铜与建筑的节能和环保
上一篇 / 下一篇 2006-09-04 23:27:29 / 天气: 晴朗 / 心情: 高兴 / 个人分类：技术研究
摘要：本文通过对金属铜基本物理化学属性的分析，结合当前绿色建筑的发展趋势，对铜在建筑的节能和环保方面的应用作了详细的阐述，最后指出在绿色建筑发展的大背景下，人们需要改变铜的消费观念，让铜的优良性能在改善人们的日常生活中发挥更加重要的作用。
关键词：铜 绿色建筑 建筑节能 环保 消费观念
铜是一种古老金属。铜的出现，是人类文明的一大飞跃。中华民族的祖先早在三千年到四千年前的商、周时代就从石器时代进入了著名的青铜时代，铜及铜合金首先被用于制造武器，而后在生活器具、钱币、生产工具等方面得到广泛的应用。铜在人类认识和改造大自然的进程中，起到了十分重要的作用，是人类文明进步的标志。
北京万国城Moma国际公寓铜窗 西周初期青铜器
1. 铜的基本属性与建筑的节能、环保
铜在化学元素周期表中位于IB族，与金银同族。该族元素的特点是化学稳定性好。铜在常温下的大气中不容易氧化，在含CO2、SO2的湿空气中，铜的表面会缓慢生成碱式碳酸铜、碱式硫酸铜的绿色混合体（铜绿）。铜绿组织细密，与铜基体的结合紧密，防止了基体的继续氧化。因此，铜在大气中是耐腐蚀的。再加上铜的导热性能和导电性能位居金属前列，仅次于贵金属银，因此铜被广泛应用于电力、建筑、汽车、通讯、家用电器及电脑等工业部门。
1.1. 节能
(1) 导电性性能优越。
铜的导电性仅次于银，居金属中的第二位。因而，电线电缆行业是用铜、用精铜的大户，品位都在99.95％铜及以上，乃至A级高纯铜，以保证作为导体的导电率。电线电缆用铜主要有裸线、电气装备用电线电缆、电力电缆、通信电缆与光缆和绕组线五大类产品。
(2) 导热能力强。
铜因为其优良的导热性能，被广泛的应用于换热设备，日常生活中取暖用的暖气散热片、空调系统中的蒸发器和冷凝器、汽轮机装置中的凝汽器和航天火箭上的油冷却器等。它是提高能源利用率的主要设备之一。
空调直管 空调表冷器（铜翅片）
1.2. 节材
(1) 铜的化学性能稳定，耐腐蚀，耐热，可在不同的环境中长期使用，铜管的使用寿命约为镀锌钢管的3～4倍。
铜水管既能耐热、耐火，且有极好的低温性能，具有一定的抗冻胀性能。铜管接头的连接为同质连接，其连接的可靠性易于控制。北京协和医院上世纪20年代安装的铜水管历经80年，依然性能良好，说明铜水管具有使用寿命长的特点。因而铜的使用对目前国家所倡导的“建筑节材”是十分合适的 。
(2) 铜可以再生继续使用，有利于环境保护，世界上90%的废铜得到再生利用。
在所有金属中，铜的再生性能最好。废铜是铜工业的一个重要原料来源。废铜按其来源有两类。一类是新废铜，它是铜工业生产过程中产生的废料。另一类是旧废铜，它是使用后被废弃的物品，如从旧建筑物及运输系统抛弃或拆卸的叫旧废杂铜。铜和铜基材料，不论处于裸露状态，还是被包在最终产品里，在产品寿命周期的各个阶段都可回收再生。一般来说，用于再生的废铜中新废铜占一半以上。而全部废杂铜经再加工后有大约1/3以精铜的形式返回市场，另2/3以非精炼铜或铜合金的形式重新使用。
回收的铜其性能与原生铜完全一致，并不对环境产生污染。回收的铜大部可直接当原料使用或经分选后直接使用，少数送冶炼厂精炼后使用。回收铜的价值高，能耗低。经数十年甚至数百年使用的铜制品最终变成了含铜量极高、能耗极低、数量越来越多的地面铜资源，故可认为铜是一种“积累性” 的资源。目前世界上再生铜约占世界铜市场需要的40% ，用铜较普及的国家约占44% 。再生铜的比例还将随使用量的增加而提高，原生矿资源的相对比例会逐渐减少。可以设想，经过几十年乃至几百年后，再生铜可能成为铜市场资源的主要来源。
从全生命周期成本的角度考察各种金属材料的对节能、节材等绿色建筑的基本属性，铜都具有其他金属不可替代的优势。
1.3. 环保
(1) 卫生性能好，铜对某些细菌的生长有抑制作用。
铜管内壁光滑流阻小，耐腐蚀性强，不结水垢。铜管具有不可渗透性，油脂、细菌、氧气、紫外线等物质均不能穿透而影响水质：据有关资料介绍，铜能抑制细菌生长，保持饮用水清洁。
(2) 铜是人体所需的微量元素之一。
