室內(nèi)熱環(huán)境設計中太陽能的低技術(shù)運用

摘 要：太陽能是生態(tài)時代的室內(nèi)熱環(huán)境設計中的主導能源，低技術(shù)是室內(nèi)環(huán)境可持續(xù)策略的一個重要分支。本文以低技術(shù)視角研究了室內(nèi)熱環(huán)境設計中如何運用太陽能，從窗、空間布局、蓄熱體、外圍護結(jié)構(gòu)這四個設計要素對具體的設計方法、可利用的生態(tài)材料的熱物理性能進行了探討和闡述。低技術(shù)策略能夠很有效地利用太陽能為室內(nèi)營造一個熱舒適環(huán)境，并且具有可操作性強、成本低等諸多優(yōu)勢，這些簡單技術(shù)在未來有非常廣闊的發(fā)展空間。

關(guān)鍵詞：室內(nèi)熱環(huán)境；太陽能；低技術(shù)策略；生態(tài)材料

地球能量主要來源于太陽普照，太陽能是唯一能在世界范圍內(nèi)為我們提供一切所需要能源的自然能源，每年到達地球表面上的太陽輻射能約相當于130萬億噸標煤，其總量屬現(xiàn)今世界上可以開發(fā)的最大能源。這種一次能源儲量豐富，處處可直接采集，無需運輸且免費，它還是這個星球上最清潔的能源。古人很早就知道利用太陽照射為住宅采暖，后來維特魯威（Vitruvius）在《建筑十書》的第六書中也曾提到房屋利用太陽能得熱的方法，直到現(xiàn)代主義和后現(xiàn)代主義時期，歷史上的建筑師在熱環(huán)境設計中一直對太陽能青睞有加。面對眼下的環(huán)境問題和能源危機，太陽能——生態(tài)時代的主導能源——已被視為當代室內(nèi)熱環(huán)境設計中最具可持續(xù)意義的自然能源，不同于傳統(tǒng)能源，室內(nèi)熱環(huán)境設計的一些簡單易行、高效經(jīng)濟的技術(shù)和方法即可很好地發(fā)揮太陽能的功效。但由于工業(yè)化以來的高技術(shù)光輝使低技術(shù)顯得黯然，少受主流設計的重視，可這并不能消解低技術(shù)室內(nèi)熱環(huán)境策略的可持續(xù)價值。隨著生態(tài)時代的臨近，室內(nèi)熱環(huán)境的低技術(shù)設計已開始重新被人們認同，被視為當代主流設計技術(shù)觀——適宜技術(shù)的組成部分對高技術(shù)進行補充或替代。如今的太陽能源備受重視，低技術(shù)的室內(nèi)熱環(huán)境策略重煥生機，如何將太陽能以最為簡單之技術(shù)手段服務于室內(nèi)熱環(huán)境的具體設計策略已顯得尤為重要。

室內(nèi)熱環(huán)境的低技術(shù)太陽能運用應符合國家現(xiàn)行有關(guān)建筑的法律法規(guī)與相關(guān)標準，本著安全健康、節(jié)約資源、保護環(huán)境、舒適宜居、成本低廉的可持續(xù)設計基本要求，利用對流、輻射、導熱三種傳熱方式和時間延遲、溫室效應、熱空氣上升三種物理原理，依據(jù)當?shù)靥栞椛淞亢蜌夂驐l件選擇合時宜的低技術(shù)策略和材料，在與其他技術(shù)手段和空間自身優(yōu)化組合中權(quán)宜一套太陽能低技術(shù)運用的最佳設計方案，在室內(nèi)熱能量平衡中實現(xiàn)能源利用最大化、功能輸出最優(yōu)化、技術(shù)操作簡便化。設計中通過對窗、空間布局、蓄熱體和外圍護結(jié)構(gòu)四個設計要素的整體性最佳控制參數(shù)和定量指標的設定，將太陽熱能進行吸收、傳遞、存儲和分配，使太陽能量在室內(nèi)按理想時間自然循環(huán)，在避免或節(jié)約人工輔助采暖設備能耗的情況下，達到室內(nèi)環(huán)境自集熱、自保溫的熱穩(wěn)定狀態(tài)，理想的設計目標是一個太陽能全面主導下合理又實用、高效又耐久的零（或低）能耗熱舒適室內(nèi)環(huán)境。

一、合理的窗設置

窗是直接溝通室內(nèi)空間與外部世界的整體性設置，窗意味著得到能量、連通交流、生命朝氣……柯布西耶（Le Corbusier）甚至認為整個建筑史就是圍繞實墻上的“虛空”問題展開的。這一室內(nèi)空間接受太陽照射的首要途徑是低技術(shù)室內(nèi)熱環(huán)境系統(tǒng)性利用太陽能的初始條件，是窗首先把太陽熱能直接引入了室內(nèi)。合理的窗設置能讓室內(nèi)環(huán)境充足又均勻地獲得太陽能量，窗墻比例和窗戶的位置、尺寸、形式直接決定室內(nèi)熱環(huán)境舒適程度，道格拉斯·鮑爾科姆（J.Douglas Balcomb）和羅伯特·瓊斯（Robert Jones）的研究（圖1）反映了室內(nèi)熱舒適在南、屋頂、東、西和北五個面的開窗要求各不相同。設計中要根據(jù)室內(nèi)空間的具體功能、太陽輻射量在建筑外表面的分布和變化規(guī)律、當?shù)貧夂驐l件特征和外圍護結(jié)構(gòu)的保溫性能，兼顧室內(nèi)采光、遮陽、自然通風、防潮、冬季保溫和夏季降溫等功能的實現(xiàn)，在保證室內(nèi)環(huán)境整體性舒適需求的前提下得出各個方向的最佳開窗方式，讓室內(nèi)空間在五個面上都能獲得最理想的太陽照射。

