基于建筑内表调温/调湿材料的复合机理及节能技术研究

针对目前材料学界分别以相变调温材料或多孔调湿材料单独作用而展开室内居住环境舒适度研究的现状，本项目旨在提出调温和调湿基元材料复合的新思路前提下，通过对相变微纳米胶囊壁材的结构进行创新性改进，研究调温调湿双功能建筑材料的实现技术和性能表征，探索典型地区的建筑室内在自然通风条件下，冬夏季节调温调湿材料协同效果的理论，揭示基元材料复合的作用机理，为建立含有相变固相基多孔吸湿材料在建筑围护结构中传热传湿的数学模型奠定基础，以此为依据提出双调建筑材料在室内模拟环境中节能效用评价，为建筑节能与室内环境舒适度之间相互矛盾的解决提供理论基础。

通过优化建筑设计、选型、构造虽然可以降低建筑能耗，然而，就居住建筑环境的舒适度而言，构成建筑内表材料所具有的调温调湿多功能化，才是赋予建筑节能更直接效应的方法。因此，研发新型多功能材料是实现建筑节能不可缺少的技术途径。本项目瞄准了建筑、环境、材料等交叉学科的热点问题，以材料为主线进行了试验及理论应用的系统研究。首先，提出以相变材料为调温基元材料，以亲水性材料为调湿基元材料，开展对两种基元材料制备参数的优化和复合机理研究。从多层次上（微米级、微纳米级、纳米级）研究不同制备方法（原位聚合再界面聚合、细乳液界面聚合、溶胶凝胶）对调温芯材和调湿壁材双壳结构胶囊的形成及影响，制备出了不同尺度的双壳胶囊，双壳胶囊的调温调湿性能研究表明，内壳包裹相变芯材，亲水性材料包裹内壳形成吸湿外壳，突破了单壳相变胶囊仅有储能性能而不能兼具调湿功能的瓶颈。其次，从充分利用多孔材料吸湿特性角度出发，对不同多孔材料（一维、三维）孔结构进行分析，采用真空注入与吸附联合方法，将相变材料浸入多孔材料内部，通过优化浸入量与存留孔隙比例，制备出以吸附相变材料多孔载体为调温基元和存留孔隙为调湿基元的多功能材料，采用XRD衍射分析、SEM扫描电镜、压汞仪等手段给以了热湿性能的测试与分析，拓展了多孔载体功能化的技术途径。为进一步探索调湿无机壳层与调温有机相变材料的复合，采用溶胶-凝胶化学合成方法，将相变材料嵌入二氧化硅“笼”结构中形成相变复合材料，并对制备出的纳米级相变储湿复合材料进行调温调湿性能测试，采用红外光谱、扫描电镜、氮吸附、差示扫描量热法、热重法等进行了机理分析，解决了有机亲水壳层与建筑材料相容性差的弊端。最后将其作为调节剂与传统建筑石膏材料相复合，研究不同掺量调节剂对石膏胶凝材料储温性及储湿性能影响，确定赋予石膏作为墙体内表材料的调温功能的同时验证了其调湿作用。在上述试验研究基础上，提出了含有相变材料建筑墙体传热传湿数学模型，并进行了模拟房的测试，结果表明：所提出的理论分析模型与试验数据有较好的一致性，同时进行的节能技术评价表明，既有调温又有调湿的多功能材料，对提高室内环境品质，减少主动式采暖或空调能耗，发挥被动式节能优势具有重要的意义。