据调查，人体缺铜较为普遍，尤其是老人、儿童、孕妇纳入铜量明显不足。人体缺铜会影响对铁的吸收，产生贫血；会升高胆固醇含量，增加冠心病的发病率；会使骨质疏松，容易骨折。铜主要从食品中纳人人体。少量的铜可从饮水中(主要是铜水管)和铜器皿中得到补充。与其它元素一样，过量纳入铜亦会产生有害作用。
1.4. 其他
(1) 机械性能好，耐压强度高，同时韧性好，延展性也高，具有优良的抗振、抗冲击性能。
铜管的线膨胀系数为1.7×10 m/m℃，比塑料给水管的线膨胀系数低得多，使铜水管的伸缩补偿处理简便易行。铜管的补偿形式有自由臂补偿及伸缩器补偿，波纹管及套筒补偿器均可作铜管的伸缩补偿器用。
(2) 适配性强，焊接安装方便，维护保养容易。
铜管及其配件品种、规格齐全，相应的国标管材、管件标准均已出台：《无缝铜水管和铜气管》(GB/T18033.2000)、《铜管接头》(GB/T11618.1999)、《建筑用铜管管件》(承接式)(GB/T117.2000)。铜水管连接形式有钎焊、卡套、压接、插接、法兰、沟槽等，能满足建筑冷热给水管道口径及使用场合的需要。此外，国内已有铜管应用方面的技术规程，如上海市地方标准《建筑给水铜管管道工程技术规程》(DBJ/C，r511-2001)和北京地方标准《建筑给水铜管管道工程技术规程》(DBJ/1D1.67.200 )。
2. 铜在建筑中的应用
铜在建筑行业的消费主要集中在铜水管及管件、屋顶板、建筑电线、装饰材料等。在欧美国家，建筑行业的铜消费所占比重要高于电力行业，约为40% 左右。而中国建筑业的铜消费所占比重只有不到5% 。
2.1. 屋面系统
铜在寿命、经济、制作、维护以及环保等方面，完全可以满足业主、建筑师以及承包商对屋面系统的要求。长寿命的屋面系统比比皆是，有许多已经使用了一个多世纪，铜板应用于建筑物，历史记载最早的是公元1280年建于中欧的海尔德申姆哥特式教堂。
与大多数钢的氧化不同（锈蚀）铜的氧化是有利的，因为它提供了一层铜绿的薄膜，起到保护作用，使铜不受进一步的腐蚀。铜会与周围环境发生反应，即所谓风蚀过程，其速率与水其中所含盐、大气污染物（如硫）的多少有关。在干燥气候条件下，铜表面会形成褐色或乌木色的铜绿，而在沿海或潮湿地区，铜绿会逐渐发生由浅灰色、浅蓝色至绿色的转变。通常在10-30年内，铜会达到侵蚀平衡，氧化膜趋于稳定，颜色不再变化，其保护作用保持不变。例如，美国自由女神像从1886年至今已经形成了一层非常漂亮的蓝绿色铜绿，有效的保护了女神像的铜表面。测算结果表明，这座纪念像在如此长的时间内，表面只减薄了0.127毫米。
2.2. 门把手
研究发现，铜和铜合金可有效预防公共建筑的传染病。专家建议，特别是像医院、商店、机场、车站这样的公共建筑最好使用黄铜门把手，因为黄铜不仅能够杀灭细菌，而且价格便宜，应该大力提倡。美国科学家最新研究成果显示，不锈钢门把手上可能会滋生着成千上万的病菌，包括格兰氏阳性细菌及阴性细菌、大肠杆菌和链球菌等。研究者对黄铜门把手进行了同样的测试，结果令人惊喜：黄铜门把手上的细菌比不锈钢门把手要少得多，也就是说，铜有消灭细菌的作用。专家们为测定铜上细菌死亡的速度进行了多次重复实验，结果黄铜上的细菌在7h或更短的时间内全部被歼灭。在新擦亮的黄铜表面，杀灭一些细菌仅需l5min 。近年来，应用了铜的微量作用的产品被广泛地使用，特别是人们利用铜纤维制造的空调滤纸、水管用净水器、淋浴喷头等，使铜的杀菌作用得以显现。
2.3. 新能源
铜板作为一种优良的传热元件，在太阳能、地温能等可再生能源领域有着广阔的应用前景。
以太阳能热水系统中的平板集热器为例，由于其结构形式及性能特点最易于建材化，一直是发达国家首选的集热器形式，其中铜铝复合板芯平板集热器和全铜板芯平板集热器，由于其在金属流道集热器中，单位面积成本最低，而寿命最长，得到了广泛的应用。在经历了很长的发展历程后，平板集热器的内部结构、材料选择及组装技术均达到了很成熟的水平，如今仍是发达国家太阳能热利用产品中占绝对主导地位的集热器形式，相信也是我国未来与建筑一体化的太阳能热利用行业主导产品。在热管式真空管集热器中，铜是其核心部件热管的主要材料。
平板集热器 热管式真空管集热器
除此以外，铜管也可作为地源热泵系统地下换热管的材料，对改善整个系统的效率可起很大的作用。
2.4. 暖通空调系统