（一）南向窗

南墻在冬季接受最多太陽熱輻射（對北半球而言），3倍于東西墻得熱且超過其他四面墻的得熱總和，南向窗設計是低技術(shù)太陽能利用的最關(guān)鍵部分。

設置大面積南向窗是低技術(shù)運用太陽能策略的最好選擇，如橫向大尺度的落地長窗使室內(nèi)充分獲得太陽熱輻射。一般南向窗墻比應介于20%～60%之間，低于20%得熱效果差，而大于60%會造成冬冷夏熱，50%左右的南向窗墻比能得到較理想的室內(nèi)熱環(huán)境效果。[1]

傾斜度為50～60度的南向窗能使室內(nèi)得到最多太陽照射，但綜合考慮到安全性、防水性和最重要的遮陽性時，垂直窗是最好的折中方式。

必要時還應設置反射介質(zhì)來增大室內(nèi)得熱量及其均勻度，如與遮陽板結(jié)合的陽光反射板（圖2、3），或是將南向窗附近的墻體著淺色，都能向內(nèi)部空間反射更多的太陽照射。

南向窗應采用水平式遮陽方式防止夏季過度的太陽熱輻射，低矮房屋和高層建筑的低層還可在南面種植高大的落葉樹用于夏季遮陽。

（二）天窗

屋頂在全年接受較多的太陽熱輻射，室內(nèi)通過天窗獲得的更多且均勻穩(wěn)定的太陽照射能達到垂直窗的5倍，天窗對室內(nèi)得熱具有重要意義。[2]

天窗應優(yōu)先選擇其形式中能得熱最多的傾斜式天窗，但施工時應注意密封以防止漏雨。

在南北向大進深的室內(nèi)空間中宜采用天窗，使日照深入北側(cè)空間，如圖4、5所示，若配以向北抬升的階梯狀剖面和夾層空間，采用斜屋面等形式，北部空間的得熱獲益則更加明顯。

可根據(jù)需要設置反射介質(zhì)來使室內(nèi)得熱更大更均勻，如在水平天窗上方安裝反射板能使室內(nèi)得到更多且面積更大的太陽照射。

水平面在夏季得熱最多，應有活動式遮陽設施應對夏季強太陽輻射，遮陽構(gòu)件最好同時也兼具陽光反射功能（圖6、7）。

（三）東西向窗

東西向窗主要在早晨和傍晚接受太陽的低角度照射，能對室內(nèi)利用太陽能采暖起到輔助作用。

東西向窗不宜過大，否則會造成冬冷夏熱現(xiàn)象。

東西向窗應是冬季利用但夏季控制太陽熱輻射地區(qū)的室內(nèi)熱環(huán)境設計中特別注意的對象，它能在冬季增加一定量的室內(nèi)太陽照射，但夏季太陽直射會帶來過多室內(nèi)不需要的熱量，可適當增大窗面積但一定要做好遮陽保護。

東西向窗應采用擋板式遮陽方式遮擋早晨和傍晚的太陽直射，尤其應做好西向窗的遮陽。低矮房屋和高層建筑的低層還可在建筑兩側(cè)種植落葉樹用作夏季遮陽。

（四）北向窗

北向窗在除南北回歸線之間地區(qū)的全球大多數(shù)地區(qū)對北半球而言均無法獲得太陽直接照射，全年窗得熱遠小于熱損失，特別是在冬季產(chǎn)生的大量熱損失。

以滿足夏季通風為前提的北墻開窗面積應盡量小，我國《嚴寒和寒冷地區(qū)居住建筑節(jié)能設計標準》（JGJ26-2010）中也明確規(guī)定了嚴寒地區(qū)和寒冷地區(qū)的居住建筑北向窗墻面積比分別不應大于0.25和0.3，寒冷地區(qū)可考慮不設北向窗。

在南北回歸線之間的地區(qū)應采用水平式遮陽方式。

二、優(yōu)化空間布局

空間本身就是一種有意義的資源，空間是室內(nèi)熱環(huán)境的秩序性象征，這種秩序性源于太陽照射在室內(nèi)空間的分布，它決定了室內(nèi)空間的基本格局?？臻g的意義最終體現(xiàn)為它規(guī)定著太陽熱能在室內(nèi)的根本秩序，合理的空間布局能使最多的空間直接獲取太陽熱量，并能將熱量在室內(nèi)長時間留存和有序傳遞，流向每一個角落，惠及每一個空間，使室內(nèi)環(huán)境在利用太陽能量改善室內(nèi)熱舒適的過程中做到能盡其用。設計中要根據(jù)室內(nèi)太陽輻射量的分布和變化規(guī)律，綜合考慮室內(nèi)采光、自然通風、防潮和夏季降溫等功能要求，在協(xié)調(diào)諸功能的情況下做到室內(nèi)太陽能得熱與空間使用性質(zhì)相統(tǒng)一的最優(yōu)化空間布局（圖8），依室內(nèi)溫度梯度將各個空間置于最合時宜的位置，滿足每個空間熱量需求并讓室內(nèi)環(huán)境能從整體上收獲足夠的太陽熱能。

空間布局應盡量增加南向集熱面積，最佳東西走向布局的長寬比應為1.5：1～4：1，這樣能擁有大面積的南向空間，南北進深應不大于層高的1.5倍以保證南向集熱面積與房間面積之比不小于30%。[3]

南面、東南面和西南面空間的太陽照射量最大，應布置起居室、臥室、餐廳、廚房、書房、辦公室、課室等活動頻率高的主要房間，讓這些需要良好日照的房間能充分得熱并為整個室內(nèi)集熱。

空間安排應緊湊集中又相互貫通，使南向空間聚集的太陽熱量能很好地傳遞至健身房、衛(wèi)生間、浴室、傭人房、工作間等有一定熱舒適要求但不必要太陽直射的內(nèi)部空間，同時也能滿足自然通風，特別是夏季的通風降溫需求。

