室内热环境设计中太阳能的低技术运用

2018-06-07高云庭

美与时代·城市版 2018年3期

摘要：太阳能是生态时代的室内热环境设计中的主导能源，低技术是室内环境可持续策略的一个重要分支。本文以低技术视角研究了室内热环境设计中如何运用太阳能，从窗、空间布局、蓄热体、外围护结构这四个设计要素对具体的设计方法、可利用的生态材料的热物理性能进行了探讨和阐述。低技术策略能够很有效地利用太阳能为室内营造一个热舒适环境，并且具有可操作性强、成本低等诸多优势，这些简单技术在未来有非常广阔的发展空间。

关键词：室内热环境；太阳能；低技术策略；生态材料

地球能量主要来源于太阳普照，太阳能是唯一能在世界范围内为我们提供一切所需要能源的自然能源，每年到达地球表面上的太阳辐射能约相当于130万亿吨标煤，其总量属现今世界上可以开发的最大能源。这种一次能源储量丰富，处处可直接采集，无需运输且免费，它还是这个星球上最清洁的能源。古人很早就知道利用太阳照射为住宅采暖，后来维特鲁威（Vitruvius）在《建筑十书》的第六书中也曾提到房屋利用太阳能得热的方法，直到现代主义和后现代主义时期，历史上的建筑师在热环境设计中一直对太阳能青睐有加。面对眼下的环境问题和能源危机，太阳能——生态时代的主导能源——已被视为当代室内热环境设计中最具可持续意义的自然能源，不同于传统能源，室内热环境设计的一些简单易行、高效经济的技术和方法即可很好地发挥太阳能的功效。但由于工业化以来的高技术光辉使低技术显得黯然，少受主流设计的重视，可这并不能消解低技术室内热环境策略的可持续价值。随着生态时代的临近，室内热环境的低技术设计已开始重新被人们认同，被视为当代主流设计技术观——适宜技术的组成部分对高技术进行补充或替代。如今的太阳能源备受重视，低技术的室内热环境策略重焕生机，如何将太阳能以最为简单之技术手段服务于室内热环境的具体设计策略已显得尤为重要。

室内热环境的低技术太阳能运用应符合国家现行有关建筑的法律法规与相关标准，本着安全健康、节约资源、保护环境、舒适宜居、成本低廉的可持续设计基本要求，利用对流、辐射、导热三种传热方式和时间延迟、温室效应、热空气上升三种物理原理，依据当地太阳辐射量和气候条件选择合时宜的低技术策略和材料，在与其他技术手段和空间自身优化组合中权宜一套太阳能低技术运用的最佳设计方案，在室内热能量平衡中实现能源利用最大化、功能输出最优化、技术操作简便化。设计中通过对窗、空间布局、蓄热体和外围护结构四个设计要素的整体性最佳控制参数和定量指标的设定，将太阳热能进行吸收、传递、存储和分配，使太阳能量在室内按理想时间自然循环，在避免或节约人工辅助采暖设备能耗的情况下，达到室内环境自集热、自保温的热稳定状态，理想的设计目标是一个太阳能全面主导下合理又实用、高效又耐久的零（或低）能耗热舒适室内环境。

一、合理的窗设置

窗是直接沟通室内空间与外部世界的整体性设置，窗意味着得到能量、连通交流、生命朝气……柯布西耶（Le Corbusier）甚至认为整个建筑史就是围绕实墙上的“虚空”问题展开的。这一室内空间接受太阳照射的首要途径是低技术室内热环境系统性利用太阳能的初始条件，是窗首先把太阳热能直接引入了室内。合理的窗设置能让室内环境充足又均匀地获得太阳能量，窗墙比例和窗户的位置、尺寸、形式直接决定室内热环境舒适程度，道格拉斯·鲍尔科姆（J.Douglas Balcomb）和罗伯特·琼斯（Robert Jones）的研究（图1）反映了室内热舒适在南、屋顶、东、西和北五个面的开窗要求各不相同。设计中要根据室内空间的具体功能、太阳辐射量在建筑外表面的分布和变化规律、当地气候条件特征和外围护结构的保温性能，兼顾室内采光、遮阳、自然通风、防潮、冬季保温和夏季降温等功能的实现，在保证室内环境整体性舒适需求的前提下得出各个方向的最佳开窗方式，让室内空间在五个面上都能获得最理想的太阳照射。

