热质量的科学：全球可持续建筑设计指南

热质量是可持续建筑设计中的一个基本概念，指的是材料吸收、储存和释放热量的能力。这种特性，也被称为热惯性，在调节室内温度、降低能源消耗和提高居住者舒适度方面起着至关重要的作用。本指南探讨了热质量背后的科学原理，它在不同气候中的各种应用，以及它对全球更可持续的建筑环境的贡献。

理解热质量：基础知识

热质量受到几个材料特性的影响：

• 比热容：将物质的温度升高一定量（例如，1摄氏度）所需的能量。比热容越高，材料可以储存的热量越多。
• 密度：单位体积的质量。密度越大的材料通常具有更高的热质量。
• 导热系数：热量通过材料流动的速率。导热系数高的材料传热速度快，而导热系数低的材料是更好的绝缘体。

常用于热质量的材料包括混凝土、砖、石头、水和基于地球的建筑方法，如夯土和土坯。这些材料具有相对较高的比热容和密度，使其能有效地储存热能。

热质量的工作原理

热质量的主要功能是调节建筑物内的温度波动。白天，热质量吸收来自阳光或环境空气的热量，防止室内温度迅速升高。晚上，当气温下降时，储存的热量会缓慢释放，有助于保持舒适的室内环境。这个过程减少了对人工供暖和制冷系统的需求，从而实现了显着的节能。

考虑一下被动式太阳能加热的房屋中的混凝土地板。白天，阳光穿过朝南的窗户（在北半球），使混凝土地板变暖。混凝土吸收并储存这些热量。当太阳下山并且室内空气温度下降时，混凝土地板释放储存的热量，使房屋在整个夜晚保持温暖。在夏季，可以通过在白天遮蔽热质量来逆转这一过程，防止其吸收热量，从而保持室内凉爽。

热质量的益处

将热质量纳入建筑设计提供了许多优势：

• 能源效率：减少对供暖和制冷系统的依赖转化为更低的能源账单和更小的碳足迹。
• 提高舒适度：更稳定的室内温度创造了更舒适的生活和工作环境。
• 节省成本：较低的能源消耗导致建筑物所有者的长期成本节约。
• 耐用性：许多具有高热质量的材料，如混凝土和砖，都非常耐用且持久，有助于建筑物的寿命。
• 降低峰值需求：通过平滑温度波动，热质量可以帮助降低电力峰值需求，从而使整个电网受益。

不同气候下的热质量

热质量的有效性取决于气候。它在具有显着每日温度波动的气候中最为有益，例如：

炎热、干旱气候

在炎热、干旱的气候中，如中东、非洲和美国西南部，热质量可以非常有效地在白天保持建筑物凉爽，在夜间保持温暖。这些地区传统的建筑技术通常使用由土坯、夯土或石头制成的厚墙。这些材料提供了出色的热惯性，有助于保持舒适的室内温度，尽管外部温度很高。

示例：美国新墨西哥州的传统土坯房屋展示了热质量在沙漠气候中的有效性。厚厚的土坯墙在白天吸收热量，保持室内凉爽，并在夜间释放热量，提供温暖。

温带气候

在具有不同季节的温带气候中，热质量可以帮助全年调节温度波动。在夏季，它可以帮助通过在白天吸收热量并在夜间释放热量来保持建筑物凉爽。在冬季，它可以储存来自阳光或其他热源的热量并缓慢释放，减少了对供暖的需求。

示例：英国的砖砌建筑通常利用热质量来调节全年的室内温度。砖墙在白天吸收热量，帮助在夏季保持室内凉爽，并在夜间释放热量，在冬季提供温暖。

寒冷气候

在寒冷的气候中，热质量可用于储存来自被动式太阳能增益或其他热源的热量并缓慢释放，从而减少对供暖的需求。但是，将其与足够的绝缘相结合以防止热量损失非常重要。

示例：斯堪的纳维亚半岛的房屋通常包含混凝土地板和墙壁，以储存来自燃木炉或被动式太阳能增益的热量。这种储存的热量有助于在漫长而寒冷的冬季保持舒适的室内温度。在这些应用中，绝缘至关重要。

潮湿气候

在潮湿的气候中，由于湿度高，热质量可能效果较差，这会降低传热速率。在这些气候中，将热质量与适当的通风和除湿策略相结合非常重要。考虑一栋具有高热质量但通风不良的建筑物；吸收的湿气会造成不舒服的条件。

示例：在东南亚的热带地区，传统的房屋通常由热质量材料（如砖或石材地基）和轻质、透气材料（如竹子或木材）组合而成，用于墙壁和屋顶。这允许通风并有助于防止湿气积聚，同时仍然提供一些热稳定性。