北面、西北面和東北面處在背陰面和冬季上風向，應布置貯藏室、車庫、過道、樓梯等人短暫停留且熱舒適指標相對不高的次要空間，在邊跨形成圍合室內(nèi)空間的溫度阻尼區(qū)，這個外界面功能的內(nèi)向延伸配合外圍護結(jié)構(gòu)組成雙屏障系統(tǒng)為室內(nèi)保溫，實踐證明這種空間布局是一種有效又不增加投資的太陽熱能利用方法。

正南偏東（西）15度范圍內(nèi)設置太陽房（圖9）是太陽能利用的最典型空間布局，在今天的北歐很受歡迎。太陽房在太陽熱輻射下產(chǎn)生的溫室效應能有效利用難以逃逸的長波紅外輻射（波長大于0.76μm）提升室內(nèi)溫度，并能保證之后的室內(nèi)白晝溫度一直高于外環(huán)境，為室內(nèi)聚集大量的熱量。太陽房應設置保溫窗簾防止夜間熱損失，還應有遮陽設施防止夏季烈日，并應設有可開啟的玻璃窗便于自然通風和夏季降溫。

根據(jù)熱氣流上升、冷氣流下降的物理原理，可將對溫度需求較高的房間安排在上層空間，將對溫度需求相對不高的房間安排在下層。如臥室最好置于上層，浴室則可置于下層。

室內(nèi)的中部和偏北部可利用高房間向周邊的低矮空間引入太陽照射，很高的室內(nèi)體量還會減少室內(nèi)溫度波動，在晝夜溫差大的地區(qū)常能做到夜間的室內(nèi)比室外暖和。

對于北面、西北面和東北面的出入口應設有旋轉(zhuǎn)門或門斗，門斗的入口方向應轉(zhuǎn)折90度或與出入口錯開布置，避免冬季寒風直入減少室內(nèi)熱量。

若室內(nèi)為南北走向的大進深空間，可以做向北抬升的階梯狀剖面的空間布置和夾層空間，再配以高側(cè)窗和坡屋頂上的天窗，使更多的北側(cè)房間可以在南側(cè)房間之上獲得太陽照射。

若室內(nèi)空間面積過大而使其內(nèi)部無法有效獲得太陽熱量，可在內(nèi)部空間設置中庭，中庭空間的溫室效應能為它周圍的空間提供熱量。中庭應預防的問題與太陽房相同，玻璃頂蓋應可開啟，并應配有保溫和遮陽設施。

高房間、中庭、樓梯間、頂層空間等的最上部位置應有可開啟的天窗、高窗或（玻璃）蓋板并在夏季打開它們，如圖10所示，頂部空間受太陽照射升溫會增強煙囪效應，能加快熱空氣流向室外進而加強通風降溫。

三、配置適量的蓄熱體

當大開窗和空間布局手段都不能滿足室內(nèi)熱舒適時，低技術(shù)的太陽能運用便應當考慮在室內(nèi)配置蓄熱體，使太陽能為室內(nèi)熱環(huán)境的服務具有持續(xù)性和（或）適時性。其實建筑就是一個直接收獲太陽能量的熱容器，所有物件如墻面、家具、陳設物、電腦和書本等都是弱能力的蓄熱體，為能有效保存室內(nèi)得熱，增強太陽熱能之于室內(nèi)環(huán)境的連續(xù)性關(guān)聯(lián)，需要增加其蓄熱性能可以對室內(nèi)熱環(huán)境起到良好控制作用的附屬熱遲鈍部件。一個良好的蓄熱體即是把合適的蓄熱材料以正確的形式放置于適當?shù)奈恢?，利用它的熱延遲時間特性調(diào)節(jié)冷熱峰值，平衡晝夜室溫，保證寒冷季的室內(nèi)供熱需求。

（一）蓄熱材料

蓄熱材料是室內(nèi)得熱的物質(zhì)基礎，它們的熱容量、吸熱性能和放熱速度決定了室內(nèi)溫度穩(wěn)定和平衡的可能性控制程度。低技術(shù)視野下的優(yōu)質(zhì)室內(nèi)蓄熱材料（材料的熱工性質(zhì)指標見附表）是具有友好環(huán)境、成本低廉、加工簡單、耐久性好的特征并且蓄熱性能良好的顯熱類蓄熱材料。

1.天然石材

天然石材是最古老的天然蓄熱材料之一，古羅馬人曾在公共浴場用天然石材構(gòu)造墻體和鋪設地面來調(diào)節(jié)浴場溫度，如今的低技術(shù)室內(nèi)環(huán)境中最優(yōu)秀的固體蓄熱材料就是各種天然石材。它們的蓄熱系數(shù)遠高于其他低技術(shù)蓄熱材料，具有一定的吸熱能力，如深色磨光大理石的太陽輻射吸收系數(shù)為0.65，紅色磨光花崗巖為0.55，天然石材的導熱性能很好，還能儲存大量的太陽熱能并維持較長的放熱時間，并且較好的熱惰性使天然石材具有一定的熱滯后效應。優(yōu)良的溫控能力在室內(nèi)熱環(huán)境中的作用并不遜色于許多現(xiàn)代高技術(shù)材料，室溫波動會由于天然石材的高蓄熱性能而大大減小。它們可以石塊和石板的形式出現(xiàn)在圍護結(jié)構(gòu)中（圖11），也可直接放置于室內(nèi)發(fā)揮其蓄熱性能（圖12）。

2.土

土的蓄熱能力在氣候干燥地區(qū)的運用已逾千年，作為蓄熱體雖多數(shù)時間是與圍護結(jié)構(gòu)相結(jié)合的（圖13、14），但土的呈現(xiàn)方式是最為靈活多樣的，可以任何形式出現(xiàn)在建筑的任何位置。土的蓄熱能力也因土建材形式而異，夯實粘土是生土建材中蓄熱性能最好的，蓄熱系數(shù)大于深加工的蒸壓灰砂磚的12.72W/（m2·K）。由土坯、高密度的加草粘土、土坯燒制而成的磚和由泥土燒制而成的瓦也都是很好的蓄熱材料，它們吸熱性能良好，如磚的太陽輻射吸收率為0.7～0.77，也具有較大的儲熱量和較慢的放熱速度，這些材料的熱惰性使之具有較理想的熱延遲時間，如30cm厚的土坯和土磚均具有10h的時間延遲。[4]而導熱系數(shù)偏低的低密度草泥和輕質(zhì)泥土則不是良好的蓄熱體。

