北京汉兴帝业建筑工程有限公司 101300
摘 要：对目前几种常用绿色建筑材料在国内外的研究现状及应用状况进行简述，对其存在的问题进行总结与分析，探讨其潜在的负面影响，并对其在未来绿色建筑应用中的发展趋势进行展望，得出以下结论：未来绿色建筑材料的发展要注重多种材料的复合，充分发挥不同种材料各自的优势以弥补某种单一材料所存在的缺陷；注重材料的循环利用，避免由于材料替换所带来的二次污染；开发研制新材料、新技术以改善现有材料在绿色建筑应用中的缺陷和不足。
关键词：绿色建筑材料；绿色建筑；节能；潜在负面影响；发展趋势
A Review of Research and Application of Green Building
Materials and Their Developing Trends
ZHU Yuliang
(Beijing Hanxing Diye construction engineering co. LTD)
Abstract: In this study,the research status and practical application of frequently used green building materials were surveyed,in addition to a brief analysis of existing problems in the cur- rent study.The potential negative effects of existing green building materials were discussed and developing trends in green building materials were forecast.We conclude,in the future develop- ment of green building materials,attention should be given across the complete suite of materials used in order to give full play to the advantages of various materials and to make up for any de- fects in a single material; attention should also be paid to the use of recycled materials to avoid secondary pollution caused by the material substitution; research and development of new materi- als and new technologies should be encouraged to improve the defects and deficiencies of existing materials used in green buildings.
Key words: green building materials;green buildings;energy conservation;potential negative effect;developing trend
0引言
随着社会经济的发展和低碳时代的来临，建筑业越来越朝着低碳建筑和绿色建筑的方向发展?目前，绿色建筑发展所依据的主要经济技术指标包括节地?节能?节水?节材?环境保护等方面，而这些四节一环保的建筑材料的应用发展趋势进行展望?
1建筑围护结构的节能保温材料
围护结构（外墙?门窗玻璃和屋面）用于抵御外部恶劣环境的侵袭，阻挡外来噪声?射线等有害物质的侵扰，具防热御寒?使室内形成舒适环境的作用?且其在绿色建筑节能设计中占有很大比例，因此研究和开发建筑围护结构的节能保温材料对绿色建筑的发展和创新具有重大意义?
1.1外墙的节能设计
外墙作为最主要的围护结构，其设计旨在提高和改善其热工性能，即通常所说的外墙要具有良好的保温隔热效果?国内外学者对外墙的保温材料进行了较为系统的研究?郭幻等[1]研究分析了在烧结烟气脱硫灰化物特性的基础上复掺钢渣?粉煤灰和水泥制成蒸压加气混凝土砌块，该方法在充分利用工业固体废物的同时降低了水泥的使用量，并改善了传统方法由于脱硫而造成的二次污染?Quan等[2]研究了蒸压加气混凝土砌块在新型节能建筑中的应用，结果表明：新型节能结构体系很好地把蒸压加气混凝土的物理性能与建筑结构的承载能力结合在一起，在新型节能建筑中具有良好的发展前景?顾天舒等[3]通过对比目前我国建筑围护结构节能技术的三种形式，发现在墙体保温中，外墙体保温施工做法的优点最为突出，今后应成为我国建筑墙体保温的主要形式之一及建筑节能保温墙体发展的新方向?张巨松等[4]开发研制了新型保温浆料（夹心墙保温浆料），并在其中加入“膏状”泡沫，结果发现，在强度不同的情况下引入约30%的“膏状”泡沫明显改善了保温浆料的保温性能?王伟鉴[5]探讨了粉煤灰?乳胶粉?氢氧化钙?纤维素醚等材料对无机轻集料聚合物保温砂浆性能的影响，结果表明：掺加合适的粉煤灰?氢氧化钙和纤维素醚能明显改善砂浆的和易性和保温性能；纤维能增强砂浆的拉伸粘结强度?
表1和图1给出了几种保温材料的优缺点及其最高使用温度?可以看出：建筑保温材料主要包括无机保温材料?有机保温材料和有机无机复合保温材料[6]?有机保温材料的抗压性和抗渗性都较好?质量轻?耐腐蚀?使用寿命较长?便于安装拆卸，导热系数低，但由于其最高使用温度较低，很容易引发火灾?表2给出了一些由有机保温材料引发火灾的例子?显然该材料可能引起火灾，会给人民的生命和财产安全带来较大的隐患，因此在绿色建筑外墙节能保温中应该避免单独使用某种有机保温材料，以避免火灾发生?对于无机保温材料，其耐火性能较好，但也存在缺点，如珍珠岩重量大，吸水膨胀会导致墙体开裂等?
