)入室內(nèi)的太陽(yáng)輻射熱,晚上向室內(nèi)散發(fā),使室內(nèi)溫度波動(dòng)不超過(guò)6攝氏度。
6、結(jié)語(yǔ)
隨著時(shí)代的發(fā)展,建筑物的智能化建設(shè)會(huì)愈加深入,智能建筑的內(nèi)容與涵義隨著科技的發(fā)展不斷延伸,其功能也在不斷擴(kuò)展,以滿足人們?nèi)找嬖鲩L(zhǎng)的各種需要。具有關(guān)預(yù)測(cè)表明,在本世紀(jì)中葉,建筑業(yè)將步入高科技建材時(shí)期,以聚合混凝土和強(qiáng)化塑料為代表的新型建材成為主流。當(dāng)前,智能建筑材料已由設(shè)計(jì)階段進(jìn)入試驗(yàn)、實(shí)驗(yàn)、實(shí)用階段,將各類智能材料有機(jī)組合在建筑物結(jié)構(gòu)中,構(gòu)建起一個(gè)個(gè)具有生命特征的建筑物,會(huì)成為未來(lái)智能建筑的重要內(nèi)容。
上述傳統(tǒng)智能化技術(shù)的應(yīng)用有諸多缺點(diǎn)。例如,這些基于電氣自動(dòng)化計(jì)算機(jī)技術(shù)的系統(tǒng)過(guò)于復(fù)雜,維護(hù)工作量大;且存在建筑物使用周期長(zhǎng)而智能化技術(shù)更新周期短的矛盾;據(jù)報(bào)道,許多智能化集成系統(tǒng)建成后利用率低,甚至是閑置不用從而不可避免地迅速貶值進(jìn)而成為負(fù)擔(dān);更重要的是,過(guò)分強(qiáng)調(diào)現(xiàn)代通信電子技術(shù)的使用,帶來(lái)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檔寫(xiě)字樓,由于使用能耗過(guò)高導(dǎo)致出租率租金偏低。
要實(shí)現(xiàn)真正意義上的智能型建筑,不僅體現(xiàn)在建筑內(nèi)部弱電系統(tǒng)的應(yīng)用,還應(yīng)該把節(jié)能、環(huán)保、綠色、生態(tài)等發(fā)展可持續(xù)建筑的戰(zhàn)略思想宗旨融入建筑的智能化建設(shè)中去,實(shí)現(xiàn)資源的有效持續(xù)利用,節(jié)能節(jié)水節(jié)地,減少?gòu)U棄物,減低或消除污染,減小地球負(fù)荷,體現(xiàn)社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境效益的高度統(tǒng)一。
所以,智能建筑的建設(shè)不應(yīng)僅局限于建筑內(nèi)部子系統(tǒng),還應(yīng)包括能源優(yōu)化系統(tǒng)、生態(tài)綠化系統(tǒng)、廢棄物管理與處置系統(tǒng)、水熱光氣聲環(huán)境優(yōu)化系統(tǒng)等,充分體現(xiàn)建筑與周圍環(huán)境的協(xié)調(diào)關(guān)系以及自身的穩(wěn)定性可持續(xù)性,充分體現(xiàn)綠色建筑節(jié)能建筑和生態(tài)建筑的思想內(nèi)容。要實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)工程,這其中,基于智能建筑材料的開(kāi)發(fā)應(yīng)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統(tǒng),能感知環(huán)境變化,并及時(shí)改變自身的性能參數(shù),作出所期望的、能與變化后的環(huán)境相適應(yīng)的復(fù)合材料或材料的復(fù)合。仿生命感覺(jué)和自我調(diào)節(jié)是智能材料的重要特征。