3.水

水的高效蓄熱性能被廣泛運用于建筑中是開始于上個世紀，它是低技術(shù)太陽能利用中最好的蓄熱物質(zhì)。水具有長時間大量蓄熱的能力，蓄熱周期可以超過2天，蓄熱能力是天然石材的2倍，較土坯則更大。水的太陽輻射吸收系數(shù)為0.96，吸熱性極好且吸熱速度很快。其導熱能力和散熱速率均大于天然石材和土制材料。水能存儲的熱量遠大于其他固體蓄熱材料的，比熱容過4倍于土、天然石材和混凝土塊，并且水的密度也比固體蓄熱材料要小，所以水儲存同樣多的熱量時只需較輕的重量。水的液體特殊性使它不可能直接置于室內(nèi)而必須有容器盛裝，目前在室內(nèi)用水作為蓄熱體的常見做法是專設南面水墻。

4.松木

不同于其他木材，松木具有一定的蓄熱能力，導熱率高出一般木材的3倍左右。松木能具有可觀的儲熱量，其比熱容比土、天然石材、混凝土塊、磚都要大。慢熱型蓄熱材料——松木的吸熱和放熱速率比較緩慢，但在相對濕度大的環(huán)境中，松木會因受潮而加快吸放熱，并且儲熱能力也會稍有增大。松木還具有很長的熱延遲時間，30cm厚的松木的時滯可達到20h。[5]可作為建筑圍護結(jié)構(gòu)的松木還常以大體量家具形式成為蓄熱附件（圖15、16），松木辦公桌、松木椅凳、松木餐桌等會長時間與人體近距離接觸，這些松木家具能以良好的溫適感向人體緩慢地傳熱，其熱舒適感受非常理想。運用松木時應做好防蟲害侵蝕處理，以免降低其蓄熱能力。

5.可再利用材料

上述的天然石材、土、水、松木等材料都可在適當清潔或修整等簡單工序后重復使用，但混凝土、紙、塑料等蓄熱材料生產(chǎn)過程的消耗大、成本高，室內(nèi)低技術(shù)蓄熱體設計對這些高內(nèi)含能量材料的使用開始于它們的第二生命周期?；厥赵倮玫膶嵭幕炷翂K的蓄熱性能不會改變，具有可觀的表面吸熱能力，太陽輻射吸收率能達到0.73，熱容量與土和天然石材相當，它的熱延遲時間很適用于維持室內(nèi)溫度穩(wěn)定，厚度為30cm時具有8h的時滯，回收混凝土依然能廣泛運用于室內(nèi)熱環(huán)境中。[6]目前對紙和塑料的再利用還較少考慮到它們的蓄熱能力，紙和塑料都具有較可觀的比熱容，變化多樣的形式使這兩種較理想的輔助溫控部件能很容易地適應各種空間形態(tài)（圖17、18），室內(nèi)低技術(shù)蓄熱體設計應盡量利用一切生態(tài)性蓄熱材料。

（二）設計要點

除在部分濕熱地區(qū)不需要輔助采暖外，其他地區(qū)的太陽能利用都需要專設蓄熱體。設計中應根據(jù)建筑外表面和室內(nèi)的總太陽輻射量、各空間的使用性質(zhì)和時間、外圍護結(jié)構(gòu)的保溫性能以及夏季防熱問題等來綜合考慮蓄熱體的熱容量、蓄熱所需時間和放熱持續(xù)時間等蓄熱性能，進而確定蓄熱體的種類、體量、朝向和位置，使室內(nèi)熱舒適得到充足的能量支持。

蓄熱體應盡量采用表面吸熱率高、比熱容大、面層著深色的重質(zhì)材料（如天然石材、土、磚、混凝土等）直接接受太陽照射，這是配置蓄熱體在能量收集和初期投資上的最高效方式。

地板蓄熱是接受太陽直射中最簡單也最有效的方法，它是符合腳熱渾身暖這一生理舒適性的最佳采暖方式，熱空氣上升也使整個室內(nèi)溫度更均勻。如黏土地面和實心混凝土地面上鋪一層深色面磚能發(fā)揮很好的蓄熱效果。地面與人體幾乎直接接觸，蓄熱功能應考慮到地面溫度的舒適性。①

在不影響室內(nèi)使用面積和保證良好視野的前提下，南向水墻（圖19）是極為高效的蓄熱體形式。箱式和圓桶式等黑色容器單元組成的南面水墻體積越大越好，容器殼應薄且導熱性好，水墻外側(cè)還應設有活動隔熱蓋板，運用水墻時應做好密封防止?jié)B漏。

在顧及良好視野的前提下，南墻應盡量多采用特隆布墻（圖20）這一理想的太陽熱能收集器。上下端開孔的墻體通常應由具有大熱容量和大熱惰性的磚、天然石材、混凝土塊、夯土、土坯、水墻構(gòu)成。特隆布墻還能利用空氣間層受太陽照射而產(chǎn)生的熱虹吸效應實現(xiàn)夏季的室內(nèi)降溫。

室內(nèi)溫度平衡需要蓄熱體均勻吸熱，其最佳蓄熱體布置方式應是以南向集中式為主導來分散配置足夠的優(yōu)質(zhì)蓄熱體，且南面的輕質(zhì)淺色材料表面應至少具有50%的反射率。[7]