（一）南向窗

南墙在冬季接受最多太阳热辐射（对北半球而言），3倍于东西墙得热且超过其他四面墙的得热总和，南向窗设计是低技术太阳能利用的最关键部分。

设置大面积南向窗是低技术运用太阳能策略的最好选择，如横向大尺度的落地长窗使室内充分获得太阳热辐射。一般南向窗墙比应介于20%～60%之间，低于20%得热效果差，而大于60%会造成冬冷夏热，50%左右的南向窗墙比能得到较理想的室内热环境效果。[1]

倾斜度为50～60度的南向窗能使室内得到最多太阳照射，但综合考虑到安全性、防水性和最重要的遮阳性时，垂直窗是最好的折中方式。

必要时还应设置反射介质来增大室内得热量及其均匀度，如与遮阳板结合的阳光反射板（图2、3），或是将南向窗附近的墙体着浅色，都能向内部空间反射更多的太阳照射。

南向窗应采用水平式遮阳方式防止夏季过度的太阳热辐射，低矮房屋和高层建筑的低层还可在南面种植高大的落叶树用于夏季遮陽。

（二）天窗

屋顶在全年接受较多的太阳热辐射，室内通过天窗获得的更多且均匀稳定的太阳照射能达到垂直窗的5倍，天窗对室内得热具有重要意义。[2]

天窗应优先选择其形式中能得热最多的倾斜式天窗，但施工时应注意密封以防止漏雨。

在南北向大进深的室内空间中宜采用天窗，使日照深入北侧空间，如图4、5所示，若配以向北抬升的阶梯状剖面和夹层空间，采用斜屋面等形式，北部空间的得热获益则更加明显。

可根据需要设置反射介质来使室内得热更大更均匀，如在水平天窗上方安装反射板能使室内得到更多且面积更大的太阳照射。

水平面在夏季得热最多，应有活动式遮阳设施应对夏季强太阳辐射，遮阳构件最好同时也兼具阳光反射功能（图6、7）。

（三）东西向窗

东西向窗主要在早晨和傍晚接受太阳的低角度照射，能对室内利用太阳能采暖起到辅助作用。

东西向窗不宜过大，否则会造成冬冷夏热现象。

东西向窗应是冬季利用但夏季控制太阳热辐射地区的室内热环境设计中特别注意的对象，它能在冬季增加一定量的室内太阳照射，但夏季太阳直射会带来过多室内不需要的热量，可适当增大窗面积但一定要做好遮阳保护。

东西向窗应采用挡板式遮阳方式遮挡早晨和傍晚的太阳直射，尤其应做好西向窗的遮阳。低矮房屋和高层建筑的低层还可在建筑两侧种植落叶树用作夏季遮阳。

（四）北向窗

北向窗在除南北回归线之间地区的全球大多数地区对北半球而言均无法获得太阳直接照射，全年窗得热远小于热损失，特别是在冬季产生的大量热损失。

以满足夏季通风为前提的北墙开窗面积应尽量小，我国《严寒和寒冷地区居住建筑节能设计标准》（JGJ26-2010）中也明确规定了严寒地区和寒冷地区的居住建筑北向窗墙面积比分别不应大于0.25和0.3，寒冷地区可考虑不设北向窗。

在南北回归线之间的地区应采用水平式遮阳方式。

二、优化空间布局

空间本身就是一种有意义的资源，空间是室内热环境的秩序性象征，这种秩序性源于太阳照射在室内空间的分布，它决定了室内空间的基本格局。空间的意义最终体现为它规定着太阳热能在室内的根本秩序，合理的空间布局能使最多的空间直接获取太阳热量，并能将热量在室内长时间留存和有序传递，流向每一个角落，惠及每一个空间，使室内环境在利用太阳能量改善室内热舒适的过程中做到能尽其用。设计中要根据室内太阳辐射量的分布和变化规律，综合考虑室内采光、自然通风、防潮和夏季降温等功能要求，在协调诸功能的情况下做到室内太阳能得热与空间使用性质相统一的最优化空间布局（图8），依室内温度梯度将各个空间置于最合时宜的位置，满足每个空间热量需求并让室内环境能从整体上收获足够的太阳热能。

空间布局应尽量增加南向集热面积，最佳东西走向布局的长宽比应为1.5：1～4：1，这样能拥有大面积的南向空间，南北进深应不大于层高的1.5倍以保证南向集热面积与房间面积之比不小于30%。[3]