智能材料在建筑中的應(yīng)用廣泛,結(jié)構(gòu)型智能建筑材料可對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的性能進(jìn)行預(yù)先的檢測(cè)和預(yù)報(bào),不僅大大減少結(jié)構(gòu)維護(hù)費(fèi)用,更重要的是可避免由于結(jié)構(gòu)破壞而造成的嚴(yán)重危害。而本文討論的功能型智能建筑材料,則主要體現(xiàn)出在節(jié)能環(huán)保、綠色生態(tài)等智能化建筑元素中的作用。
以建筑中的功能元素之一濕度調(diào)節(jié)為例,若使用當(dāng)前的智能建筑技術(shù),需要通過(guò)HVAC(Heating,Ventilating,andAirConditioning)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn),能耗很大。而一些建筑材料本身具有調(diào)節(jié)濕度的功能,可以充分加以利用。傳統(tǒng)材料如木材的平衡含水率、石膏的“呼吸”作用,二者都可隨空氣濕度的變化吸收或放出水分。新開(kāi)發(fā)的某些智能材料其調(diào)濕作用更加明顯,如下文討論的調(diào)濕混凝土、相轉(zhuǎn)變材料等。
2、混凝土
除水泥、水、砂、石及化學(xué)外加劑外的添加第六組分,不僅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種混凝土,可提供特殊的綠色節(jié)能生態(tài)功能。
1)電磁屏蔽混凝土
通過(guò)摻入金屬粉末導(dǎo)電纖維等低電阻導(dǎo)體材料,在提高混凝土結(jié)構(gòu)性能的同時(shí),能夠屏蔽和吸收電磁波,降低電磁輻射污染,提高室內(nèi)電視影像和通訊質(zhì)量。
2)調(diào)濕混凝土
通過(guò)添加關(guān)鍵組分納米天然沸石粉制成,可探測(cè)室內(nèi)環(huán)境溫度,并根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)控,滿足人的居住或美術(shù)館等建筑對(duì)濕度的控制要求,相比較于傳統(tǒng)的利用溫度濕度傳感器控制器和復(fù)雜布線系統(tǒng),使用和維護(hù)成本低。
3)透水混凝土
具備良好的透水透氣性,可增加地表透水、透氣面積,調(diào)節(jié)環(huán)境溫度、濕度,減少城市熱島效應(yīng),維持地下水位和植物生長(zhǎng)。
4)生物相容型混凝土
利用混凝土良好的透水透氣性,提供植物生長(zhǎng)所需營(yíng)養(yǎng)。陸地上可種植小草,形成植被混凝土,用于河川護(hù)堤的綠化美化;淡水海水中可棲息浮游動(dòng)物和植物,形成淡水生物、海洋生物相容型混凝土,調(diào)節(jié)生態(tài)平衡。
5)抗菌混凝土
在傳統(tǒng)混凝土中加入納米抗菌防霉組分,使混凝土具有抑制霉菌生長(zhǎng)和滅菌效果,
6)凈水生態(tài)混凝土
將高活性凈水組分與多孔混凝土復(fù)合,提高吸附能力,使混凝土具有凈化水質(zhì)功能和適應(yīng)生物生息場(chǎng)所及自然景觀效果,用于淡水資源凈化和海水凈化。
7)凈化空氣混凝土
在砂漿和混凝土中添加納米二氧化鈦等光催化劑,制成光催化混凝土,分解去除空氣中的二氧化硫、氮氧化物等對(duì)人體有害的污染氣體。另外還有物理吸附、化學(xué)吸附、離子交換和稀土激活等空氣凈化形式,可起到有效凈化甲醛、苯等室內(nèi)有毒揮發(fā)物,減少二氧化碳濃度等作用。
8)再生混凝土
將廢棄混凝土經(jīng)過(guò)處理,部分或全部代替天然骨料而配制的新混凝土,減少城市垃圾,節(jié)約資源。
9)溫度自監(jiān)控混凝土
通過(guò)摻入適量的短切碳纖維到水泥基材料中,使混凝土產(chǎn)生熱電效應(yīng),實(shí)現(xiàn)對(duì)建筑物內(nèi)部和周圍環(huán)境溫度變化的實(shí)時(shí)測(cè)量。此外尚存在通過(guò)水泥基復(fù)合材料的熱電效應(yīng)利用太陽(yáng)能和室內(nèi)外溫差為建筑物提供電能的可能性。
10)綠色高性能混凝土