多數(shù)蓄熱體存在厚度閾值，蓄熱體厚度應依據(jù)室內(nèi)環(huán)境對蓄熱體的實際供熱需求通過計算達到適量又經(jīng)濟的最佳凈供熱量。向陽和陰影區(qū)的蓄熱體厚度應分別為15～25cm和8～10cm的密實材料。[8]一般情況下，磚、石做墻體和地面蓄熱材料時應達10cm厚（大于20cm時增效不大），泥土墻為20～25cm，混凝土墻為15～30cm，水墻至少為15cm。[9][10]

同體積蓄熱材料的表面積越大蓄熱性能越好，在做到室內(nèi)保溫的前提下，盡量用蓄熱材料做外圍護結(jié)構(gòu)以增大蓄熱體接受太陽直射的面積，它們通常由天然石材、混凝土塊、磚、土等既保溫又蓄熱的材料做成，還可利用向內(nèi)倒斜的南墻獲得更多的太陽直射。當室內(nèi)重質(zhì)材料表面積小于直接受益窗面積的三倍時，應選擇表面至少具有50%吸收率的蓄熱材料做為補償措施。[11]

室內(nèi)需要供熱的時間是確定蓄熱體的時間延遲和熱容量的重要依據(jù)。如晝夜溫差大的干熱地區(qū)適合利用大量重質(zhì)的夯土（時滯約為10小時）把白天多余的太陽熱量變成了夜間受歡迎的福利；而冬冷夏熱地區(qū)的室內(nèi)蓄熱量應適中，過大會使夏天（特別是夜間）過熱，太小則無法在冬季供暖。

四、保溫的外圍護結(jié)構(gòu)

室內(nèi)外環(huán)境的對抗點——外圍護結(jié)構(gòu)這一建筑物最本質(zhì)部分真實為室內(nèi)環(huán)境承擔著遮風雨、避嚴寒的工作，是這個緩沖層保持著室內(nèi)熱環(huán)境的相對獨立性。外圍護結(jié)構(gòu)是幾乎所有室內(nèi)熱損失的控制者，它的重要意義是減少室內(nèi)外溫差引起的熱傳遞。外圍護結(jié)構(gòu)是室內(nèi)熱環(huán)境低技術(shù)利用太陽能的必要保障條件，是它保護著開窗、空間布局、配置蓄熱體策略所創(chuàng)造的既得能量，并使之發(fā)揮持久效益。低技術(shù)室內(nèi)熱環(huán)境設計中應從材料選擇和設計細節(jié)上得到最低傳熱系數(shù)的外圍護結(jié)構(gòu)，減少通過外圍護結(jié)構(gòu)的對外熱流量，使室內(nèi)環(huán)境盡可能保持長時間的舒適溫度。

（一）保溫材料

外圍護結(jié)構(gòu)的材料保溫性能是室內(nèi)能否長時間持存現(xiàn)有熱量的最關(guān)鍵因素。低技術(shù)對室內(nèi)保溫材料（材料的熱工性質(zhì)指標見附表）的選擇首先關(guān)注的是其環(huán)境屬性，采用低技術(shù)生態(tài)建材中能具有高熱阻的保溫材料。

1.木

木材是自然界最好的保溫材料（圖21、22、23），屬于具有高技術(shù)特性的低技術(shù)建材，在北歐、俄羅斯和加拿大等寒冷地區(qū)用木材作為室內(nèi)保溫材料的歷史已相當悠久。木材的傳熱能力很弱，如云杉和軟木的導熱率能低于PVC保溫材料的0.16W/（mK），木材的熱阻值比混凝土高4倍，比磚高6倍，比天然石材高15倍，150mm厚木結(jié)構(gòu)墻體的保溫性能相當于610mm厚的磚墻。[12]實木、木板材、木磚、墻體和屋頂中填充木屑這四種形式都能在外圍護結(jié)構(gòu)中起到高效保溫作用。但應注意木材的防濕、防潮、防蟲蛀，以保證木材的熱阻性能。目前在芬蘭的部分地區(qū)已出現(xiàn)了全部用木材構(gòu)造外圍護保溫結(jié)構(gòu)的住宅區(qū)。

2.農(nóng)作物纖維

農(nóng)作物纖維是最好的松散保溫材料，其中導熱率最高的花生殼也僅為0.067W/（m·K）～0.075W/（m·K）。成捆稻草的隔斷墻早已用于中國古代茅草屋的保溫，在用于室內(nèi)保溫的現(xiàn)代纖維保溫制品中，農(nóng)作物纖維是主打產(chǎn)品（圖24、25）。其實它本身的保溫性能并不比其它許多材料（如玻璃纖維、纖維素或者礦棉等）好，但被壓實成塊時能具有極高的保溫系數(shù)。②如長90～100cm、厚45～50cm、高35～40cm的草磚的保溫效果非常好，厚度為45～60cm的農(nóng)作物纖維塊墻的熱阻能達到目前使用較多的EPS聚苯乙烯泡沫保溫板的標準。[13][14]農(nóng)作物纖維可制成板和磚，或做填充物塞入墻、屋頂?shù)目障逗烷w樓中。在氣候寒冷的情況下，稻草也能使室內(nèi)溫度得到良好控制。經(jīng)粉刷、摸灰的纖維墻能防濕、防潮、防火，如部分纖維受潮或腐爛，只需移除替換新材料即可，不會影響整體保溫效果。北美大多數(shù)州、省都將秸稈板用于木結(jié)構(gòu)房屋的保溫外圍護體系，在歐洲也有增長趨勢，中國目前己有少部分地區(qū)（東北、內(nèi)蒙等）的外圍護保溫設計在應用草磚。

