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有记录以来最热的一年刺激了气候适应性建筑材料的创新

admin 设计体系结构 2024-01-29 109浏览 0

这些突破性技术成为应对极端温度、创建气候适应型建筑的关键

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相变材料 (PCM) 处于最前沿,为建筑物的温度调节提供创新的解决方案。封装和集成技术的进步及其在各种气候下经过验证的有效性,使相变材料成为可持续和高效建筑施工的关键技术。

在一个以极端气候为标志的时代,2023 年成为有记录以来最热的一年,全球气温比 20 世纪平均气温飙升至 1.18 摄氏度。这一令人震惊的统计数据凸显了对气候适应型建筑的迫切需求。联合国环境规划署 (UNEP) 强调了五项加强建筑应对气候变化的战略。“增强对热浪的抵御能力”和“增强对寒冷的抵御能力”这两种方法解决了结构需要适应更广泛的温度波动以及伴随这些波动而增加的能源需求。

这些努力的前沿是相变材料(PCM),它提供了一种管理建筑温度的新颖方法。这些材料是热介质,可以通过利用材料的相变(例如从固体到液体或反之亦然)来存储和释放大量能量。长期以来,建筑外墙一直被认为是 PCM 的一个有前景的应用,因为它们具有增强外墙热性能的潜力。PCM 有助于控制建筑围护结构的热负荷,从而减少运行能源,并有助于实现和维持最佳的热舒适水平。相变材料可分为三类:有机相变材料(例如石蜡)、无机相变材料(例如盐水合物)和共晶相变材料(例如氯化钠和水)。

然而,挑战在于它们的应用。当相变材料转变为液体时,它们就有泄漏的风险。封装可以在宏观层面上使用管子、通道或其他组件来实现,或者在微观层面上使用微小的塑料涂层球体来实现。然而,每种规模都有其缺点。“微胶囊对建筑材料的强度和耐久性有负面影响,”普渡大学土木工程助理教授Mirian Velay-Lizancos解释道。“宏观封装限制了建筑材料的形状和生产方法。”

Velay-Lizancos 提出了一种创新解决方案,利用液体浸没和真空将 PCM 融入预制建筑模块,而不受这些限制。这种处理增强了标准矿物产品,如砖、铺路材料、混凝土砌块和干墙。浸浴方法将相变材料集中在建筑单元的表面附近,这是这些材料抵抗温度波动最有效的地方。Velay-Lizancos 对不同水灰比的砂浆进行的实验表明,热惯性增加了 24%,而只有 7% 的体积由浸入式 PCM 组成。改性砂浆的抗压强度也提高了 22%。此外,由于相变材料注入建筑模块的毛细孔中,因此不会发生泄漏。

另一项突破来自德克萨斯农工大学,该公司的研究人员开发了一种由相变石蜡和光敏液体树脂组成的可 3D 打印复合材料。石蜡以粉末形式均匀地混合在整个树脂中,形成适合 3D 打印的柔韧糊状物。树脂的光激活特性使得复合材料可以用紫外线固化成刚性材料。石蜡分布均匀且无泄漏问题,可实现高达 70% PCM 的复合混合物。初步测试表明,由于 PCM 比例较高,与非 PCM 版本相比,热响应提高了 40%。德克萨斯 A&M 的材料科学家Emily Pentzer将这种增材制造方法想象为一种多功能技术,可为新的和现有的建筑组件添加 PCM 功能。她说:“使用可扩展的方法将相变材料集成到建筑材料中的能力为在新建建筑和现有结构中产生更多被动温度调节提供了机会。”

将 PCM 的热特性转化为有形的性能指标(包括 PCM 在炎热和寒冷气候下的表现)是该材料广泛采用的基础。2021 年的一项综合调查表明,相变材料在炎热气候下性能最佳。然而,立陶宛考纳斯理工大学2023 年的一项研究表明,相变材料在寒冷气候下的表现优于温暖气候下的相变材料。考纳斯团队在三个欧洲纬度进行了十六次模拟:哥本哈根、米兰和雅典。研究人员采用能源回收期标准,即运行节能来抵消 PCM 成本所需的时间,发现 PCM 在寒冷地区的能源回收期最短。该团队还在评估 PCM 应用时优先考虑对现有结构进行改造。“现有建筑的热性能评估是非常有价值的信息,在做出改造决策时非常有用,”高级项目研究员 Eglė Klumbytė解释道。

尽管取得了这些进步,但在建筑领域更广泛地应用相变材料 (PCM) 仍然是一项正在进行的工作。然而,PCM 带来的好处并不是什么新鲜事。例如,考纳斯团队在描述策略时参考了苏格拉底 2500 年前关于气候适应建筑方法的描述。“当时,[苏格拉底]指出建筑物的北墙需要比南墙更厚,因此我们认为在考虑其结构组成时墙的方向至关重要的想法与苏格拉底的观点有关。” 通过这种方式,相变材料所代表的不仅仅是现代创新,而是一种长期的、常识性的、古老的愿望的延续,即创造与环境相和谐的建筑。

作者的观点和结论并不一定代表《ARCHITECT》杂志的观点和结论。

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