在混凝土的生產(chǎn)使用過(guò)程中,除了獲得高技術(shù)性能外,還綜合體現(xiàn)出節(jié)約能源資源,不破壞環(huán)境的宗旨。在概念上,綠色混凝土重點(diǎn)在于對(duì)環(huán)境無(wú)害,而生態(tài)混凝土強(qiáng)調(diào)的是直接有益于環(huán)境。
11)綠色生態(tài)水泥
在水泥的生產(chǎn)過(guò)程中,通過(guò)改進(jìn)生產(chǎn)工藝、更新設(shè)備、充分使用工業(yè)廢料等手段,體現(xiàn)出節(jié)能、利廢、保護(hù)環(huán)境的宗旨。
3、涂料
自然界中的微生物環(huán)境給人類健康帶來(lái)的隱患和威脅不容忽視,據(jù)WHO的統(tǒng)計(jì)數(shù)字顯示僅1995年因細(xì)菌傳染造成死亡的人數(shù)就達(dá)1700萬(wàn),前幾年出現(xiàn)的SARS病毒使人們更加重視保健抗菌材料。
納米材料因近似大分子水平的粒徑,具有大比表面積高表面活性,故化學(xué)催化和光催化能力強(qiáng)。以混凝土、涂料、玻璃、陶瓷、磚、板材或其它應(yīng)用形式出現(xiàn)的納米建材,可具備同時(shí)憎水憎油特性,將抗菌成份銀、銅等離子及其化合物結(jié)合與其中,使其依靠自身能量激活水氧產(chǎn)生活性,使材料表面具有自清潔防污、防霉、防毒、防霧防露、抗菌、凈化環(huán)境等功能。納米技術(shù)的發(fā)展為人們?cè)O(shè)計(jì)功能復(fù)合建筑材料提供了廣闊的空間,以下介紹幾種典型的應(yīng)用形式。
1)室外凈化空氣涂料
外墻涂料在陽(yáng)光下爆曬后激活其中的光催化劑捕捉空氣污染物,由于表面不易產(chǎn)生靜電作用,抗污性好,易清潔,雨水也能夠?qū)⒈晃盏奈廴疚餂_刷。這類涂料在國(guó)外已進(jìn)入實(shí)用階段,如意大利Ecopaint產(chǎn)品,據(jù)稱在5年使用周期內(nèi)可大量吸收汽車尾氣和有毒煙霧等有害氣體。此類涂料的凈化原理之一是涂料中的二氧化鈦和碳酸鈣球形粒子與多孔硅酮材料混合,通過(guò)紫外線把大氣中的氮氧化物和硫氧化物等轉(zhuǎn)變成硝酸和硫酸,從而被沖刷或中和。
2)室內(nèi)環(huán)境凈化涂料
添加稀土激活無(wú)機(jī)抗菌凈化材料,能夠較好地凈化VOC、NOx、NH3等室內(nèi)環(huán)境污染氣體,其凈化原理與室外涂料類似;同時(shí),在光催化反應(yīng)過(guò)程中生成的自由基和超氧化物,能夠有效分解有機(jī)物,從而起到殺菌作用;此外,利用表面二氧化鈦的超親水效應(yīng),使表面去污方便快捷。為充分發(fā)揮上述自清潔效果,也可把納米成份用于瓷磚表面,使用在室內(nèi)廚房、衛(wèi)生間或內(nèi)墻等部位;或用于玻璃表面,使用在汽車、建筑的采光玻璃上,使清洗變得容易。
3)智能乳膠漆
在組分中加入“可逆變光劑”、“復(fù)合高分子穩(wěn)定劑”等符合材料,使產(chǎn)品可自動(dòng)調(diào)節(jié)光亮度自動(dòng)適應(yīng)環(huán)境。
4)負(fù)離子功能涂料
增加室內(nèi)空氣中負(fù)離子濃度,產(chǎn)生具有森林功能的效果,吸收二氧化碳及有害氣體,抑菌除臭。
5)阻熱防水涂料
其關(guān)鍵組分是有無(wú)數(shù)閉合腔體的微泡玻璃球,當(dāng)用于金屬表面時(shí),可堵漏隔熱防銹。當(dāng)用于瀝青表面時(shí),可反射幾乎全部的太陽(yáng)能量,且增強(qiáng)瀝青的抗老化性能。用于剛性防水屋面也能發(fā)揮極佳的防水隔熱效果。此類產(chǎn)品當(dāng)前有美國(guó)專利索士蘭防水涂料、臺(tái)灣快意斷熱膠等。
6)露珠仙外墻涂料
仿生荷葉葉面微結(jié)構(gòu),利用荷葉效應(yīng)產(chǎn)生自清潔效果,讓塵埃易隨雨水清除,同時(shí)抑制菌類藻類繁殖,并具有防水防紫外線、透氣耐侯性好等特點(diǎn)。
4、玻璃