南面、东南面和西南面空间的太阳照射量最大，应布置起居室、卧室、餐厅、厨房、书房、办公室、课室等活动频率高的主要房间，让这些需要良好日照的房间能充分得热并为整个室内集热。

空间安排应紧凑集中又相互贯通，使南向空间聚集的太阳热量能很好地传递至健身房、卫生间、浴室、佣人房、工作间等有一定热舒适要求但不必要太阳直射的内部空间，同时也能满足自然通风，特别是夏季的通风降温需求。

北面、西北面和东北面处在背阴面和冬季上风向，应布置贮藏室、车库、过道、楼梯等人短暂停留且热舒适指标相对不高的次要空间，在边跨形成围合室内空间的温度阻尼区，这个外界面功能的内向延伸配合外围护结构组成双屏障系统为室内保温，实践证明这种空间布局是一种有效又不增加投资的太阳热能利用方法。

正南偏东（西）15度范围内设置太阳房（图9）是太阳能利用的最典型空间布局，在今天的北欧很受欢迎。太阳房在太阳热辐射下产生的温室效应能有效利用难以逃逸的长波红外辐射（波长大于0.76μm）提升室内温度，并能保证之后的室内白昼温度一直高于外环境，为室内聚集大量的热量。太阳房应设置保温窗帘防止夜间热损失，还应有遮阳设施防止夏季烈日，并应设有可开启的玻璃窗便于自然通风和夏季降温。

根据热气流上升、冷气流下降的物理原理，可将对温度需求较高的房间安排在上層空间，将对温度需求相对不高的房间安排在下层。如卧室最好置于上层，浴室则可置于下层。

室内的中部和偏北部可利用高房间向周边的低矮空间引入太阳照射，很高的室内体量还会减少室内温度波动，在昼夜温差大的地区常能做到夜间的室内比室外暖和。

对于北面、西北面和东北面的出入口应设有旋转门或门斗，门斗的入口方向应转折90度或与出入口错开布置，避免冬季寒风直入减少室内热量。

若室内为南北走向的大进深空间，可以做向北抬升的阶梯状剖面的空间布置和夹层空间，再配以高侧窗和坡屋顶上的天窗，使更多的北侧房间可以在南侧房间之上获得太阳照射。

若室内空间面积过大而使其内部无法有效获得太阳热量，可在内部空间设置中庭，中庭空间的温室效应能为它周围的空间提供热量。中庭应预防的问题与太阳房相同，玻璃顶盖应可开启，并应配有保温和遮阳设施。

高房间、中庭、楼梯间、顶层空间等的最上部位置应有可开启的天窗、高窗或（玻璃）盖板并在夏季打开它们，如图10所示，顶部空间受太阳照射升温会增强烟囱效应，能加快热空气流向室外进而加强通风降温。

三、配置适量的蓄热体

当大开窗和空间布局手段都不能满足室内热舒适时，低技术的太阳能运用便应当考虑在室内配置蓄热体，使太阳能为室内热环境的服务具有持续性和（或）适时性。其实建筑就是一个直接收获太阳能量的热容器，所有物件如墙面、家具、陈设物、电脑和书本等都是弱能力的蓄热体，为能有效保存室内得热，增强太阳热能之于室内环境的连续性关联，需要增加其蓄热性能可以对室内热环境起到良好控制作用的附属热迟钝部件。一个良好的蓄热体即是把合适的蓄热材料以正确的形式放置于适当的位置，利用它的热延迟时间特性调节冷热峰值，平衡昼夜室温，保证寒冷季的室内供热需求。

（一）蓄热材料

蓄热材料是室内得热的物质基础，它们的热容量、吸热性能和放热速度决定了室内温度稳定和平衡的可能性控制程度。低技术视野下的优质室内蓄热材料（材料的热工性质指标见附表）是具有友好环境、成本低廉、加工简单、耐久性好的特征并且蓄热性能良好的显热类蓄热材料。