节能是有关我国国计民生的大事，也是制冷空调行业的发展主题，目前制冷空调产品以用电力作能源的按制冷量计算占90%以上，所以讨论空调节能问题，主要是研究节电的对策。而高效传热管对于提高机组的能效比和节电的效果是很明显的，例如某厂的螺杆式冷水机组，采用满液式蒸发器，并用高效蒸发管提高传热效率后，COP达到5.3，提高了15%，节电18%，轻而易举的达到节能设备标准 。
2.5. 强弱电系统
家装离不开电线，尤其是旧房，电线虽小“责任”重大。好多火灾是由于电线线路老化，配置不合理，或者使用电线质量低劣造成的。国家已明令在新建住宅中应使用铜导线。
智能楼宇中，一切通讯都要经过楼内的通讯线进行传递，目前通讯线主要采用铜芯线。铜芯双绞线是由按规则螺旋结构排列的两根绝缘线组成，线是铜质的或者是用铜包着钢的。铜线可以提供良好的传导率，钢线可以用于有强度要求的场合。把2根线对扭在一起可使各线之间的电磁干扰最小，与其他传输介质相比，在传输距离、信道带宽和数据传输率等方面受到一定的限制，但价格比较便宜。双绞线既可用于传输模拟信号，也可通过调制解调用于传输数字信号。
虽然目前在部分通讯系统中，光导纤维虽已取代铜，但国际铜研究组指出，在“最后1英里”的区段，铜仍是优先选用的材料。在个人计算机和硬件中，广泛使用铜接线电缆。
2.6. 厨房系统
厨房中水龙头的含铜量很重要，除了铜的杀菌作用以外，铜的延展性强和韧性也能确保龙头的使用寿命，好的龙头主体应是青铜整体铸成的，敲打起来声音沉闷，如果声音很脆，则是不锈钢材料制成，质量要差一个档次。带柄龙头的质量与含铜量的多少也有着密切的关系。单柄龙头在开启和关闭的瞬间，水压会迅速升高，对铜含量的要求更高，而双柄龙头则稍稍可以低一些。
在燃气工程中，铜管因具备易弯曲、容易安装、牢固、密封性好，输气过程中阻力小，同一公称直径具有最小外径等诸多优点，一直是理想的暗敷管材。由于铜管连接采用成熟的钎焊，操怍简便，质量可靠，这些均为铜管的广泛使用提供了技术保障，使其怍为燃气管材，在城市住宅中具有十分明显优势。
2.7. 给排水系统
铜管应用于建筑的给排水系统或采暖水系统中是铜在建筑中最常见的一种用途。铜水管是指应用于建筑供水系统的冷、热水管，为薄壁铜管，是经拉、挤或轧制成型的无缝管。
铜水管不但具有不可渗透性，卫生健康（杀菌抑菌），适配性强，经久耐用，耐热、耐腐蚀、耐压和耐火等优点，而且可以再生，有专业技能的保证和强大的工业后盾。目前，在国外发达国家中，铜管在供水供暖系统中已占很大比重，例如美国占81% ；加拿大占52% ；澳大利亚占85% ；英国占90%；香港占70%；新加坡占67%。铜水管管材的卫生健康、安全可靠性等性能已经经受住了时间的考验。另外，铜水管的安装技术相当成熟，配套产品齐全。国内的铜水管生产厂家可以生产规格从Ф5mm～~Ф219mm的铜水管和与之相配套的各种管件。而且有一系列的材料、设计、施工、安装、图集标准已经陆续出台，可以说在我国建筑供水系统中使用铜水管的条件已经相当成熟了 。
目前，在国内铜水管的应用主要集中在高级宾馆、饭店、写字楼及大型公众设施上。铜水管在民用建筑上的应用则主要集中在国内经济比较发达的城市，例如上海、北京、深圳、广州、大连和青岛等城市。一方面是因为这些城市经济比较发达，人民生活水平比较高；另一方面是因为这些城市与国际接轨较早，城市居民在思想观念上接受新事物的速度比较快；还有一方面的原因是国际铜业协会（中国）、铜发展中心在部分城市做的大量推广工作收到了效果。
国内企业生产的铜水管分普通铜水管和塑覆铜水管两种，塑覆铜水管是指在纯铜水管外面覆盖一层发泡聚乙烯，其作用是：一、可以防腐，二、当铜水管用于输送热水系统时可以保温，三、可以防止铜管外壁结露；四、起到美观的作用。
铜管作为建筑冷热水系统用管道，其经济性对于工程应用的选材是一个重要的因素。国内已有具代表性的建筑给水管材经济性比较，据有关资料已对6种给水管材的经济性进行对比，见表 1。此外，在住宅内增设热水管的投资约比单设冷水管增加一半。
给水管类型 | 多层（6层）住宅 | 高层（18层）住宅 |
镀锌钢管 | 1.37 | 0.68 |
薄壁铜管 | 3.24 | 1.63 |
PP-R管 | 2.79 | 1.34 |
PVC-U管 | 1.01 | 0.51 |
镀锌衬PVC钢管 | 2.32 | 1.17 |
薄壁不锈钢管 | 5.71 | 2.67 |
表1 给水管总造价占建筑总造价的百分比（%）