玻璃作為建筑采光材料具有不可替代性,玻璃及其深加工制品作為裝飾裝修材料的應(yīng)用面正在逐年擴(kuò)大,利用玻璃材料獨(dú)具的光電特性制造的多功能材料將會(huì)在節(jié)能綠色建筑中扮演重要角色。除了傳統(tǒng)的節(jié)能玻璃制作工藝如中空玻璃、吸熱玻璃和熱反射玻璃以外,近年來(lái)出現(xiàn)了很多的新技術(shù)新產(chǎn)品。
低輻射(Low－E)玻璃:附加一層金屬氧化膜,可通過(guò)太陽(yáng)輻射中的可見(jiàn)光,阻隔占太陽(yáng)輻射能量49%的紅外頻譜部分,與普通透明玻璃相比,它可以反射40%～70%的熱輻射,但只遮擋20%的可見(jiàn)光,與普通玻璃配合使用,組成雙層中空窗,有很好的保溫隔熱節(jié)能效果。同時(shí)由于對(duì)可見(jiàn)光的反射率低,用于玻璃幕墻減低反射光引起的光污染。
智能玻璃:玻璃在不同太陽(yáng)輻射作用下,能夠根據(jù)需要改變遮陽(yáng)系數(shù),從而減少日射得熱。根據(jù)變色原理,可分成以下幾種。
1)光致變色玻璃利用金屬鹵化物或光學(xué)變色塑料,當(dāng)陽(yáng)光中的紫外線越強(qiáng),變色材料越暗,減少可見(jiàn)光通過(guò)、吸收熱輻射。
2)熱變色玻璃熱變色材料會(huì)隨著溫度變化而改變其光學(xué)特性,受熱引起化學(xué)反應(yīng)或材料的相變,從而改變顏色,使太陽(yáng)輻射被散射或被吸收。如在雙層玻璃夾層中含有一層水溶性聚合纖維,由聚合物分子受熱產(chǎn)生定向排列使透明度改變。
3)液晶玻璃分散液晶在電場(chǎng)作用下產(chǎn)生定向排列,改變透明度。如其中的針狀液晶通電時(shí)晶體水平排列,玻璃變透明,斷電時(shí)晶體豎直排列,玻璃吸收散射太陽(yáng)輻射。
4)電致變色玻璃通過(guò)低壓直流電的驅(qū)動(dòng),使電變色材料(如W03)變暗,能夠根據(jù)需要連續(xù)調(diào)光,同時(shí)能消除日照中99%的紫外線。
5)電泳玻璃雙層玻璃面上有透明的導(dǎo)電涂層,中間充滿懸浮液,當(dāng)通電時(shí),懸浮液中的黑色針狀懸浮顆粒產(chǎn)生定向排列,改變透明度,根據(jù)電壓大小也可連續(xù)調(diào)光。
上述各種智能玻璃的應(yīng)用多側(cè)重于減少太陽(yáng)能對(duì)室內(nèi)的熱輻射,若從相反的能源利用的角度出發(fā),可使用德弗恩霍夫太陽(yáng)能研究所發(fā)明的一種透光隔熱材料,將陽(yáng)光轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?通過(guò)窗體導(dǎo)入室內(nèi),同時(shí)又能保護(hù)室內(nèi)熱量不向外散發(fā),可有效節(jié)約冬季取暖能耗。
日本日前開(kāi)發(fā)一種鑲有發(fā)熱玻璃的窗戶叫“窗暖”,是在玻璃中熔入導(dǎo)電金屬元素,通入小功率電流使玻璃發(fā)熱,可防止冬季結(jié)霜,消除室內(nèi)空氣因受冷而向下流動(dòng),夏季阻擋紅外線等。
5、其它
1)環(huán)保磚一種使用形式是利用自身多孔結(jié)構(gòu)和表面涂覆材料,有效吸收汽車尾氣和一氧化碳等有害氣體;另有一種“燒結(jié)型透水保濕路面磚”,用工業(yè)廢料制成,具有良好的透水透氣性,實(shí)現(xiàn)環(huán)保加生態(tài)的雙重效果。
2)碳纖維電熱板材在吊頂板、墻板、地板或其它裝飾板制作中加入碳纖維,通電輻射供暖,熱效率高近100%,安全節(jié)能無(wú)污染,方便操作,散熱均勻,溫度可自由調(diào)節(jié),是一種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層,上面噴涂照明、供暖、能量存儲(chǔ)、信息顯示等微元素粒子,利用有機(jī)光電太陽(yáng)能電池供電,制成電子墻壁,提供變換多姿的裝飾效果,其中的相轉(zhuǎn)變材料可在白天蓄熱,晚上供熱。