1.2门窗玻璃节能设计
门窗作为建筑外墙围护结构的开口部位，不但要满足建筑上采光通风的要求，还要具有良好的节能性能?有资料表明，在我国窗户造成的能耗占住宅建筑能耗的40%，这一数据是发达国家的2至3倍，而对门窗耗能性能影响最大的就是玻璃?国内外学者对其节能效果进行了大量研究?蒋毅[7]介绍了真空玻璃在绿色建筑中的应用，指出真空玻璃的遮阳系数和传热系数可根据不同的设计要求进行选取?卜增文等[8]模拟分析了不同气候条件下Low-E玻璃传热系数和遮阳系数对空调负荷和能耗的影响，并提供了依据气候条件选取各种Low-E玻璃的范围?潘伟等[9]以热量传导的三种方式（导热?辐射和对流）为出发点，对中空玻璃中的空气?玻璃?Low-E膜与环境温度之间的关系和相互作用进行了系统的研究，结果表明Low-E玻璃对阻断建筑物热量的散失能起到关键作用?Gustavsen等[10]采用有限元软件分析了隔热木框?断热铝框和PVC框的三层玻璃系统在不同情况下的热工性能，结果表明U值（边缘传热系数）随固体替代物导热系数的增大而提升，窗框热传递系数随固体替代物导热系数和隔热窗框中隔热材料导热系数的增大而提升?YuepingFang等[11]系统地研究了带电变色层真空玻璃在玻璃涂层不同时的发射率和玻璃嵌入框的深度对热传导的影响，结果发现传热系数随玻璃涂层发射率的提升而增加，传热系数随玻璃嵌入框深度的增加而减小?DannyH.W.LI等[12]对单层玻璃贴太阳控制膜后对空调能耗及采暖能耗的影响进行了实验研究，揭示出玻璃处理前后传热系数等热工性能对能耗的影响效果?
基于以上研究成果，目前门窗玻璃在绿色建筑节能设计应用中主要采用中空玻璃?真空玻璃和Low-E玻璃（低辐射玻璃）?中空玻璃由两层或多层玻璃夹着空气或惰性气体制成，不仅能降低热传导系数，保温效果良好，还具有良好的隔声效果[13]?近年来随着房地产开发的发展，中空玻璃获得迅猛发展，目前在节能玻璃中占据主导地位?但其不足之处是制作与加工流程相对复杂，型材与玻璃之间密封的缺陷或两片玻璃合片时质量不佳会一定程度上影响其节能保温效果，若水蒸气渗入中空层则会直接影响其采光效果，且破损后不便更换[13]，因此不可重复利用?相对于中空玻璃，起步较晚的真空玻璃的传热系数更低，具有更好的保温节能效果?由于真空玻璃自身特殊的真空层，使其具有优良的隔声效果?但从玻璃制造产业技术的成熟性和规模化来说，目前真空玻璃的发展还处在初级阶段，相对于中空玻璃，其制作生产工艺更为复杂，成本投入较大，不适合大规模的使用?但随着生产规模扩大和制造工艺的改进，其价格会逐步降低，在不久的将来，真空玻璃极有可能替代中空玻璃而在节能玻璃中占主导地位?低辐射玻璃Low-E对远红外光具有较高的反射率并具有良好的透光性，能有效降低室内热量的散发，减小外界条件对室内温度的影响，其节能保温的效果显著[13]?但目前国内掌握Low-E玻璃生产和制作工艺的厂家不多，技术受到限制，Low-E玻璃的光学性能和力学性能还有待提高?
针对目前制作节能玻璃存在的问题，一方面应把好质量关，确保玻璃质量良好，完善玻璃行业的相关行业标注和国家标注，并严格执行；另一方面应注重选用新的材料，采用新的制作工艺，提高技术手段，降低制作成本，注重材料的循环利用，充分结合各种玻璃节能保温的优点，研制出一种更适合在未来绿色建筑设计中广泛应用的玻璃?
2相变材料
相变材料（PCM）是一种具有特定功能的材料，在一定的温度范围内（称相变温度），它可以发生物质相态的变化，并伴随着相变过程来吸收或释放出大量的相变潜热，从而可实施储热或蓄冷?相变材料具有储能密度高?储放能近似等温?过程易控制等优点，对解决能量供给与需求失衡难题更为适用[14]?