1.天然石材

天然石材是最古老的天然蓄热材料之一，古罗马人曾在公共浴场用天然石材构造墙体和铺设地面来调节浴场温度，如今的低技术室内环境中最优秀的固体蓄热材料就是各种天然石材。它们的蓄热系数远高于其他低技术蓄热材料，具有一定的吸热能力，如深色磨光大理石的太阳辐射吸收系数为0.65，红色磨光花岗岩为0.55，天然石材的导热性能很好，还能储存大量的太阳热能并维持较长的放热时间，并且较好的热惰性使天然石材具有一定的热滞后效应。优良的温控能力在室内热环境中的作用并不逊色于许多现代高技术材料，室温波动会由于天然石材的高蓄热性能而大大减小。它们可以石块和石板的形式出现在围护结构中（图11），也可直接放置于室内发挥其蓄热性能（图12）。

2.土

土的蓄热能力在气候干燥地区的运用已逾千年，作为蓄热体虽多数时间是与围护结构相结合的（图13、14），但土的呈现方式是最为灵活多样的，可以任何形式出现在建筑的任何位置。土的蓄热能力也因土建材形式而异，夯实粘土是生土建材中蓄热性能最好的，蓄热系数大于深加工的蒸压灰砂砖的12.72W/（m2·K）。由土坯、高密度的加草粘土、土坯烧制而成的砖和由泥土烧制而成的瓦也都是很好的蓄热材料，它们吸热性能良好，如砖的太阳辐射吸收率为0.7～0.77，也具有较大的储热量和较慢的放热速度，这些材料的热惰性使之具有较理想的热延迟时间，如30cm厚的土坯和土砖均具有10h的时间延迟。[4]而导热系数偏低的低密度草泥和轻质泥土则不是良好的蓄热体。

3.水

水的高效蓄热性能被广泛运用于建筑中是开始于上个世纪，它是低技术太阳能利用中最好的蓄热物质。水具有长时间大量蓄热的能力，蓄热周期可以超过2天，蓄热能力是天然石材的2倍，较土坯则更大。水的太阳辐射吸收系数为0.96，吸热性极好且吸热速度很快。其导热能力和散热速率均大于天然石材和土制材料。水能存储的热量远大于其他固体蓄热材料的，比热容过4倍于土、天然石材和混凝土块，并且水的密度也比固体蓄热材料要小，所以水储存同样多的热量时只需较轻的重量。水的液体特殊性使它不可能直接置于室内而必须有容器盛装，目前在室内用水作为蓄热体的常见做法是专设南面水墙。

4.松木

不同于其他木材，松木具有一定的蓄热能力，导热率高出一般木材的3倍左右。松木能具有可观的储热量，其比热容比土、天然石材、混凝土块、砖都要大。慢热型蓄热材料——松木的吸热和放热速率比较缓慢，但在相对湿度大的环境中，松木会因受潮而加快吸放热，并且储热能力也会稍有增大。松木还具有很长的热延迟时间，30cm厚的松木的时滞可达到20h。[5]可作为建筑围护结构的松木还常以大体量家具形式成为蓄热附件（图15、16），松木办公桌、松木椅凳、松木餐桌等会长时间与人体近距离接触，这些松木家具能以良好的温适感向人体缓慢地传热，其热舒适感受非常理想。运用松木时应做好防虫害侵蚀处理，以免降低其蓄热能力。

5.可再利用材料

上述的天然石材、土、水、松木等材料都可在适当清洁或修整等简单工序后重复使用，但混凝土、纸、塑料等蓄热材料生产过程的消耗大、成本高，室内低技术蓄热体设计对这些高内含能量材料的使用开始于它们的第二生命周期。回收再利用的实心混凝土块的蓄热性能不会改变，具有可观的表面吸热能力，太阳辐射吸收率能达到0.73，热容量与土和天然石材相当，它的热延迟时间很适用于维持室内温度稳定，厚度为30cm时具有8h的时滞，回收混凝土依然能广泛运用于室内热环境中。[6]目前对纸和塑料的再利用还较少考虑到它们的蓄热能力，纸和塑料都具有较可观的比热容，变化多样的形式使这两种较理想的辅助温控部件能很容易地适应各种空间形态（图17、18），室内低技术蓄热体设计应尽量利用一切生态性蓄热材料。

（二）设计要点

除在部分湿热地区不需要辅助采暖外，其他地区的太阳能利用都需要专设蓄热体。设计中应根据建筑外表面和室內的总太阳辐射量、各空间的使用性质和时间、外围护结构的保温性能以及夏季防热问题等来综合考虑蓄热体的热容量、蓄热所需时间和放热持续时间等蓄热性能，进而确定蓄热体的种类、体量、朝向和位置，使室内热舒适得到充足的能量支持。