3.羊毛

羊毛是極好的保溫材料，伊朗西南部游牧民族勞里斯人（Luri people）很早就學會了用山羊毛做成帳篷頂蓋來抵擋冬季低溫和寒風。[15]羊毛的熱阻比標準玻璃纖維保溫材料略高，具有一定的天然防火性，優(yōu)于其他許多保溫材料的是羊毛在潮濕時仍然具有很好的保溫性能，含天然油脂的羊毛能在一定程度上防蟲害，施工時還可使用刨花松木和樟腦球來進一步強化羊毛的這種能力。羊毛可以作為松散填充物嵌入墻體，也可（主要以羊毛紡織工業(yè)的下腳廢棄物為原料）制成高效保溫材料羊毛保溫氈（板）（圖26、27），每50mm的R值為1.31～1.41（m2·K）/W，優(yōu)秀的保溫性能與常用聚苯乙烯保溫板相當。[16]羊毛氈主要是填充在外圍護結(jié)構(gòu)中做保溫材料，而羊毛板在外圍護結(jié)構(gòu)中的運用則更為靈活。在羊毛產(chǎn)量高的新西蘭運用羊毛做室內(nèi)保溫材料的現(xiàn)象較為普遍。

4.有機棉

生產(chǎn)始于20世紀80年代的有機棉是一種新的天然松散型保溫材料，導熱率低，熱阻性能與纖維保溫材料相差不大，做室內(nèi)保溫材料時每米R值能達到約9.3～12.2。[17]生態(tài)棉保溫材料有兩種形式：棉絮保溫氈和疏松填料型棉花保溫材料。它們能被置于外圍護結(jié)構(gòu)中為室內(nèi)保溫。盡管全世界的有機棉花產(chǎn)量連年高升，但仍供不應求的局面使相關(guān)保溫產(chǎn)品的價格偏高（高于常規(guī)棉花的2～3倍），室內(nèi)保溫設計中使用生態(tài)棉時應做好成本評估，出于有機棉使用安全和保溫性能的考慮，應做好防火、防濕、防潮和防蟲害處理。

5.天然石材

天然石材本身的保溫性能不如木、農(nóng)作物纖維和羊毛等材料好，其中導熱率較低的砂子的導熱系數(shù)也比上述材料的大很多。但天然石材固有的優(yōu)良熱惰性使它對外界溫度的反應不至于太快，當石墻厚度達到一定值時溫度穩(wěn)定，能具有很好的保溫性，所以產(chǎn)生了中世紀歐洲巨厚無比的城堡石墻。厚度超多50cm的石墻能對室外冷空氣產(chǎn)生抵抗力使室內(nèi)熱量向室外傳遞得非常緩慢，此時的良好熱阻值便使天然石材具備了保存室內(nèi)熱量的能力。低技術(shù)利用太陽能策略中天然石材大多作為墻體保溫材料（圖28、29、30）。在濕度較大的地區(qū)使用天然石材應注意防濕防潮，它內(nèi)部過多的水分在霜凍天氣時冰凍膨脹會導致石材出現(xiàn)裂縫，這將嚴重影響天然石材的保溫能力。

6.土

土的保溫性能因土建材的形式而異，其中低密度的草泥、輕質(zhì)粘土和非燒制黏土磚屬于較好的保溫材料，它們制成的墻體和屋面?zhèn)鳠嵯禂?shù)低，能很好地維持室溫。土坯、夯實粘土、標準模數(shù)泥土、由土燒制而成的瓦和磚作保溫材料的條件與天然石材相似，需要達到一定厚度才具有良好的保溫性能，陜北窯洞的外圍護結(jié)構(gòu)熱阻值能達到2.45（m2·K）/W正是因為頂部和邊部“窯腿”均覆蓋了厚1500～1800mm的黃土。[18]這樣能增大墻體的熱惰性，使熱量在土墻內(nèi)傳遞速度極慢，有效把控室內(nèi)熱量（圖31、32）。土質(zhì)圍護結(jié)構(gòu)很適合于氣候干燥地區(qū)，在其他氣候區(qū)使用時應注意土材受潮對其保溫性能的影響，如土屋頂可覆蓋茅草等能遮雨擋雪的材料起到防濕防潮作用。

7.可再利用材料

上述的木、土、天然石材等材料在拆除回收后，經(jīng)簡單處理都可重新投入使用，而一些保溫材料只有在再利用階段才能體現(xiàn)生態(tài)價值，低技術(shù)的外圍護結(jié)構(gòu)保溫設計要盡量對這些回收材料加以利用。實心混凝土塊保溫性能一般，而空心混凝土塊具有較好的保溫能力，較適合溫帶地區(qū)使用；鋸末作為保溫填充物時的導熱能力比木本身還要小，制成保溫板材后則更弱；回收紙能制成松散的纖維素填充于外圍護結(jié)構(gòu)中做保溫材料，加草制成保溫板材時的導熱性能與密度為300kg/m3軟木板相當，也可做成紙蜂窩板等內(nèi)帶空隙的保溫板材（圖33、34），厚22mm的板材兩側(cè)溫差達到4～6度；用廢舊輪胎做成的輪胎泥土墻的保溫性也很好，上述可再利用材料都能很好地起到室內(nèi)保溫效果。

（二）設計要點

外圍護結(jié)構(gòu)設計應根據(jù)室內(nèi)供熱能力和當?shù)貧夂驐l件特征，在兼顧室內(nèi)得熱、采光、自然通風和夏季降溫等多方面功能需求的情況下，盡量提高外圍護結(jié)構(gòu)的單位保溫性能，減少其表面積，防止或減少熱橋和間隙的產(chǎn)生，以此確定墻體、屋頂、門窗的保溫構(gòu)造形式，為室內(nèi)熱穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)提供一個持續(xù)性保障。

1.墻體

墻體在外圍護結(jié)構(gòu)中面積最大，其附近的室外綜合溫度較屋頂要低，外墻是室內(nèi)保溫的最基礎部分，設計中要盡量降低墻體的傳熱系數(shù)，發(fā)揮墻體作為保溫主體的積極作用。