表3给出了相变材料与传统保温材料（EPS）在性能方面的差异?可以看出，与EPS相比，相变材料在节能保温方面优势显著，正因为此，国内外学者对其进行了大量研究?杜开明[15]利用物理吸附方法制备相变型建筑节能材料，获得了轻质?保温性良好的墙体材料?孟多[16]研究了一种新型相变蓄热材料及其在建筑节能中的应用，制备了相变位温度在20~56℃范围内的定形相变材料，进而以纳米二氧化硅和聚甲基丙烯酸甲酯为基体，研制了适合在绿色建筑中使用的无机纳米材料基定形相变材料和聚合物基定形相变材料?KalagasidisAS[17]研究表明，相变材料可提高建筑物的蓄热能力，可根据建筑物的温度对其进行合理的加热和冷却；相变材料对建筑物保温节能影响显著，其每年对建筑物加热和冷却所节省的能量约占总能量的5%~21%，这主要取决于相变位材料放置的位置?K.Nagan等[18]基于颗粒状相变储能材料增大建筑物蓄热能力的地板空调系统试验研究，得到如下结论：30mm厚地板空调系统装满颗粒状相变材料时每晚能储存89%的日间冷负荷，具有良好的冷/热量蓄能能力?SuatCanhazoglu等[19]对硫代硫酸钠化合物太阳能热水系统进行了系统研究，结果表明，含有相变材料的太阳能热水系统，其热水储存时间?热水产量?总吸收热量等是未采用相变材料热水系统的2.59~3.45倍?.
表3 相变材料与EPS的对比
Table 3 Comparison of phase change material and EPS
目前在绿色节能建筑中使用的相变材料主要有固-固相变储热材料和固-液相变储热材料，其中固-固相变储热材料可分为无机盐?多元醇和高分子交联树脂三类，固-液相变储热材料又可以分为无机?有机和高分子三个种类?
对于固-固相变储热材料，其中无机盐类相变贮能材料主要是利用无机盐固体在同种晶体形态下的变化进行吸热和放热，一般情况下，其相变温度高?变化范围较小，适合在高温条件下的贮能和控温，因此在实际工程中应用相对较少[14]?多元醇类相变材料的相变焓较大，相变温度较高，适用于中?高温条件下的贮能和控温，在低温条件下贮能效果不太理想?这种材料性能稳定，多次使用不会出现分解和分层的现象，使用周期较长，其缺陷是：当达到特定的相变温度以上，将由固态变成流塑性的晶体，塑性晶体蒸汽压较大，容易发生升华，在使用时需用密封容器包装，导致难以充分发挥固-固相变材料的优越性[14]?对于高分子交联树脂类相变蓄热材料，其改变了非交联高分子相变材料在使用时难以定型的缺点，提高了相变蓄热能力，易于加工，具有良好实用价值[14]?
对于固-液相变储热材料，其中无机类相变材料适用于中低温度环境；有机类相变材料具有较高的蓄能能力，一般不会出现分解和分层现象，无毒副作用，但由于该材料价格比较高?熔点低?易挥发，不适用于高温场合；对于高分子化合物类相变材料而言，由于其具有一定分子量分布的混合物，且分子量链较长，结晶不完全，因此其相变过程需具有一定的温度控制变化范围[14]?
由于相变材料自身的优点，其在建筑行业中的应用比较广泛，但同时也存在一些问题：如相变材料的再循环利用问题，相变材料在经过多次储能和放能之后，自身的性能发生退化，很难继续循环使用；相变材料与建筑中其他建筑材料的兼容性问题，由于相变材料自身带有一定的腐蚀性，会对其他材料造成腐蚀?这些问题都是今后相变材料在绿色建筑发展过程中所遇到的亟待解决问题?
针对相变材料在建筑中存在的问题，选择合适的相变材料时应注意：（1）熔化潜热高，使其在相变过程中释放或储存大量的热；（2）相变过程的可逆性；（3）相变材料的无腐蚀性?无毒性；（4）有合适的相变温度?
目前解决这些问题最好的办法是：（1）把相变材料与传统保温隔热材料结合起来，这样既能解决传统保温隔热材料蓄热系数相对小的问题，又能发挥出相变材料节能的优势?该方法在绿色建筑中可以适当采用，但相变位材料要想在未来绿色建筑发展中得到普遍采用，还需要国内外研究者共同努力，去研发可持续利用的新材料，解决目前其自身存在的一些问题；（2）研究将纳米材料合成技术应用于相变蓄能材料中，用来解决既有相变材料导热系数低?易出现分离和分层现象?稳定性差?腐蚀密封外壳等问题?研制和开发满足各种储热要求的纳米结构储热相变材料是今后的发展趋势，更是具有挑战性的研究课题[20]?