热质量的材料

建筑中常用的热质量材料有：

• 混凝土：混凝土是一种应用广泛且相对便宜的材料，具有良好的热质量特性。可用于地板、墙壁和屋顶。
• 砖：砖是另一种常见的建筑材料，具有良好的热质量。它通常用于墙壁和壁炉。
• 石头：石头是一种具有优良热质量特性的天然材料。可用于墙壁、地板和景观美化功能。
• 水：水具有非常高的比热容，使其成为储存热量的绝佳材料。可用于容器、水箱或池塘。
• 夯土：夯土是一种由压实土壤制成的可持续建筑材料。它具有良好的热质量特性，非常适合炎热、干旱的气候。
• 土坯：土坯是由粘土和秸秆制成的晒干砖。它是许多干旱地区的传统建筑材料。
• 相变材料（PCM）：PCM是在相变（例如，从固体到液体）过程中吸收和释放热量的物质。它们可以融入建筑材料中以增强其热质量特性。

热质量的设计考虑因素

为了在建筑设计中有效地利用热质量，必须考虑几个因素：

• 方向：建筑物的方向应优化，以最大限度地在冬季获得太阳能，并在夏季最大限度地减少。在北半球，这通常意味着将建筑物的主轴朝南。
• 绝缘：足够的绝缘对于防止寒冷气候中热质量的热量损失至关重要。
• 遮阳：遮阳装置，如悬挑、遮阳篷和树木，可用于防止热质量在夏季过热。
• 通风：适当的通风对于清除建筑物中多余的热量和湿度很重要。
• 表面颜色：热质量表面的颜色会影响其吸收热量的能力。较深的颜色比浅色吸收更多的热量。在较冷的气候中，深色通常是热质量表面接收直接阳光的首选。在较温暖的气候中，使用较浅的颜色来反射阳光。
• 放置：建筑物内热质量的放置至关重要。它应位于可以有效吸收和释放热量的位置。例如，混凝土地板应在冬季暴露在阳光直射下。

世界各地热质量的实际例子

• 传统的波斯冰屋 (Yakhchals)：古老的波斯结构，用于在沙漠中全年储存冰。厚厚的泥墙提供了出色的绝缘和热质量，尽管天气炎热，仍能保持冰冻状态。
• 澳大利亚库伯佩迪的地下住房：库伯佩迪的居民住在被称为“地下室”的地下房屋中，以逃离极端的沙漠高温。房屋周围的土地提供了出色的热质量，保持了稳定而舒适的温度。
• 欧洲的 Passivhaus（被动式房屋）建筑：Passivhaus 建筑利用高水平的绝缘、气密结构和热质量来最大限度地减少供暖和制冷的能源消耗。这些建筑物旨在全年保持舒适的室内温度，而无需过度依赖主动供暖和制冷系统。
• 稻草捆建筑：稻草捆在经过适当压缩和灰泥处理后，由于其密度和绝缘值，提供了惊人的热质量。这项技术在世界各地的各种气候中使用。
• Trombe 墙：Trombe 墙是一种被动式太阳能供暖系统，由面向太阳的深色大型墙壁组成，前方有一个短距离的玻璃表面。太阳辐射加热墙壁，然后墙壁缓慢地将热量辐射到建筑物中。

计算热质量要求

确定建筑物最佳热质量量需要仔细考虑几个因素，包括气候、建筑物方向、绝缘水平和入住模式。有几个软件工具和计算方法可用于帮助完成此过程。建议咨询合格的建筑师或工程师，以确保热质量得到正确的设计并融入建筑物中。

基本计算涉及了解材料的热容量、温度差和传热率。更先进的方法使用模拟软件来模拟建筑物在各种条件下的热性能。

热质量的未来

随着世界越来越关注可持续建筑实践，热质量将在减少能源消耗和改善建筑性能方面发挥更大的作用。材料科学和建筑技术的创新正在引领利用热质量的新的和改进的方法。例如，相变材料 (PCM) 提供了显着增强建筑材料热质量特性的潜力。此外，建筑自动化和控制系统的进步使热质量的管理更加复杂，使建筑物能够动态地响应不断变化的天气条件和入住模式。

结论

热质量是创造更节能、更舒适建筑的有力工具。通过了解热质量背后的科学原理并仔细考虑设计因素，建筑师、工程师和房主可以利用其优势来减少能源消耗、降低成本并创造更可持续的建筑环境。从古代建筑技术到现代创新，热质量仍然是全球可持续建筑设计的基石。

投资于理解和实施热质量原则不仅仅是节省能源；而是为子孙后代创造更健康、更舒适、更具弹性的建筑。当我们面临与气候变化和资源枯竭相关的日益严峻的挑战时，明智地利用热质量将在塑造可持续未来方面变得更加关键。