第4章　绿色建筑与纳米技术

4.1　纳米技术的绿色建筑应用概述

建筑物的设计、建设和运营费用全球现在已经达到了每年1万亿美元，然而其中大部分都没有涉及纳米技术。以美国为例，在2006年的关于纳米材料或技术应用于建筑行业只有不到2000万美元。然而，未来整体的建筑行业都在向更加绿色、环保的方向移动，这将是纳米材料大规模应用于建筑领域的一个契机，它将会给纳米技术或产品的制造商和供应商额外提供一个每年数十亿美元的机会。对于建筑师、工程师、开发商、承包商和房产拥有者来说，新的纳米材料和纳米技术随着市场需求的不断提升将不断被开发出来，它们将有效地改善人们居住的环境，并且将积极推动绿色建筑和生态建筑的不断发展。

纳米技术是一种分子尺度上的物理工艺，它将给不同的行业带来新的材料和新的可能，如电子工业、医药、能源以及航天。我们设计和开发新材料的能力将自上而下地影响建筑工业。基于纳米技术的新材料和新产品可以应用于建筑材料的许多方面，如房屋的保温、涂料以及太阳能技术。现在还在实验室的纳米技术将很快应用于光照产品、结构产品及能源产品上。

在建筑行业，纳米技术已经给市场带来了自清洁窗户、无尘混凝土，以及其他许多进步。但是这些进步及目前的产品还只是当今世界上纳米实验室中很小的一部分技术产品。在这些实验室中还有许多先进的技术，例如，通过一个自翻转开关来调节自照明墙的颜色；一些高强度的纳米复合材料，薄得像普通玻璃一样，却能支撑起整个建筑物；以及一些具有光合作用的表面，其应用于墙壁上可以减少建筑能耗，节约能源。到2020年，建筑材料市场预测美国的纳米材料市场规模将达到60亿美元，这将是2006年的近30倍。

4.1.1　绿色建筑

随着建筑行业快速向可持续发展方向转型，纳米材料在建筑行业应用的最好时代来临了。鉴于日趋严重的环境问题，绿色建筑是当今时代的主题。在美国，能源服务在住宅和商业及工业建筑中的比重占了总量的43％。在当今世界，建筑物耗电量占世界发电总量的30％～40％。在美国，因建筑行业带来的垃圾占全美垃圾总量的40％，而室内空气问题给美国政府每年增加了600亿美元的医疗保健支出。森林砍伐、水土流失、环境污染、土地酸化、臭氧空洞、化石能源枯竭、全球气候变暖和人类健康风险都可以归结于一些建筑运营和施工的措施。显然，建筑在当前环境问题中发挥着主导作用。图4-1所示为建筑行业对环境的影响。

当今建筑行业拥有一个巨大的机会来改善现有环境并且提高人们的健康水平。所有的减少建筑物的浪费，降低其毒性，节约能源及其他资源都可以称为绿色建筑。现如今绿色建筑快速发展到主要城市，如芝加哥和西雅图正大量需求严格符合环境标准的建筑物。越来越多的公共和私人业主需要那些满足严格的可持续发展标准的建筑物，例如美国绿色建筑委员会建立的环保节能设计标准。美国建筑节能模型委员会关于住宅类的标准和美国采暖、制冷空调工程师学会关于商业用建筑标准提出了更加严格的节能需求。同时，欧盟的关于建筑能源评估设定了新型建筑的低能耗标准。

在2007年，美国1420亿美元的建筑市场中有关绿色建筑市场已经达到120亿美元。并且随着全世界的业主、建筑师和建造者越来越致力于绿色建筑，关于建筑行业传统的角色将发生改变，它将从一个对全球环境和气候破坏的主要原因变为一个可以最大减少碳排放、资源浪费和能源消耗的产业。

分析全球的气候环境变化，我们可以知道，绿色建筑是我们最主要的治愈地球的机会。“解决全球气候异常”是美国太阳能协会发起的一项运动，他们经过系统的考察后认为，节约能源、减少碳排放的任务的40％需要由建筑行业来承担，而剩余60％的任务则由交通运输业和工业各承担一半。更好的建筑设计及采光，更加有效的人工照明，以及更高的建筑组件和家电的节能效率都将使得建筑行业成为解决气候变化、推进可持续发展和能源保护的领头羊。

绿色建筑的实践者在寻求可持续发展的道路，他们认为在设计、建造和运营建筑的时候“不能以损耗未来几代人的利益来满足当今的发展”。他们努力减少煤炭、石油、天然气和矿产等不可再生资源的使用，并且还努力减少产生的污染和浪费。能源保护是绿色建筑至关重要的一点，因为它可以同时减少资源的使用及减少污染和浪费。

但是，现有绿色建筑的发展距离目标仍然存在着一些距离。经济和教育是一方面因素，关于对绿色建筑的宣传也需要继续加大力度，例如关于绿色建筑的设计和施工成本要比传统能耗高的密集型建筑低5％，绿色建筑的维护运营成本也要低于传统建筑。政策、法规和标准同样有着重要的作用，它们随着时间而迅速地发生着变化，因为这样可以使得更加环保的产品（如可再生材料和废水处理循环利用系统）不断更新换代。

