建筑节能型调湿功能陶瓷的研究与展望
张缇+刘俊荣+周雅琴+梁耀龙
摘 要：随着人们生活水平的提高和环保意识的增强，以绿色、低碳、环保、资源循环利用为基本概念的建筑陶瓷，以及产品对环境的协调发展，将成为陶瓷未来发展的趋向。本文对建筑节能型被动调湿功能陶瓷的研究现状进行了阐述，并对其应用技术及市场前景提出了展望。
关键词：建筑节能；被动调湿；功能陶瓷砖
1 引言
随着人们生活水平的提高和环保意识的增强，以绿色、低碳、环保、资源循环利用为基本概念的建筑陶瓷，以及产品对环境的协调发展，将成为陶瓷未来发展的趋向。我国是世界上最大的建筑材料生产和消费大国，随着中华人民共和国工业和信息化部《建筑卫生陶瓷工业“十二五”发展规划》、《新型建筑材料工业“十二五”发展规划》等相关政策的出台，在节能环保方面提出了更高的目标，这也是陶瓷产业首次列入国家战略的范畴。推动建筑卫生陶瓷的绿色化，是行业发展必须解决的重大课题，绿色化发展也是我国建筑卫生陶瓷行业可持续发展的重要保证和努力的方向。
空气相对湿度是表示空气中水汽的多少，即干湿程度的物理量，是衡量室内环境的一项重要参数，它对人体健康、室内空气质量，以及物品的存放都有重要意义。过高或者过低的湿度都会影响人体健康，对物品的保存、仪器的寿命等密切相关。国家《空气质量标准》规定室内相对湿度标准值，夏季空调房间为40%～60%，冬季采暖房间为30%～60%。我国潮湿地区年平均相对湿度在70%～80%，有时高达95%～100%[1]，北方干燥时期的相对湿度甚至可以达到10%以下。这些地区的建筑要达到室内环境的热舒适要求，就需要采取高效的方法解决相对湿度带来的室内环境质量问题。目前，按是否消耗人工能源可将湿度控制调节方法分为主动式和被动式两种。前者即空调技术，是目前普遍采用的方法，但存在耗电大，污染环境、破坏生态，以及引发“建筑室内综合症”等问题，不符合可持续发展战略。后者是利用可再生能源或材料的吸放湿特性来控制调节湿度，无需消耗任何人工能源，是一种生态性控制调节方法。
近几年，我国已进行了一部分与调湿材料相关的研究，大多集中在硅胶、高分子聚合物、无机矿物质以及复合材料上，但由于调湿机理的复杂性，这方面的研究进展缓慢，某些调湿产品存在制造工艺复杂、生产成本高、湿容量过小、调湿速度慢等缺点。所以，工艺简单、生产成本低廉，且调湿性能优良的调湿材料，将成为目前调湿材料研发的主要方向。
从能耗和能效上可以反映出一个国家生活质量的高低，以及经济效益的大小。从长远来看，也是国家可持续发展能力的具体体现。现在我国正处于房屋建设的战略机遇期，到2020年，我国还要建造约300亿m2的建筑。也就是说，中国正以前所未有的规模和速度建造高能耗建筑，这些高能耗建筑将在近百年的时间内大量消耗我国宝贵而稀缺的能源。
建筑节能技术种类很多，如：被动技术是针对建筑物整体而提出的一种建筑节能技术，它按照作用对象可分为作用于建筑物屋面；作用于建筑物墙体；作用于窗、阳台等开放空间三种。被动蒸发冷却技术结合了被动技术及蒸发冷却技术的特点，利用清洁无污染的能源——水、太阳能来降低建筑物维护结构的冷负荷。随着现代建筑业的不断发展，为了节省占地空间，出现了越来越多的高层建筑。高层建筑的出现使得建筑物墙体面积比例大大增加。据统计，在建筑物空调能耗中建筑物维护结构所占能耗比例大约为25%～50%[2]。因此，将建筑物墙体作为主要的研究对象，在干热的夏季，将具有调湿功能的建筑陶瓷材料作为墙体或者贴附于墙体的外表面，研究其制冷运行情况将对建筑节能有着重要的意义。
2 调湿功能陶瓷的国内外研究现状
“调湿材料”这一概念是由日本学者西藤宫野[3]首先提出来的，是指不需要借助任何人工能源和机械设备，依靠自身的吸放湿性能，感应所调空间空气温、湿度的变化，从而自动调节空气相对湿度的材料。用调湿材料调节房间的温、湿度就是利用材料的多孔性结构，以及水蒸气在孔中的扩散而起到调湿作用，并且在调节湿度的过程中吸收或者释放汽化潜热，从而调节室内的温度。对于那些全年所需除湿量与加湿量相当的房间，如果房间内部采用调湿材料把除湿阶段的余湿储存起来，到需要加湿时再释放出去，那么该房间将不需要其它的除湿、加湿设备，这样既可以替代传统空调处理方式达到调湿效果，又可节省电能，起到节约能耗，减少排放的作用，而且能明显改善室内空气品质；对于居住建筑室内湿度环境改善，实现全面建筑节能，促进可持续发展，具有重要的理论意义和应用价值。
在20世纪60年代，调湿材料这一概念被西藤宫野提出，随后日本的材料工作者就前赴后继地展开调湿材料的研究及应用工作。日本在1980～1987年期间，大约在近百项工程中使用了调湿材料，对文物及重要的美术书刊的保护与保管起了很大的作用。近几年，日本的调湿材料研究专利呈上升的趋势，主要是无机调湿材料。
