靠山窯冬季室內(nèi)熱環(huán)境實測研究

近年來，由于全球氣候變暖和熱島效應(yīng)加劇，越來越多的研究致力于改善室內(nèi)外熱環(huán)境。其中很多被動式建筑技術(shù)的研究將目光放到傳統(tǒng)鄉(xiāng)土建筑上。傳統(tǒng)鄉(xiāng)土建筑通常是千百年適應(yīng)地域氣候的技術(shù)結(jié)晶，應(yīng)用地域材料達到對地域氣候和地形的適應(yīng)性。在鄉(xiāng)土建筑中，覆土建筑技術(shù)已十分成熟。通過充分利用地下熱能和土壤的蓄熱能力，作為天然節(jié)能建筑的黃土窯洞住宅可實現(xiàn)冬暖夏涼。這種建筑對環(huán)境適應(yīng)性極強，可實現(xiàn)舒適的室內(nèi)熱環(huán)境，減少建筑能耗，體現(xiàn)了建筑與自然的和諧，是我國綠色建筑的典型案例。為達到建筑低碳節(jié)能的目的，有必要研究窯洞冬暖夏涼的機理。國內(nèi)已有的關(guān)于窯洞的研究大致可分為以下4類。（1）關(guān)于窯洞建筑文化的研究，主要研究包括窯洞建筑產(chǎn)生的原因、窯洞及其建筑技術(shù)的發(fā)展歷程、窯洞與農(nóng)耕文化發(fā)展等方面。（2）關(guān)于窯洞保護與利用的研究，從編制保護規(guī)劃、制定保護措施等方面為窯洞建筑的保護提出意見，研究窯洞建筑技術(shù)和非物質(zhì)文化遺產(chǎn)的保護策略。（3）關(guān)于窯洞建筑結(jié)構(gòu)技術(shù)的研究，對窯洞的結(jié)構(gòu)特點、材料性能等進行研究，分析窯洞建筑傳統(tǒng)營造技術(shù)的科學(xué)性和合理性。（4）關(guān)于窯洞內(nèi)部物理環(huán)境的研究，從生態(tài)建筑的角度研究窯洞建筑，分析其內(nèi)部的熱環(huán)境、光環(huán)境、風(fēng)環(huán)境等物理特征，探索改善其居住環(huán)境和可持續(xù)發(fā)展的方案。學(xué)者們雖從文化、結(jié)構(gòu)、物理環(huán)境等方面對窯洞進行了研究，但仍需進一步深入地定量研究窯洞的熱環(huán)境及其傳熱機理。本文通過實地測試定量研究窯洞冬季室內(nèi)熱環(huán)境，為學(xué)習(xí)窯洞的設(shè)計思路，提升現(xiàn)有綠色被動式建筑技術(shù)，降低建筑能耗提供數(shù)據(jù)支撐。1、研究方法1.1調(diào)查地點測量地點位于陜西省西安市長安區(qū)賈里村（圖1），該村處于北緯34°04'，東經(jīng)109°06'，屬我國建筑熱工分區(qū)中的寒冷地區(qū)，冬季天氣寒冷干燥，夏季天氣炎熱。根據(jù)建筑形態(tài)及構(gòu)造特征，我國窯洞主要可分為獨立式窯洞、下沉式窯洞和靠山式窯洞3種。本研究選擇當?shù)氐目可绞礁G洞，即窯洞前為平地或山坡，背靠山坡或土塬的邊緣地帶的窯洞。該窯洞測量期間無人活動且不采暖，南側(cè)有門窗（圖1）。圖1測試窯洞外景1.2實地測試計劃課題組于2019年12月到2020年1月進行實地測量，測量于2019年12月27日11∶00開始，于2020年1月4日12∶00結(jié)束。在室內(nèi)空氣、室內(nèi)墻壁、室內(nèi)地面、室外空氣、室外墻壁、室外地面6個測點，各布置1臺溫濕度記錄儀，每隔1?min記錄室內(nèi)空氣、室內(nèi)墻壁、室內(nèi)地面、室外空氣、室外墻壁、室外地面的溫度及室內(nèi)空氣和室外空氣的濕度。選擇的測量儀器及其具體參數(shù)見表1。表1測量儀器具體參數(shù)獲取數(shù)據(jù)后，選擇天氣晴朗的1月3日作為冬季的代表日，對該日24?h的測試數(shù)據(jù)進行分析。2、分析結(jié)果與討論2.1室內(nèi)外溫度比較2.1.1室內(nèi)空氣與室外空氣如圖2所示，室外空氣溫度隨時間變化劇烈，1月3日8∶10達到最低點–0.38℃，1月3日14∶57達到最高點10.97℃，最大溫差達11.35℃。