注：1、造价中包括主材费和安装费，包括了给水管道和支架，但阀门、龙头、卫生洁具等均未包括在内；2、多层住宅以室外进户的第1个阀门开始计算给水管材，高层住宅以进入地下室的给水管开始计算。
3. 铜的消费观念
3.1. 缺铜
铜是性能优良的材料，但我国铜矿的品位低、大矿少，可利用的资源少。对于一个13亿人口的大国来说，可认为是缺铜国家。我国确实是一个铜资源相对贫乏的国家。由于铜是重要的战略物资，因此，解放初期铜进口是受到封锁和禁运的。对紧缺又受到禁运的铜，国家采取相应的限制使用政策。解放前建造的一些高级建筑是采用铜水管的，后来被禁止使用了。原来的电线都是用铜的，后来被铝大量替代了。这样做，尽管会产生一些不良效果，但在当时是迫不得已的。
随着时间的推移，时代在变化，国内外形势亦发生了巨大的变化。目前国际形势正朝着经济全球化的方向发展。经济全球化意味着通过贸易做到生产全球化，资源全球化。生产全球化就是我们的产品面向全国，也要面向世界， 国外的产品和资源也为我们所用。
铜与其它消耗性资源不同，它可以反复回收使用，其回收率高达99% 以上。正因如此，推广铜等于存铜于民，这些铜将来可再生使用。这是最好的铜储备，不需国家资金的战略储备。
综上所述，正因为我国铜资源相对贫乏，就应该广泛使用铜；正因为铜是战略物资，更应该积极推广铜的应用。我们应该树立资源全球化的观点，改变缺铜观念，积极推广铜的应用，让铜的优良性能造福于人类。
3.2. 价格
铜的性能非常优越，就是价格太贵，用不起，这是一个很普遍的观念，而且随着近年铜价的持续上涨，持这种观点的人越来越多。不过我们在考虑价格的时候应持“价格性能比”的观点，既考虑材料的售价，又考虑材料的使用性能和使用寿命。
从全生命周期的角度来看，使用铜无疑是最划算的。如北京的协和医院，上海的国际饭店、瑞金宾馆……使用了80年左右的铜水管至今仍完好无损。而镀锌铁管使用了5年-l0年就要调换，且使用中易发生堵塞和漏水，并产生二次污染。这些都给使用者带来经济上的损失和精神上的负担。铜管在使用过程中不仅不会产生这类问题，而且寿命长、免维修，还能杀菌。正因为如此，国外在建筑领域早就广泛使用铜水管，英国的铜水管比例高达95% ，美国为85% ，香港也达80%。而我国目前仅3% -5%。
贵与便宜是相对的，随着讨间的推移，人民生活水平的迅速提高，贵的概念会淡化，会转变。价格将逐步成为次要问题，主要问题则是生活品质。
4. 结论
我国目前年人均铜消费量不及发达国家消费水平的十分之一，与铜消费大国的地位很不相称。创造性发展铜的应用领域，特别是在建筑领域的应用，将为社会节约资源，减少浪费，提高人们的生活品质，并将造福于整个人类社会。
当前我国正在大力提倡建设资源节约型社会、循环型经济社会，在建设领域倡导绿色节能建筑，积极开发利用铜，不仅可以提高资源利用效率，节约能源，保护生态环境，同时也是社会文明和进步的标志。我们相信绿色建筑的发展，将为铜工业的发展带来空前的机遇和广阔的发展空间。
Abstract: In combination with the development trend of green buildings in China, this paper analyzes Copper’s basic phycical and chemic attributes, discusses detailedly Copper’s appliction in building energy efficiency and environmental protection, and finally points out under the background of green building movement, people need change their consumption concept to copper and make copper play more important role in our daily life.
Keywords: Cu, Green Building, Building Energy Efficiency, Environmental Protetion, Consumption Concept
参考文献
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