4)功能型高晶板材傳統(tǒng)的石膏板具有保溫隔熱裝飾性好等諸多優(yōu)良的功能特點(diǎn),以及特殊的“呼吸”作用,即可以調(diào)節(jié)室內(nèi)的空氣濕度,在此基礎(chǔ)上,在基本材料中加入富含銀離子的納米無(wú)機(jī)抗菌材料,或摻入負(fù)離子經(jīng)化學(xué)反應(yīng)增加空氣負(fù)離子濃度,可起到殺菌抑菌除臭作用,有效用作內(nèi)墻板、吊頂板、防火面板等。
5)太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換材料太陽(yáng)能利用是智能建筑的重要內(nèi)容,除了傳統(tǒng)的光-熱轉(zhuǎn)換,用光-電轉(zhuǎn)換材料將太陽(yáng)能直接轉(zhuǎn)換為電能的太陽(yáng)能瓦,將太陽(yáng)能電池與與建筑材料構(gòu)件融為一體,體現(xiàn)太陽(yáng)能與建筑的完美融合。此外,以可見(jiàn)光作光源,以聚合物光纖作轉(zhuǎn)換材料實(shí)現(xiàn)光-光轉(zhuǎn)換的光纖照明技術(shù),可有效克服當(dāng)前傳統(tǒng)照明技術(shù)的耗能、輻射、易損、污染等缺點(diǎn),應(yīng)用前景廣闊。
6)TIM材料一種半透明絕熱塑料(Transpar2entInsulatedMaterial),用保護(hù)玻璃、遮陽(yáng)卷簾、TIM層、空氣層、吸熱面層、結(jié)構(gòu)層等制成復(fù)合透明隔熱外墻,拓展了傳統(tǒng)復(fù)合墻體的保溫隔熱功能,兼有采光隔熱吸熱流通空氣等作用。
7)相轉(zhuǎn)變材料(PhaseChangeMaterial,PCM)是利用相變過(guò)程中吸收或釋放的熱量來(lái)進(jìn)行潛熱儲(chǔ)能的物質(zhì),具有儲(chǔ)能密度大、效率高以及近似恒定溫度下吸熱與放熱等優(yōu)點(diǎn),可用于儲(chǔ)能和溫度控制,在太陽(yáng)能利用、廢熱回收、空調(diào)建筑物、調(diào)溫調(diào)濕、保溫材料等方面用途廣泛。若作為開(kāi)發(fā)智能建筑材料的功能元素,是一種很有前途的節(jié)能材料。
PCM可與多種基本建筑材料結(jié)合,發(fā)展多種應(yīng)用形式。例如可用于改善室內(nèi)溫度穩(wěn)定性及空調(diào)系統(tǒng)工況的平穩(wěn)性,從而提高熱舒適性、節(jié)省能源;也可用于混凝土中制成具有溫度自動(dòng)控制和自動(dòng)調(diào)節(jié)功能的智能混凝土;還可用于防止道路、橋梁、飛機(jī)跑道等在冬夜結(jié)冰。如已開(kāi)發(fā)的PCM恒溫智能墻體材料和恒溫智能水泥砂漿,能夠提高墻體蓄熱能力,增強(qiáng)夏季隔熱和冬季保溫效果。清華大學(xué)研制的超低能耗示范樓中圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用PCM作蓄熱體,在冬季白天儲(chǔ)存由玻璃幕墻或窗戶進(jìn)入室內(nèi)的太陽(yáng)輻射熱,晚上向室內(nèi)散發(fā),使室內(nèi)溫度波動(dòng)不超過(guò)6攝氏度。
6、結(jié)語(yǔ)
隨著時(shí)代的發(fā)展,建筑物的智能化建設(shè)會(huì)愈加深入,智能建筑的內(nèi)容與涵義隨著科技的發(fā)展不斷延伸,其功能也在不斷擴(kuò)展,以滿足人們?nèi)找嬖鲩L(zhǎng)的各種需要。具有關(guān)預(yù)測(cè)表明,在本世紀(jì)中葉,建筑業(yè)將步入高科技建材時(shí)期,以聚合混凝土和強(qiáng)化塑料為代表的新型建材成為主流。當(dāng)前,智能建筑材料已由設(shè)計(jì)階段進(jìn)入試驗(yàn)、實(shí)驗(yàn)、實(shí)用階段,將各類智能材料有機(jī)組合在建筑物結(jié)構(gòu)中,構(gòu)建起一個(gè)個(gè)具有生命特征的建筑物,會(huì)成為未來(lái)智能建筑的重要內(nèi)容。