日本的INAX公司（2002）用石灰、铝矾土、砂等通过混练制成湿度控制抹面材料；国立产业综合技术研究所前田雅喜将水玻璃、氢氧化铝与高岭土混合，并经800～1150℃煅烧成型，制成具有湿度调节功能的铝基调湿材料；JANIS公司（2002）利用海泡石、硅藻土、沸石和轻质混凝土的一种或几种和无机粘结剂为原料，经过成型干燥制成湿度控制材料。日本INAX公司最近研制开发出一种“健康建材”，不仅降低了有害化学成份的含量，且更具有调节室内湿度的作用[4]。此外，日本还申请了多项关于湿度调节或控制材料的专利，奠定了日本作为调湿材料研究领域的主导地位。
相对于日本对新型无机非金属类调湿材料的研究，国内关于调湿材料的研究尚停留在初级阶段，1990年7月，清华大学土木系建材研究室开展了调湿材料的研究[5]。1991 年12月，该研究室与日本大学生产工学部的笠井芳夫等联合进行了“关于采用天然沸石作调湿材料”试验研究。
田福祯[6]等筛选了几种无机材料及合成的硅酸钙，并对其调湿性能进行了测试；复配了五种调湿材料，与日本样品进行试验对比。其结果表明，这五种调湿材料的调湿性能达到了日本样品的水平。
王新江[7]等利用煤系高岭土为原料制备了自律型调湿材料，其产品是采用选择性浸取法，以煤系高岭土为原料制备的多孔质烧成品，通过对烧成品的比表面积、细孔容积、细孔径分布及水蒸气吸附量的测定，评价了其调湿特性。古绪鹏利用氧化钙和含结晶水的无机盐在一定条件下能形成稳定的不溶、透气性好的薄层等特点，探索研制了一种低成本，能自动调节室内湿度，且耐湿擦性好的内墙涂料。
总而言之，国内对于被动式绿色调湿材料的研究及产品都尚未成熟。由于目前国内相关调湿产品尚处于初开发阶段，研发出的调湿产品还存在许多问题，有机调湿材料虽然吸湿量大，吸湿速度快，但放湿量小，放湿速度慢；蒙脱土具有天然的多孔和层状结构，作为湿度调节剂，湿容量较小；某些新型的调湿材料虽然调湿性能较好，但具有制造工艺复杂、生产成本较高等缺点。迄今为止，未见价格适中、性能良好的调湿材料产品推出，且完整的吸、放湿理论的研究和科学系统调湿材料性能评价体系的建立尚待完善。
3 调湿功能陶瓷的发展趋势
在我国工业、建筑、交通和生活四大节能产业中，建筑节能被视为热度最高的领域，是减轻环境污染、改善城市环境质量的一项最直接、最廉价的措施。随着我国城镇化、工业化进程的加快，以及社会主义新农村建设的逐步展开，每年竣工的房屋建筑面积约为20亿m2。预计到2020年底，全国房屋建筑面积将新增250亿～300亿m2 [8]，也就是说，中国正以前所未有的规模和速度建造高耗能建筑，这些高耗能建筑将在近百年的时间内大量消耗我国宝贵而稀缺的能源。但是到目前为止，大部分建筑物都不节能，因此，开发出具有节约土地、能源、淡水、矿产资源的产品将是目前大家关注的课题。
建筑用能包括建造能耗和使用能耗两个方面。据统计，我国总能耗中建筑能耗占30%左右（工业能耗占60%，交通能耗占10%）。其中，空调能耗占建筑能耗的50%～60%，照明能耗占建筑能耗的20%～30%。如果延续目前的建筑能耗状况，预计到2020年，我国建筑业每年将消耗1.2万亿度电和4.1亿吨煤，接近目前全国能耗的3倍，加上建筑能耗所占比例（16.7%），建筑建材能耗约占全社会总能耗的46.7%。因此，降低建筑材料的总体生产能耗，提高墙体材料的被动调湿等绿色环保性能迫在眉睫。因此，将建筑物墙体作为主要的研究对象，无论是在潮湿的春季还是在干热的夏季，将具有调湿功能的建筑陶瓷材料作为墙体或者贴附于墙体的内、外表面，利用其自身的调湿特性能延缓空调或者除湿机的开启频率、减少设备初投资与运行费用，具有明显的经济性。同时，该材料也具有非常广泛的市场前景，值得大力推广。
4 结语
随着材料不断向着高性能化、功能化、智能化、生态化的方向发展，现代建筑技术既要求建筑材料本身具有安全、轻质、高强、耐久等特征，又要求建筑材料在制备、使用与废弃等过程中对环境负荷小，对资源、能源消耗少。所以，能开发出具有自清洁、自调湿、自调温、吸波等功能的生态建材对改善人类生活环境、促进循环经济、可持续发展具有重要的意义。
参考文献
[1] 余晓平.夏热冬冷地区住宅新风能耗分析和降温除湿方式的研
究[D]. 重庆：重庆大学，2000.
[2] 黄翔，范影，狄育慧. 用于墙体表面的多孔调湿材料实验研究[J].
西安工程科技学院学报，2006（6）.
[3] 西藤宫野，田中. 屋内湿度变化と壁体材料[R].日本建築学会研
究报告：第3集. 福罔：秀巧社印刷株式会社，1949（21）.
[4] 广东家具网整理.日本开发除湿地板薄膜[N]. www.driveryes.com.
[5] 冯乃谦，李桂芝，刑锋. 调湿材料的研究[J]. 新型建筑材料，1994（6）.
[6] 田福祯，李晓丽，刘治虎，等. 湿度调节材料的试验研究[J]. 天津
轻工业学院学报，1995（2）.
[7] 王新江，渡村信治. 利用煤系高岭土制备自律性调湿材料的研
究[J].中国非金属矿工业导刊，1998（6）.
[8] 黄翔，范影，狄育慧. 用于墙体表面的多孔调湿材料实验研究[J].
西安工程科技学院学报，2006（20）.