但是，为了增加建筑行业成为可持续发展领头羊的潜力，新的材料是迫切需要的。例如为一个以木质材料为主的院子购买新的地板材料，传统的选择只有含砷的压合板、原始不可再生的红木或者是有毒的塑料制品，这些都是对人体或是环境有害的。为了节约能源而安装阁楼进行绝缘，通常会选择玻璃纤维或是类似的替代品（如聚苯乙烯），或是含有阻燃化学物质的纤维素，这些同样是对人体和环境有害的。当前玻璃是非常差的一种绝缘体，它将导致建筑物能源消耗的增加。而目前最常使用的PVC管道的备选方案可以杜绝一些致癌物质，使人们使用起来更加健康，但是这些都更加昂贵和稀缺。现在，纳米技术可以为现有传统建筑材料带来新的产品和新的可能性。

4.1.2　纳米技术

纳米技术，是一种在一定尺寸上对物质的理解和控制技术，其尺寸在1个到100个十亿分之一米之间，它给全球的科学和工艺带来了巨大改变，图4-2所示为纳米尺寸的对比。2006年关于纳米技术的产品产值达到了130亿美元，而在2020年将超过1万亿美元。2008年，美国在纳米技术的研发和生产上投入了80亿美元。

通过在分子尺度上的工作，纳米技术开辟了新的材料设计的可能性。在纳米尺寸的世界里，遵循着量子物理学规则，相对于宏观尺寸上使得物体更加容易发生颜色、形状、相态的变化，基本的性能（如强度、单位质量的表面积、导电性以及弹性模量等）可以被设计改变，从而创造出截然不同的材料。

纳米颗粒与大颗粒相比，其表现出独特的机械性能、电学性能、光学性能以及化学活性。图4-3所示为纳米尺寸的碳纳米管的扫描电镜照片，其为C原子在纳米尺度上为管状结构，其强度是铁的250倍，但是质量仅为铁的1/10，并且具有优异的导电、导热性能。当我们在纳米尺度上来探索生物领域的时候，通过对纳米科学和纳米技术的研究，我们打破了传统的收敛性合成，并且积极地扩充了生物材料。穿插于传统生物系统和非生物系统使得我们能够研发设计出更多的新型材料，这些对二者都有重要意义，但这同时也引发了一些道德性问题。生物材料和生物复合材料的进步与纳米技术的发展息息相关，并且关于它们的大规模应用肯定会在不久的将来得以实现。

新材料和新技术也会带来新的隐患。使用纳米技术后将对环境和人身产生许多的不确定性因素，人们在使用它后会产生对毒性、工作健康以及安全性能等的担忧。而针对纳米材料和产品的法律法规需要较长的时间才能被制定出来，这一方面是因为基于小尺寸调节材料的困难，并且缺乏公众对其严厉监管的支持，同时因为各个公司与企业需要在未来规避一些小的问题，于是纷纷建立自己的企业标准，使得它们缺乏统一。

4.1.3　纳米技术与绿色建筑

美国化学协会-绿色化学研究所的主任Paul Anastas认为“纳米技术并不是人类的一种选择，而是未来可持续发展必不可少的技术”。现如今纳米技术的不断发展证实了Anastas的观点。纳米技术带来了新的材料与技术，这为解决全球气候变化和世界环境污染带来了巨大的动力。根据市场研究报道“纳米技术应用于能源可持续发展”，纳米技术的应用使得2007年减少了8000tCO2排放，而在2014年因为纳米技术的应用已经减少了100万tCO2排放。

纳米技术被用来减少全球的碳排放主要体现在三个方面：首先在交通运输行业上；其次在商业建筑和住宅建筑的改善上；最后在新型能源，如太阳能光伏上。值得注意的是这三个方面的最后两个方面都可以应用在建筑行业上，这表明在未来，建筑行业将领导绿色纳米技术革命。

现如今市场上越来越多的有关纳米技术的产品和工艺可以创造更多的节能建筑，提供无毒无害的材料，减少浪费，并且降低对不可再生资源的依赖。另外，可以极大地改善生活环境，提高建筑能源利用效率。纳米技术应用于建筑节能产生了一些新的材料，例如碳纳米管、纳米隔热涂料，以及光触媒的应用。纳米材料可以提高建筑强度、耐久性，是多功能性的结构、非结构性建筑材料，可减少材料的毒性，同时还可以提高建筑的保温性能。图4-4所示为2007年纳米技术的市场分类，可以发现建筑施工还没有成为纳米技术市场的主要方面。表4-1所示为环保型纳米技术的排名，可以发现大多数的纳米技术都可以应用在建筑行业上。

图4-4和表4-1说明建筑行业并不是唯一可以利用纳米技术的领域。但是这对于建筑行业和纳米产品销售人员来说并不是坏消息。建筑行业需要很长一段时间才能适应新技术，并且纳米时代毫无疑问是未来的主流发展方向。公共建筑和私人住宅的拥有者们对环保材料的需求，许多场合强制性的要求，越来越严苛的环保准则，这些都使得建筑师和工程师倾向于选择更加环保的材料应用在建筑上。正因为如此大的需求和纳米材料在环保领域内的巨大优势，未来纳米技术将大规模应用于绿色建筑。

下面通过隔热节能玻璃、自清洁玻璃、隔热涂料、大理石防水剂和光触媒来介绍纳米技术应用于绿色建筑前沿领域的一些成果，这些成果现在已经在建筑领域里被大规模使用，并且还在不断地更新和发展中。