3纳米材料
基础纳米技术和纳微粒子的新型建筑材料不仅能够弥补既有建筑材料的某些缺陷，且能更好地发挥既有建筑材料的功能和特点，对于我国绿色建筑材料的发展有着指导意义[21]?就目前形势来看，纳米技术以及纳米材料在建筑领域的研究是一个最新的热点?张瑞锐等[22]研究了目前纳米材料在国内绿色建筑的应用现状，并对存在的问题进行归纳与分析，指出纳米材料潜在的负面效应，并展望其在绿色建筑应用中的发展趋势?刘军[20]研究了建筑中纳米材料的各种性能及其对混凝土的影响，分析了纳米材料在建筑相关领域所带来的经济效益和必要性，并指出纳米材料掺入到混凝土中，使得其各种性能得到改善，是未来新型建筑材料的发展方向?[23]为设计人员提供了纳米材料在绿色建筑应用领域的基本信息，并描述了其在建筑方面的材料特性?功能原理?应用?建筑施工以及潜在的应用价值?Milliron等[24]将铟锡氧化物纳米晶体掺杂到氧化铌玻璃中，通过电解的方法制成了一种新型的智能玻璃，能在不增加额外热量的情况下使室内的采光得到保障，从而减少对人工照明的依赖，适合在绿色建筑中大量使用?
基于上述研究成果，目前纳米材料在绿色建筑中的应用有：环境治理与太阳能转化，用于混凝土材料的改性及智能化发展，门窗玻璃及外围护结构的节能等方面?纳米材料具有很好的伸缩性?防水性?抗异物粘附性?除臭?杀菌?防尘以及保温隔热性能等?尽管纳米材料以其独特的优势为绿色建筑的发展带来了广阔的空间，但其在建筑中大量的使用将释放大量的人工纳米颗粒到空气中，从而带来健康风险和环境污染[20]? LiuZ等[25]通过小白鼠系列实验验证了呼吸系统长期暴露于碳纳米管下将导致循环系统氧化损伤?肺部炎症和纤维化?动脉粥样硬化?全身免疫系统异常等一系列疾病?表4给出了一些在建筑中常用的纳米材料的优点及其对动植物的毒理性能?由此可见纳米材料确实对动植物的健康存在伤害，这也是其在未来绿色建筑应用和发展中需改进的课题?
纳米材料在建筑中的应用已成为国内外研究的一个热点?作为一种新型材料，纳米材料不仅在建筑材料领域有着广泛的应用价值，其在智能建筑?建筑结构设计?建筑加固改造等方面也意义重大，但其本身释放的纳米颗粒对动植物造成的危害是不容忽视的?目前要解决纳米材料在建筑中带来的问题，
关键是要从源头上控制纳米颗粒物的危害?主要措施是：生产应用纳米材料的各个工业环节应防止材料的泄漏，研究设计纳米材料建筑废弃物的分离和提纯方法，制定相关行业标准，降低健康风险；同时提升和改善纳米材料本身的性能，减少纳米颗粒的使用，延长其使用寿命，并保证在其全寿命周期内的安全；提高纳米材料再回收?再利用和再处理技术[20]，研究开发可循环利用的新材料，避免由于材料更换带来的二次污染?
4结论
本文总结了近年来国内外建筑业所使用的一些绿色建筑材料，对比分析了现阶段绿色建材的研究现状与应用状况，结果表明，现在的绿色建筑材料普遍存在生产成本高?制作工艺复杂?材料单一?不可重复利用等问题?这些问题为未来绿色建材的发展指明了方向：
（1）注重多种材料的复合使用?研制开发复合材料，包括物理材料与化学材料的复合，有机材料与无机材料的复合等，以弥补某种单一材料所存在的缺陷，发挥材料各自的优势，改善其工作性能?
（2）注重材料的循环利用?建筑作为自然环境的一部分，只有注重建筑材料的循环利用，未来的建筑才能朝着低碳?绿色的方向发展?将新型材料应用于建筑中，不仅要关注其是否带来建筑能耗的减少，还要强调能源和材料循环化利用，尽可能使用废弃物回收利用加工而成的再生能源，少使用天然能源?
（3）开发研制新材料?新技术以改善现有材料在绿色建筑应用中的缺陷和不足?关注新型建筑材料在其全寿命周期的使用过程中对空气?水体?土壤以及生物体的影响，趋利避害，使建筑材料朝着多元化?多功能化的方向发展，并确保产品有益于人体健康，改善生活环境?
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论文作者:朱余良
论文发表刊物:《防护工程》2019年第6期
论文发表时间:2019/9/20
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