蓄热体应尽量采用表面吸热率高、比热容大、面层着深色的重质材料（如天然石材、土、砖、混凝土等）直接接受太阳照射，这是配置蓄热体在能量收集和初期投资上的最高效方式。

地板蓄热是接受太阳直射中最简单也最有效的方法，它是符合脚热浑身暖这一生理舒适性的最佳采暖方式，热空气上升也使整个室内温度更均匀。如黏土地面和实心混凝土地面上铺一层深色面砖能发挥很好的蓄热效果。地面与人体几乎直接接触，蓄热功能应考虑到地面温度的舒适性。①

在不影响室内使用面积和保证良好视野的前提下，南向水墙（图19）是极为高效的蓄热体形式。箱式和圆桶式等黑色容器单元组成的南面水墙体积越大越好，容器壳应薄且导热性好，水墙外侧还应设有活动隔热盖板，运用水墙时应做好密封防止渗漏。

在顾及良好视野的前提下，南墙应尽量多采用特隆布墙（图20）这一理想的太阳热能收集器。上下端开孔的墙体通常应由具有大热容量和大热惰性的砖、天然石材、混凝土块、夯土、土坯、水墙构成。特隆布墙还能利用空气间层受太阳照射而产生的热虹吸效应实现夏季的室内降温。

室内温度平衡需要蓄热体均匀吸热，其最佳蓄热体布置方式应是以南向集中式为主导来分散配置足够的优质蓄热体，且南面的轻质浅色材料表面应至少具有50%的反射率。[7]

多数蓄热体存在厚度阈值，蓄热体厚度应依据室内环境对蓄热体的实际供热需求通过计算达到适量又经济的最佳净供热量。向阳和阴影区的蓄热体厚度应分别为15～25cm和8～10cm的密实材料。[8]一般情况下，砖、石做墙体和地面蓄热材料时应达10cm厚（大于20cm时增效不大），泥土墙为20～25cm，混凝土墙为15～30cm，水墙至少为15cm。[9][10]

同体积蓄热材料的表面积越大蓄热性能越好，在做到室内保温的前提下，尽量用蓄热材料做外围护结构以增大蓄热体接受太阳直射的面积，它们通常由天然石材、混凝土块、砖、土等既保温又蓄热的材料做成，还可利用向内倒斜的南墙获得更多的太阳直射。当室内重质材料表面积小于直接受益窗面积的三倍时，应选择表面至少具有50%吸收率的蓄热材料做为补偿措施。[11]

室内需要供热的时间是确定蓄热体的时间延迟和热容量的重要依据。如昼夜温差大的干热地区适合利用大量重质的夯土（时滞约为10小时）把白天多余的太阳热量变成了夜间受欢迎的福利；而冬冷夏热地区的室内蓄热量应适中，过大会使夏天（特别是夜间）过热，太小则无法在冬季供暖。

四、保温的外围护结构

室内外环境的对抗点——外围护结构这一建筑物最本质部分真实为室内环境承担着遮风雨、避严寒的工作，是这个缓冲层保持着室内热环境的相对独立性。外围护结构是几乎所有室内热损失的控制者，它的重要意义是减少室内外温差引起的热传递。外围护结构是室内热环境低技术利用太阳能的必要保障条件，是它保护着开窗、空间布局、配置蓄热体策略所创造的既得能量，并使之发挥持久效益。低技术室内热环境设计中应从材料选择和设计细节上得到最低传热系数的外围护结构，减少通过外围护结构的对外热流量，使室内环境尽可能保持长时间的舒适温度。

（一）保温材料

外围护结构的材料保温性能是室内能否长时间持存现有热量的最关键因素。低技术对室内保温材料（材料的热工性质指标见附表）的选择首先关注的是其环境属性，采用低技术生态建材中能具有高热阻的保温材料。

1.木

木材是自然界最好的保温材料（图21、22、23），属于具有高技术特性的低技术建材，在北欧、俄罗斯和加拿大等寒冷地区用木材作为室内保温材料的历史已相当悠久。木材的传热能力很弱，如云杉和软木的导热率能低于PVC保温材料的0.16W/（mK），木材的热阻值比混凝土高4倍，比砖高6倍，比天然石材高15倍，150mm厚木结构墙体的保温性能相当于610mm厚的砖墙。[12]实木、木板材、木砖、墙体和屋顶中填充木屑这四种形式都能在外围护结构中起到高效保温作用。但应注意木材的防湿、防潮、防虫蛀，以保证木材的热阻性能。目前在芬兰的部分地区已出现了全部用木材构造外围护保温结构的住宅区。