室內(nèi)空氣溫度整體變化較平穩(wěn)，在平均溫度14.0℃附近小幅變化，1月3日8∶35達到最低點13.43℃，1月3日15∶02達到最高點15.12℃，最大溫差1.69℃。圖2室內(nèi)室外空氣溫度比較室內(nèi)空氣溫度的整體變化趨勢與室外空氣溫度相仿，但整體略滯后于室外空氣溫度，谷值比室外溫度晚25?min到達，峰值比室外溫度晚5?min到達，說明室外空氣溫度是影響室內(nèi)空氣溫度的主要因素之一。室內(nèi)空氣溫度整體高于室外空氣且變化平穩(wěn)，比室外空氣溫度振幅小得多，其溫差也比室外空氣的最大溫差小9.66℃。說明窯洞可以有效保持室內(nèi)溫度，使室內(nèi)溫度始終處于較為平穩(wěn)狀態(tài)。2.1.2室內(nèi)地面與室外地面如圖3所示，室外地面溫度隨時間變化劇烈，1月3日7∶35達到最低點1.0℃，14∶46達到最高點8.0℃，最大溫差達7.0℃。室內(nèi)地面溫度隨時間變化則較平穩(wěn)，在平均溫度4.01℃附近小幅變化，1月3日6∶21達到最低點13.43℃，14∶34達到最高點14.50℃，最大溫差1.30℃。圖3室內(nèi)室外地面溫度比較室外地面溫度發(fā)生變動時，室內(nèi)地面溫度雖也會發(fā)生一定變化，但整體略滯后于室外空氣溫度，說明室外地面溫度會對室內(nèi)地面溫度造成一定影響。室內(nèi)地面溫度整體高于室外地面且變化平穩(wěn)，比室外地面溫度的振幅小得多，比室外地面的最大溫差小11.13℃。說明窯洞可有效保持室內(nèi)地面溫度，使室內(nèi)溫度始終處于較平穩(wěn)的狀態(tài)。室外地面溫度雖會對室內(nèi)地面溫度造成一定影響，但影響極小。2.1.3室內(nèi)墻壁與室外墻壁如圖4所示，室外墻壁溫度隨時間變化劇烈，1月3日8∶00達到最低點2.90℃，14∶40達到最高點18.20℃，最大溫差達15.30℃。室內(nèi)墻壁溫度變化稍平穩(wěn)，1月3日8∶42達到最低點8.30℃，15∶19達到最高點15.90℃，最大溫差為7.60℃。圖4室內(nèi)室外墻壁溫度比較室內(nèi)墻壁溫度比室外墻壁溫度略高，且溫度變化更平穩(wěn)，比室外墻壁溫度振幅小得多，比室外墻壁的最大溫差小7.70℃。從圖4可看出，室內(nèi)墻壁溫度的整體變化趨勢與室外墻壁溫度相仿，但整體略滯后于室外墻壁溫度，谷值比室外溫度晚42?min到達，峰值比室外溫度晚39?min到達。結(jié)合這兩點表明窯洞墻體可有效隔熱，減少室內(nèi)外熱傳導(dǎo)。2.2窯洞控制室內(nèi)熱環(huán)境的模式2.2.1控制室內(nèi)溫度的模式表2為6個測點溫度的平均值、極值、極差、均方差，從表中數(shù)據(jù)可定量判斷室外溫度對室內(nèi)的影響。表2溫度測量結(jié)果統(tǒng)計

℃如表2所示，室外空氣和室外地面平均溫度最低，其中室外空氣均方差較大，取決于當?shù)氐臍夂颦h(huán)境；室外地面的均方差較小，除了受到當?shù)貧夂颦h(huán)境的影響外，還取決于當?shù)赝寥赖臒峁ば阅芎屯恋販囟?。隨室外墻壁、室內(nèi)墻壁、室內(nèi)空氣和地面越來越小，在數(shù)據(jù)上表現(xiàn)為平均溫度逐級增高和極差及均方差逐級遞減，到室內(nèi)地面和室內(nèi)空氣其影響已經(jīng)很小。室內(nèi)墻壁的極差和均方差明顯大于室內(nèi)空氣和地面，更接近室外3個測點的數(shù)據(jù)，說明靠山窯遠離山體一側(cè)的墻壁受外界溫度影響最大。結(jié)合圖4可看出，由于該側(cè)墻體良好的熱工性能，室外溫度的影響從外壁到達內(nèi)壁時已被有效減弱，其極差、均方差均下降了近一半。如圖5所示，比起室內(nèi)墻壁溫度的趨勢，室內(nèi)空氣溫度更接近室內(nèi)地面溫度，兩者的溫度曲線幾乎重合，平均溫度相差不足0.5℃，且溫度均相對平穩(wěn)，均方差均在0.5℃左右，僅在平均溫度14℃上下小幅波動，幾乎不受室內(nèi)墻壁的影響。