墻體應選擇木、農(nóng)作物纖維板、天然石材、土、磚等保溫性能好的材料并盡量做厚是能（在冬季）大幅減少熱損失的有效方法。

在地下水位低的干燥地區(qū)，可以采用覆土建筑的形式在背陰部墻體外側(cè)堆土臺或臥入土中（圖35、36、37），用較小的墻面積達到保溫效果，并且“土空調(diào)”的調(diào)溫能力可維持室內(nèi)溫度穩(wěn)定。

在寒冷地區(qū)，低矮房屋和高層建筑的低層可在北側(cè)和偏北側(cè)種植防風林作為外墻保溫功能的輔助。

當墻體需要與蓄熱體相結(jié)合時，有三種構(gòu)造方法：一是蓄熱墻體內(nèi)嵌松散的保溫材料，如羊毛、棉花和植物纖維鑲嵌于夯土或磚等制成的墻體中；二是蓄熱墻體置于內(nèi)側(cè)、保溫板材置于外側(cè)，如在土坯墻外側(cè)附上30cm厚的農(nóng)作物纖維板；三是南面蓄熱墻、北面保溫墻，東西墻視具體情況來決定是蓄熱、保溫或兩者結(jié)合，這種分離式做法較為靈活，但應比前兩種結(jié)構(gòu)更加注意防止熱橋的產(chǎn)生。

在有單獨溫控要求的房間，內(nèi)墻以及與墻體相連的樓板也應做保溫設計。

2.屋頂

與雨雪等嚴酷天氣現(xiàn)象存在最多直接接觸的屋頂也是室內(nèi)熱空氣聚集的部位，屋頂?shù)谋匦阅茱@得尤為重要。設計中應盡可能提高屋頂?shù)臒嶙柚担刮蓓敵蔀榻ㄖ囊豁敗氨孛薄薄?/p>

木、農(nóng)作物纖維板、磚、土是低技術(shù)設計中較理想的屋頂保溫建材，如使用30cm厚回收軟木材料做屋頂?shù)臒釗p系數(shù)大約為0.18W/（m2·K），還可將天然纖維保溫材料填充在屋頂內(nèi)結(jié)構(gòu)空隙中來增強保溫能力。

屋頂宜采用能及時排走雨水和積雪的坡屋頂，避免吸熱能力強的雨雪降低屋頂溫度。在不影響天窗為北側(cè)空間集熱的前提下，坡屋頂應優(yōu)先選擇適當角度的北向傾斜，這樣可增大南墻面積、減小北墻面積。

在寒冷地區(qū)或為應對冬季，可在屋面附設保溫設施。如屋頂花園（圖38）的土壤隔熱能起到屋頂保溫效果；屋面可覆蓋蘆葦和稻草等植物纖維有效阻止屋頂熱散失；瓦屋頂與屋面板之間的夾縫形成一個空氣層就可以有效降低屋頂向外傳熱。

3.門和窗

門窗是外圍護保溫的最薄弱環(huán)節(jié)，其中占外圍護結(jié)構(gòu)面積1/6左右的窗的總傳熱系數(shù)最大，門、玻璃、門窗框造成的熱損失約占建筑外圍護體系熱損失的33%～40%。加強門窗的保溫性能，防止它們形成熱橋是維持室內(nèi)熱量的重點工作。

門、窗樘和窗框應首選導熱系數(shù)小且表面溫適度較好的木材。

門和窗應附有方便操作的活動內(nèi)保溫部件，如在冬天夜間可掛上間棉保溫簾。其中應特別重視為夜間的天窗和大面積南向窗、冬季的北向窗附設保溫層。

在冬季寒冷地區(qū)可設雙層窗（圖39），兩窗間靜止空氣的導熱率還不到農(nóng)作物纖維的一半，當兩窗玻璃間距為最佳的4～6cm時，冬季熱阻值約可達0.18（m2·K）/W左右，保溫性能優(yōu)于玻璃的空氣間層能改善窗的熱阻。[19]

出入口應背向寒冷季節(jié)的主導風向，或用植物、墻體或擋風設施做防風緩沖區(qū)域，冷風速下降一半就能使風滲透的熱損失減少75%。[20]

4.氣密性

氣密性差是室內(nèi)保溫很大的障礙，僅門窗縫隙空氣滲漏的熱損失就占整個建筑熱損失的20%～30%，它嚴重影響室內(nèi)保溫效果，設計中應以最小換氣量為前提做到最大氣密性。

加強門窗自身及與墻體和屋頂連接處的細部構(gòu)造設計，減小縫隙的設計寬度，采用密封性能良好的門窗，只在需要開口處設置可開啟窗，加大開啟縫隙部位的搭接量。

盡可能合并設置諸如設備檢修口、出屋面管線等。

施工、維護、更換部件時嚴把質(zhì)量關(guān)，對連接細部密封處理要裝配均勻、牢固、接口嚴密，防止脫槽、收縮、虛壓等現(xiàn)象。

五、結(jié)語

室內(nèi)熱環(huán)境中的太陽能低技術(shù)運用是以窗、蓄熱體、空間布局、外圍護結(jié)構(gòu)為功能載體，協(xié)同所有室內(nèi)環(huán)境構(gòu)成元素做材料、結(jié)構(gòu)和構(gòu)造的恰當選擇進而優(yōu)化本體空間以及外部環(huán)境，在整體功能最優(yōu)化的基礎上實現(xiàn)太陽能利用的合理功能構(gòu)建，它以最高太陽能供暖率完成一個簡單被動的太陽能量直接獲取過程，用低成本并對環(huán)境幾乎無影響的最簡單技術(shù)將太陽能源高效率地轉(zhuǎn)化為大量、穩(wěn)定且持久的室內(nèi)熱舒適。太陽能的低技術(shù)運用是室內(nèi)環(huán)境可持續(xù)的重要表現(xiàn)，目前的設計實踐中正在持續(xù)產(chǎn)生成功案例，并且太陽能運用的低技術(shù)體系會隨技術(shù)發(fā)展而不斷涵蓋曾經(jīng)流行的成熟技術(shù)，它將繼續(xù)作為適宜技術(shù)的一部分替代或補充高技術(shù)，這條技術(shù)路徑必然是生態(tài)時代中室內(nèi)環(huán)境可持續(xù)的一個發(fā)展方向，在可預見的未來會被普及和推廣。室內(nèi)熱環(huán)境中的太陽能運用應以高度的責任感和設計之智慧優(yōu)先考慮用低技術(shù)的一切可能策略來滿足功能訴求，為人們營造宜居的零或低能耗熱舒適室內(nèi)環(huán)境，充分利用太陽能這個永續(xù)能源來處理人與氣候和自然之間的問題，貢獻于人類及其生存環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展。