2.农作物纤维

农作物纤维是最好的松散保温材料，其中导热率最高的花生壳也仅为0.067W/（m·K）～0.075W/（m·K）。成捆稻草的隔断墙早已用于中国古代茅草屋的保温，在用于室内保温的现代纤维保温制品中，农作物纤维是主打产品（图24、25）。其实它本身的保温性能并不比其它许多材料（如玻璃纤维、纤维素或者矿棉等）好，但被压实成块时能具有极高的保温系数。②如长90～100cm、厚45～50cm、高35～40cm的草砖的保温效果非常好，厚度为45～60cm的农作物纤维块墙的热阻能达到目前使用较多的EPS聚苯乙烯泡沫保温板的标准。[13][14]农作物纤维可制成板和砖，或做填充物塞入墙、屋顶的空隙和阁楼中。在气候寒冷的情况下，稻草也能使室内温度得到良好控制。经粉刷、摸灰的纖维墙能防湿、防潮、防火，如部分纤维受潮或腐烂，只需移除替换新材料即可，不会影响整体保温效果。北美大多数州、省都将秸秆板用于木结构房屋的保温外围护体系，在欧洲也有增长趋势，中国目前己有少部分地区（东北、内蒙等）的外围护保温设计在应用草砖。

3.羊毛

羊毛是极好的保温材料，伊朗西南部游牧民族劳里斯人（Luri people）很早就学会了用山羊毛做成帐篷顶盖来抵挡冬季低温和寒风。[15]羊毛的热阻比标准玻璃纤维保温材料略高，具有一定的天然防火性，优于其他许多保温材料的是羊毛在潮湿时仍然具有很好的保温性能，含天然油脂的羊毛能在一定程度上防虫害，施工时还可使用刨花松木和樟脑球来进一步强化羊毛的这种能力。羊毛可以作为松散填充物嵌入墙体，也可（主要以羊毛纺织工业的下脚废弃物为原料）制成高效保温材料羊毛保温毡（板）（图26、27），每50mm的R值为1.31～1.41（m2·K）/W，优秀的保温性能与常用聚苯乙烯保温板相当。[16]羊毛毡主要是填充在外围护结构中做保温材料，而羊毛板在外围护结构中的运用则更为灵活。在羊毛产量高的新西兰运用羊毛做室内保温材料的现象较为普遍。

4.有机棉

生产始于20世纪80年代的有机棉是一种新的天然松散型保温材料，导热率低，热阻性能与纤维保温材料相差不大，做室内保温材料时每米R值能达到约9.3～12.2。[17]生态棉保温材料有两种形式：棉絮保温毡和疏松填料型棉花保温材料。它们能被置于外围护结构中为室内保温。尽管全世界的有机棉花产量连年高升，但仍供不应求的局面使相关保温产品的价格偏高（高于常规棉花的2～3倍），室内保温设计中使用生态棉时应做好成本评估，出于有机棉使用安全和保温性能的考虑，应做好防火、防湿、防潮和防虫害处理。

5.天然石材

天然石材本身的保温性能不如木、农作物纤维和羊毛等材料好，其中导热率较低的砂子的导热系数也比上述材料的大很多。但天然石材固有的优良热惰性使它对外界温度的反应不至于太快，当石墙厚度达到一定值时温度稳定，能具有很好的保温性，所以产生了中世纪欧洲巨厚无比的城堡石墙。厚度超多50cm的石墙能对室外冷空气产生抵抗力使室内热量向室外传递得非常缓慢，此时的良好热阻值便使天然石材具备了保存室内热量的能力。低技术利用太阳能策略中天然石材大多作为墙体保温材料（图28、29、30）。在湿度较大的地区使用天然石材应注意防湿防潮，它内部过多的水分在霜冻天气时冰冻膨胀会导致石材出现裂缝，这将严重影响天然石材的保温能力。