圖5室內(nèi)室外墻壁溫度比較結(jié)合表2數(shù)據(jù)可看出，靠山窯有著良好的保溫性能，而室內(nèi)地面溫度更多取決于當?shù)厣襟w的土壤溫度，這與已有研究的結(jié)論相符。外界溫度通過影響遠離山體一側(cè)的墻體來影響室內(nèi)溫度。且由于遠離山體一側(cè)的墻壁較厚，具有良好的熱工性能，故能減少室外溫度的影響。2.2.2控制室內(nèi)濕度的模式表3為室內(nèi)和室外空氣濕度的平均值、極值、極差、均方差的測量結(jié)果，通過表中數(shù)據(jù)可定量判斷室外濕度對室內(nèi)的影響。如表3所示，室外空氣濕度主要取決于當?shù)氐臍夂颦h(huán)境和測量日的天氣，從測量結(jié)果看平均值比室內(nèi)空氣高17.73%，極差大33.39%，均方差大10.73%，各項數(shù)據(jù)均與室內(nèi)空氣相差較大。表3濕度測量結(jié)果統(tǒng)計

%如圖6所示，室外空氣濕度隨時間變化劇烈，1月3日14∶49達到最低點39.59%，8∶46達到最高點76.96%，最大濕度差為37.36%。室內(nèi)空氣的相對濕度隨時間變化較平穩(wěn)，在平均濕度43.43%附近小幅變化，1月3日0∶07達到最低點41.41%，15∶37達到最高點45.39%，最大濕度差僅3.97%。圖6室內(nèi)室外相對濕度比較室內(nèi)相對濕度在大多數(shù)時間內(nèi)低于室外，且與室外相對濕度相比變化很小甚至幾乎不變，最大濕度差比室外空氣小33.39%。結(jié)合表3可見室外相對濕度對室內(nèi)相對濕度的影響相當有限，說明窯洞能有效減少室內(nèi)外水汽交換，使室內(nèi)相對濕度保持在一個水平，外界環(huán)境影響室內(nèi)相對濕度的幅度很小。2.3室內(nèi)熱環(huán)境評估及改善建議由表2和表3可知，冬季該靠山窯室內(nèi)空氣平均溫度為14.05℃，室內(nèi)空氣平均相對濕度為43.43%。根據(jù)GB/T50824—2013《農(nóng)村居住建筑節(jié)能設(shè)計標準》規(guī)定，寒冷地區(qū)冬季農(nóng)村住宅的室內(nèi)溫度應(yīng)不低于14℃，相對濕度應(yīng)在30%~60%。對比上述數(shù)據(jù)，可知該靠山窯室內(nèi)熱環(huán)境基本符合國家標準。結(jié)合以上數(shù)據(jù)及窯洞建筑的特點，對改善其室內(nèi)熱環(huán)境提出建議如下。（1）從上述分析可知，遠離山體一側(cè)墻壁的熱工性能和山體土壤溫度均為影響窯洞冬季室內(nèi)溫度的重要因素，因此可對內(nèi)外壁面和地面鋪設(shè)性能更好的保溫隔熱材料，以減少室外空氣和周圍土體對窯洞室內(nèi)溫度的影響。（2）窯洞雖具有良好的保溫性能，但冬季室內(nèi)溫度仍然偏低，對此可通過提高門窗氣密性等方式進一步提高冬季室內(nèi)熱舒適度。（3）由于窯洞僅一側(cè)有窗，空氣流動較差，不利于室內(nèi)外空氣交換，必要時可打開門窗，保持單面通風(fēng)，利用室外空氣脈動與室內(nèi)外溫差的熱壓進行室內(nèi)外空氣交換。3、結(jié)論通過對陜西省西安市長安區(qū)賈里村的靠山窯進行的實測，較定量研究了窯洞室內(nèi)室外的熱環(huán)境特點和控制室內(nèi)溫濕度的模式，并研究了窯洞設(shè)計思路和建筑技術(shù)，為被動式建筑的優(yōu)化設(shè)計提供了數(shù)據(jù)支撐，以進一步降低建筑能耗。由此可得出研究結(jié)論如下。（1）靠山窯室內(nèi)溫度整體高于室外空氣溫度且變化平穩(wěn)，雖變化趨勢與室外溫度相仿，但整體略滯后于室外空氣溫度，證明室外溫度是影響室內(nèi)溫度的因素之一，但由于靠山窯有良好的保溫性能，且其遠離山體一側(cè)的墻壁具有良好的熱工性能，能有效減少室外溫度的影響，使室內(nèi)溫度處于較為平穩(wěn)的狀態(tài)。（2）室內(nèi)相對濕度