房舍及移动体建造过程中的保温设计

能源与材料是我们人类社会和思维存在与发展过程中，方方面面与自然界和谐相处的两类基本物质。但如今在全球范围内还存在着不合理开发、贮存、加工、运输、利用能源与材料的问题，导致环境污染、能量耗散、能源与材料等资源浪费，以及臭氧层破坏、温室气体排放较多，全球气温增高、冰川融化、海平面上升，等等，都威胁着我们地球村的可持续发展。

众所周知，我们人类一般人生活的最适温度(18-25℃)范围比较窄，与我们人类密切相关的动物、植物、微生物等生存的最适温度范围也不宽，而特殊的人群、特殊的生物群体还有特殊的要求。然而地球一年四季的周期性变化，特别是夏天的高温炎热、冬季的低温寒冷，导致了地球绝大部分地区的温度不适合我们人类生活，也影响着生物的生存。人类为了在居住或移动中求得适宜的温度，便人为采取升温、降温等措施，但目前的房屋建筑，甚至价格昂贵的，它们的保温效果并不好，加上个别者只注重短期效益、短期舒服、局部效益、局部舒服，或者有了钱就过度消费，消耗大量能源，特别是不洁能源，导致环境污染、温室气体排放增多等。

本人发明的保温房间具有良好的保温效果，且取材广泛，操作简便，适用范围大，制造成本不高，减少能耗明显，具有显著的经济效益、生态效益和社会效益。该保温房间，在低温季节或区域，可以明显减少向外散热量；在高温季节或区域，可以明显减少由外向内的传热量。作为一个试验样品，该保温房间及其设计原理便于推广，因为它取材多样，尤其是它的核心材料——封闭空气，更是廉价易得，而且便于操作。如果在固定房舍建筑，集装箱、运输车船等的箱体制造上进行推广，那么，对减少能源消耗、减轻环境压力产生的效益将是巨大的。

本人发明的保温房间由铝合金、、玻璃、聚氯乙烯板和旧木板构成，除了通过少数几根铝合金框架与主房间墙壁接触、少数几排砖与主房间地面接触外，整个保温间悬空套在主房间内，即它的六个面与主房间的顶棚、墙壁和地面都有间隔。在主房间门窗、保温间门窗同时关闭或仅留小孔隙的情况下，保温间便产生了保温效果。

该保温房间在主房间门窗，保温间门窗同时关闭或仅留很小孔隙情况下产生保温效果的原因是：在保温间六个面与主房间之间形成了封闭空气层。

封闭空气层产生保温效果的理论依据：第一，分子动理论：物质是由分子组成的，一切物质的分子都在永不信息地做无规则运动，分子之间同时存在相互作用的引力和斥力。第二，温度：温度是分子热运动剧烈程度的标志，温度越高的物体，其分子热运动越剧烈，第三，内能：内能是能量的一种形式，它是物体内所有分子无规则运动的动能和分子势能的总和。第四，内能与温度联系密切：当一个物体的温度升高时，它的内能增大，第五，热力学第一定律：ΔU＝W+Q即一个热力学系统内能增量等于外界向它传递的热量与外力对它做功之和(ΔU代表内能增量，Q代表传递的热量， W代表做功)第六，热力学第二定律及热传导的方向性：两个温度不同的物体相互接触时，热量会自发地从高温物体传递给低温物体，结果使高温物体的温度降低，使低温物体的温度升高；不可能使热量从低温物体传递到高温物体而不引起其他变化。第七、物质质量与密度的关系：m＝ρV (m代表质量，ρ代表密度、V代表体积)。第八，热量计算方法：Q＝cmΔt (Q代表传递的热量，c代表比热容，m代表质量，Δt代表温度变化值)。人类等生命有机体所处的小环境(如房屋)的温度，特别是最适温度(18-25 ℃)经常与外界大环境的温度有很大差别，这就导致了热传递的发生。热传递的方式有三种：传导、对流和辐射。由于墙壁、屋顶的阻挡，房屋内外热传递一般只靠墙壁屋顶和地面的传导发生。由上述理论知道，这种传导是由高温面向低温面进行的。但目前房屋的单层实体墙，屋顶及地面的保温效果很差，即使在墙壁外面贴一层实体材料，保温效果也改善不了多少，而本人发明的封闭空气复合墙(由保温间六个面与主房间墙壁等及夹在二者之间的封闭空气组成)就比较好。原因是：由于空气的密度比一般固体建筑材料小得多，由m＝ρV可知，夹在主房间与保温间中的一定体积的封闭空气质量也很小。那么，比如说，在寒冷的冬天，室内温度高于室外环境温度，室内理应向外散热(热传导)，但这时保温间向外散热要经过两步进行：第一步：保温间向封闭空气散热，第二步：封闭空气向主房间墙壁、屋顶、地面散热。则由Q＝cm t可知由于封闭空气质量很小，那么封闭空气从保温间吸收的热量Q也很小，那么封闭空气从保温间吸收的热量Q也很小，进而由封闭空气向外散发的热量也就少了，因此封闭空气起到了阻抑热传导的作用。