6.土

土的保温性能因土建材的形式而异，其中低密度的草泥、轻质粘土和非烧制黏土砖属于较好的保温材料，它们制成的墙体和屋面传热系数低，能很好地维持室温。土坯、夯实粘土、标准模数泥土、由土烧制而成的瓦和砖作保温材料的条件与天然石材相似，需要达到一定厚度才具有良好的保温性能，陕北窑洞的外围护结构热阻值能达到2.45（m2·K）/W正是因为顶部和边部“窑腿”均覆盖了厚1500～1800mm的黄土。[18]这样能增大墙体的热惰性，使热量在土墙内传递速度极慢，有效把控室内热量（图31、32）。土质围护结构很适合于气候干燥地区，在其他气候区使用时应注意土材受潮对其保温性能的影响，如土屋顶可覆盖茅草等能遮雨挡雪的材料起到防湿防潮作用。

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，经简单处理都可重新投入使用，而一些保温材料只有在再利用阶段才能体现生态价值，低技术的外围护结构保温设计要尽量对这些回收材料加以利用。实心混凝土块保温性能一般，而空心混凝土块具有较好的保温能力，较适合温带地区使用；锯末作为保温填充物时的导热能力比木本身还要小，制成保温板材后则更弱；回收纸能制成松散的纤维素填充于外围护结构中做保温材料，加草制成保温板材时的导热性能与密度为300kg/m3软木板相当，也可做成纸蜂窝板等内带空隙的保温板材（图33、34），厚22mm的板材两侧温差达到4～6度；用废旧轮胎做成的轮胎泥土墙的保温性也很好，上述可再利用材料都能很好地起到室内保温效果。

（二）设计要点

外围护结构设计应根据室内供热能力和当地气候条件特征，在兼顾室内得热、采光、自然通风和夏季降温等多方面功能需求的情况下，尽量提高外围护结构的单位保温性能，减少其表面积，防止或减少热桥和间隙的产生，以此确定墙体、屋顶、门窗的保温构造形式，为室内热稳态系统提供一个持续性保障。

1.墙体

墙体在外围护结构中面积最大，其附近的室外综合温度较屋顶要低，外墙是室内保温的最基础部分，设计中要尽量降低墙体的传热系数，发挥墙体作为保温主体的积极作用。

墙体应选择木、农作物纤维板、天然石材、土、砖等保温性能好的材料并尽量做厚是能（在冬季）大幅减少热损失的有效方法。

在地下水位低的干燥地区，可以采用覆土建筑的形式在背阴部墙体外侧堆土台或卧入土中（图35、36、37），用较小的墙面积达到保温效果，并且“土空调”的调温能力可维持室内温度稳定。

在寒冷地区，低矮房屋和高层建筑的低层可在北侧和偏北侧种植防风林作为外墙保温功能的辅助。

当墙体需要与蓄热体相结合时，有三种构造方法：一是蓄热墙体内嵌松散的保温材料，如羊毛、棉花和植物纤维镶嵌于夯土或砖等制成的墙体中；二是蓄热墙体置于内侧、保温板材置于外侧，如在土坯墙外侧附上30cm厚的农作物纤维板；三是南面蓄热墙、北面保温墙，东西墙视具体情况来决定是蓄热、保温或两者结合，这种分离式做法较为灵活，但应比前两种结构更加注意防止热桥的产生。

在有单独温控要求的房间，内墙以及与墙体相连的楼板也应做保温设计。

2.屋顶

与雨雪等严酷天气现象存在最多直接接触的屋顶也是室内热空气聚集的部位，屋顶的保温性能显得尤为重要。设计中应尽可能提高屋顶的热阻值，使屋顶成为建筑的一顶“保温帽”。

木、农作物纤维板、砖、土是低技术设计中较理想的屋顶保温建材，如使用30cm厚回收软木材料做屋顶的热损系数大约为0.18W/（m2·K），还可将天然纤维保温材料填充在屋顶内结构空隙中来增强保温能力。

屋顶宜采用能及时排走雨水和积雪的坡屋顶，避免吸热能力强的雨雪降低屋顶温度。在不影响天窗为北侧空间集热的前提下，坡屋顶应优先选择适当角度的北向倾斜，这样可增大南墙面積、减小北墙面积。

在寒冷地区或为应对冬季，可在屋面附设保温设施。如屋顶花园（图38）的土壤隔热能起到屋顶保温效果；屋面可覆盖芦苇和稻草等植物纤维有效阻止屋顶热散失；瓦屋顶与屋面板之间的夹缝形成一个空气层就可以有效降低屋顶向外传热。