注釋：

①實驗研究表明，在正常室內(nèi)足部穿著條件下，大理石地面的人體舒適溫度應在28～29.5度之間，松木地板為22.5～28度，混凝土地面為26～28.5度。see：McIntyre，Indoor Climate，London：Applied Science Publisher，1980. 2009 ASHRAE Handbook，F(xiàn)undamentals（SI），American Society of Heating，Refrigerating and Air-conditioning，Engineers，Ins.，1791 Tullie Circle，N.E.，Atalanta，GA30329.轉(zhuǎn)引自：朱穎心.建筑環(huán)境學（第三版）[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2010：111.

②根據(jù)美國亞利桑那州大學的Joe McCaba的計算數(shù)據(jù)，三道箍纖維塊墻體的隔熱系數(shù)是R-45～R-47，而兩道箍纖維塊墻體的隔熱系數(shù)是R-42～R43。田納西州的橡樹國家實驗室的實驗結(jié)論是三道箍纖維塊墻體的隔熱系數(shù)是R-33。參見：（美）琳恩·伊麗莎白，卡薩德勒·亞當斯.新鄉(xiāng)土建筑：當代天然建造方法[M].吳春苑譯.北京：機械工業(yè)出版社，2005：203.

參考文獻：

[1]周浩明.可持續(xù)室內(nèi)環(huán)境設計理論[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2011：175-176.

[2][德]克里斯汀·史蒂西.太陽能建筑：策略·前景·概念[M].常玲玲，劉慧譯.大連：大連理工大學出版社，2009：60.

[3]劉加平，楊柳.室內(nèi)熱環(huán)境設計[M].北京：機械工業(yè)出版社，2005：137.

[4][5][6][美]諾伯特·萊希納.建筑師技術(shù)設計指南：采暖·降溫·照明[M].張利，等譯. 北京：中國建筑工業(yè)出版社，2004：457.

[7]楊柳.建筑氣候?qū)W[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2010：241.

[8]劉先覺.生態(tài)建筑學[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2009：652.

[9][日]彰國社.國外建筑設計詳圖圖集13：被動式太陽能建筑設計[M].任子明，龐瑋，馬俊譯.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2004：25.

[10][11]楊柳.建筑氣候?qū)W[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2010：240-241.

[12]Daniel D.Chiras.The Natural House：A Complete Guide To Healthy，Energy-Efficient，Environmental Homes[A].[美]丹尼爾·D·希拉.太陽能建筑：被動式采暖和降溫[M].薛一冰，管振忠，等譯.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2008：97.

[13]周恒.山東內(nèi)陸地區(qū)農(nóng)村被動式太陽房節(jié)能設計研究[D].湖南大學，2013：22.

[14]楊修飛.生物質(zhì)材料作為農(nóng)村建筑保溫材料的熱工性能分析[D].南華大學，2013：42.

[15][英]西恩·莫克松.可持續(xù)的室內(nèi)設計[M].周浩明，張帆，農(nóng)麗媚譯.北京：華中科技大學出版社，2014：20.

[16]科世博 http：//www.jskps.com/product1.aspx？CateId=93.

[17][美]大衛(wèi)·伯格曼.可持續(xù)設計要點指南[M].徐馨蓮，陳然譯.南京：江蘇科學技術(shù)出版社，2014：57.

[18]劉加平，楊柳.零輔助能耗窯居太陽房熱工設計[J].太陽能學報，1999，（03）：302-310.

[19]劉念雄，秦佑國.建筑熱環(huán)境[M].北京：清華大學出版社，2005：133.

[20]王崇杰，薛一冰.太陽能建筑設計[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2007：19.

[21]民用建筑熱工設計規(guī)范GB50176-93[S].北京：中國計劃出版社，1993：24-26.

[22]被動式太陽能建筑技術(shù)規(guī)范JGJ/J267-2012[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2012：54.

[23]陳雅福.建筑材料[M].廣州：華南理工大學出版社，1998：259.

[24]陳雅福.土木工程材料[M].廣州：華南理工大學出版社，2001：300.

[25][美]阿爾溫德·克里尚，尼克·貝克，西莫斯·揚納斯，S·V·索科洛伊.建筑節(jié)能設計手冊：氣候與建筑[M].劉加平，張繼良，譚良斌譯.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2005：100，406.

[26]張三明，李振翔.羊毛保溫吸聲制品性能及應用[J].新型建筑材料，2003，（08）：45.

[27]Ibrahima Conté.冷室散熱與天然生物質(zhì)材料保溫性能分析[D].清華大學，2005：7.

[28]師奶寧.不同區(qū)域傳統(tǒng)民居圍護結(jié)構(gòu)熱工性能研究[D].西安建筑科技大學，2006：33.

[29]吳玉榮.現(xiàn)代建筑材料手冊[M].長沙：湖南科學技術(shù)出版社，1993：461，467.

[30]楊修飛.生物質(zhì)材料作為農(nóng)村建筑保溫材料的熱工性能分析[D].南華大學，2013：41.

[31]李棟高.纖維材料學[M].北京：中國紡織出版社，2006：73，75.

作者簡介：

高云庭，廣東白云學院藝術(shù)設計學院，綠色環(huán)境設計研究中心副主任，主要從事可持續(xù)環(huán)境設計研究。