关于封闭空气厚度的问题，由于常见的建筑材料，如土、砖、瓷、玻璃、大理石等的密度大约是空气密度的1000-2000倍，那么由m＝ρV可推导出，与实体墙壁面积相同的封闭空气，其厚度必须是实体墙壁厚度的 1000-2000倍，封闭空气的质量才能接近这种情况下的实体墙壁质量，其热传导性也接近实体墙壁，显然这是不现实的，封闭空气厚度不可能达到这个数值，但是封闭空气厚度也不能过薄，否则会增加封闭空气分子在极短时间内碰撞两面的频率，加速热传导。本人认为，封闭空气厚度可小于主体墙(承重墙)而大于内层墙，当然内层墙可以很薄，所用材料各异，能封住空气即可。因为除了保温之外，还要考虑节约空间、节约材料的问题。封闭空气厚度的精确数值，可根据具体情况，由工程实验室测试获得。如果集装箱，卡车、轮船、列车等的箱体是由钢铁建造的，由于钢铁密度是空气的7000倍左右，那么这种箱体的封闭空气厚度可比内壁或外壁都大。

关于保温房间的密闭性问题，一般地，如果保温间用于非植物性生命有机体(人、动物或需氧微生物等)居住，应留有小孔隙，用于植物生长或贮藏农产品的保温间当然是密闭性越好越有利于保温，如果主房间的门窗分别正对着，可分别合二为一，形成含有封闭空气的复合门、复合窗。为了防止因局部破损导致保温间六个面的封闭空气全部漏出，可将封闭空气分隔成若干个互不相通的单元，这可结合保温间与主房间墙壁相固定连接进行，还可使用专门和主房间墙壁配合使用易形成单元封闭空气层的保温间墙壁构件进行安装。

封闭空气密度越低，即越稀薄，其保温性能越好(理论推导)，由此可以推断，高海拔地区的含有封闭空气的保温房舍等保温效果更好。在特殊情况下，可制造含有真空的复合墙(箱)壁，但这种壁更应牢固，因为它还要承受大气压的作用。

设施农业中的农作物大棚，大多采用东、西、北三面为砖土实体墙，顶部及南面为塑料薄膜，夜里加盖草帘的建法，白天阳光充足的情况下，这种大棚内会吸收很多热量，有利于棚内作物生长；但在夜里或白天没有阳光的情况下，棚内吸收不到热量，如果没有人工加温，有可能出现冻害。因此，这种大棚效率不高。如果大棚东、西、北三面改为含封闭空气的复合墙；棚内土壤下面适当深度加一层封闭空气；棚顶及南面采用含有封闭空气的塑料薄膜覆盖，低温的夜里，在塑料薄膜上加盖草帘不算多余，那么这种含有封闭空气的农作物大棚保温效果就明显改善，降低了保温能耗或者说在现有的保温能耗量情况下，能使农作物大棚建筑向高纬度、高海拔的寒冷地区推进若干千米。这种可充封闭空气的双层塑料薄膜可分隔成若干个互不相通的单元，每一个单元设有一个气门与外界相通，用充气泵通过气门将空气充入塑料薄膜后，将气门关严，这种含有封闭空气的一定厚度的塑料薄膜比单层塑料薄膜保温效果强得多；打开气门，用吸气泵抽出塑料薄膜中的封闭空气后，塑料薄膜压薄，变为一层，有利于向大棚内透光、传热。

在动物饲养方面，孵化场、动物产房、幼畜禽舍中也可采用上述农作物大棚的建筑方法。但应注意两点：一是在硬墙体适当位置设适当大小的通气孔缝儿，保证呼吸；二是排便沟设单向阀门，即当粪尿向外流出时，阀门被冲开，当没有粪尿流出时，阀门自动关闭，以利于保温。

在水产养殖业方面，对于名贵水生动植物的养殖、水生动植物育种育苗以及用于科学研究的水生动植物活体标本的养殖保存，一般采用水箱养殖。这种水箱的六个面也可以采用含有封闭空气的复合墙，以提高保温效果。但应注意保证箱体特别是箱体的下部及底部的耐压强度，因为由P＝ρ gh(P为水中某处的压强，h为水深)可知。水越深、该处的压强越大，再就是在选择合适的地方设置投料口，给氧口。这种含有封闭空气的保温水箱使得喜温水生动植物在环境温度低于其最适生长温度时减少向环境散热，也使得喜凉水生动植物在环境温度高于其最适生长温度时减少环境向水箱里传热。从而降低了人工保温成本。

在环境温度低于人体、动植物以及微生物的生活场所(房屋、大棚等) 温度时封闭空气起到了保温作用，即减少了向大环境的散热量。同时，生命有机体在新陈代谢的呼吸时要散热，体表要散热，结果使所处场所的小环境增加了热量，在人或动物的密集区，这种效应更明显，更有利于减少人工增温(如空调、暖气)的能耗量。但当环境温度高于生命有机体所处场所的温度时，封闭空气可以减少环境向场所内传热，但呼吸散热、体表散热需要除去，在极小场所，冰块可起作用，在大场所可用空调除热，再就是打开底层的封闭空气，使得一部分热量传入地下。

总之，封闭空气使得我们的多种房舍、箱体保温效果得以提升，降低了人工升温或降温的能耗，或在等量能耗情况下，建筑物、运输物可以向高纬度、高海拔的低温地区或低纬度、低海拔的高温地区分别推进若干千米，因而降低了保温成本，动植物生长成本，农产品贮藏与运输成本，还有利于环境保护。

考虑到温度较高的空气比重小，处在低温空气的上面，因此，更应该加强保温房间或箱体的上部、顶部的保温处理，以便在低温环境下减小保温房间或箱体向外散热量；建议空调安装在保温房间或箱体的上部甚至顶部，以便在高温环境下提高保温房间或箱体向外散热效率。