3.门和窗

门窗是外围护保温的最薄弱环节，其中占外围护结构面积1/6左右的窗的总传热系数最大，门、玻璃、门窗框造成的热损失约占建筑外围护体系热损失的33%～40%。加强门窗的保温性能，防止它们形成热桥是维持室内热量的重点工作。

门、窗樘和窗框应首选导热系数小且表面温适度较好的木材。

门和窗应附有方便操作的活动内保温部件，如在冬天夜间可挂上间棉保温帘。其中应特别重视为夜间的天窗和大面积南向窗、冬季的北向窗附设保温层。

在冬季寒冷地区可设双层窗（图39），两窗间静止空气的导热率还不到农作物纤维的一半，当两窗玻璃间距为最佳的4～6cm时，冬季热阻值约可达0.18（m2·K）/W左右，保温性能优于玻璃的空气间层能改善窗的热阻。[19]

出入口应背向寒冷季节的主导风向，或用植物、墙体或挡风设施做防风缓冲区域，冷风速下降一半就能使风渗透的热损失减少75%。[20]

4.气密性

气密性差是室内保温很大的障碍，仅门窗缝隙空气渗漏的热损失就占整个建筑热损失的20%～30%，它严重影响室内保温效果，设计中应以最小换气量为前提做到最大气密性。

加强门窗自身及与墙体和屋顶连接处的细部构造设计，减小缝隙的设计宽度，采用密封性能良好的门窗，只在需要开口处设置可开启窗，加大开启缝隙部位的搭接量。

尽可能合并设置诸如设备检修口、出屋面管线等。

施工、维护、更换部件时严把质量关，对连接细部密封处理要装配均匀、牢固、接口严密，防止脱槽、收缩、虚压等现象。

五、结语

室内热环境中的太阳能低技术运用是以窗、蓄热体、空间布局、外围护结构为功能载体，协同所有室内环境构成元素做材料、结构和构造的恰当选择进而优化本体空间以及外部环境，在整体功能最优化的基础上实现太阳能利用的合理功能构建，它以最高太阳能供暖率完成一个简单被动的太阳能量直接获取过程，用低成本并对环境几乎无影响的最简单技术将太阳能源高效率地转化为大量、稳定且持久的室内热舒适。太阳能的低技术运用是室内环境可持续的重要表现，目前的设计实践中正在持续产生成功案例，并且太阳能运用的低技术体系会随技术发展而不断涵盖曾经流行的成熟技术，它将继续作为适宜技术的一部分替代或补充高技术，这条技术路径必然是生态时代中室内环境可持续的一个发展方向，在可预见的未来会被普及和推广。室内热环境中的太阳能运用应以高度的责任感和设计之智慧优先考虑用低技术的一切可能策略来满足功能诉求，为人们营造宜居的零或低能耗热舒适室内环境，充分利用太阳能这个永续能源来处理人与气候和自然之间的问题，贡献于人类及其生存环境的可持续发展。

注释：

①实验研究表明，在正常室内足部穿着条件下，大理石地面的人体舒适温度应在28～29.5度之间，松木地板为22.5～28度，混凝土地面为26～28.5度。see：McIntyre，Indoor Climate，London：Applied Science Publisher，1980. 2009 ASHRAE Handbook，Fundamentals（SI），American Society of Heating，Refrigerating and Air-conditioning，Engineers，Ins.，1791 Tullie Circle，N.E.，Atalanta，GA30329.转引自：朱颖心.建筑环境学（第三版）[M].北京：中国建筑工业出版社，2010：111.

②根据美国亚利桑那州大学的Joe McCaba的计算数据，三道箍纤维块墙体的隔热系数是R-45～R-47，而两道箍纤维块墙体的隔热系数是R-42～R43。田纳西州的橡树国家实验室的实验结论是三道箍纤维块墙体的隔热系数是R-33。参见：（美）琳恩·伊丽莎白，卡萨德勒·亚当斯.新乡土建筑：当代天然建造方法[M].吴春苑译.北京：机械工业出版社，2005：203.

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[10][11]杨柳.建筑气候学[M].北京：中国建筑工业出版社，2010：240-241.

[12]Daniel D.Chiras.The Natural House：A Complete Guide To Healthy，Energy-Efficient，Environmental Homes[A].[美]丹尼尔·D·希拉.太阳能建筑：被动式采暖和降温[M].薛一冰，管振忠，等译.北京：中国建筑工业出版社，2008：97.

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

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