陜北地區(qū)庭院式窯洞熱環(huán)境特征分析

師麗 付燕妮 王改艷 張艷萍

摘要：文章通過(guò)對(duì)陜北地區(qū)庭院式窯洞熱環(huán)境的分析，總結(jié)出庭院式窯洞的熱過(guò)程特征，并提出了改善熱環(huán)境的相關(guān)措施。

關(guān)鍵詞：庭院式窯洞 室內(nèi)熱環(huán)境 對(duì)流輻射

0 引言

窯洞是陜北地區(qū)一種典型的民居建筑，庭院式窯洞利用庭院冬季自然采暖特性，在窯洞與室外之間形成一個(gè)過(guò)渡空間，不僅有利于收集太陽(yáng)能，而且能緩沖外界氣流對(duì)窯洞正立面的沖擊，防止冷風(fēng)滲透，形成冬季庭院空氣溫度高于院外空氣溫度的良好微氣候，從而改善窯洞的室內(nèi)熱環(huán)境，提高其冬季保暖性，降低常規(guī)采暖能耗。

1 庭院式窯洞室內(nèi)熱環(huán)境特征

1.1 窯洞內(nèi)溫度的分布

一般而言，窯洞維護(hù)結(jié)構(gòu)的內(nèi)表面溫度應(yīng)該隨周?chē)諝獾牟▌?dòng)而變化。窯洞內(nèi)空氣的波動(dòng)幅度和范圍根據(jù)實(shí)測(cè)均很小，因此可以基本認(rèn)定其處于恒溫狀態(tài)。所以說(shuō)窯洞室內(nèi)的溫度直接由當(dāng)?shù)赝寥赖钠骄鶞囟葲Q定的，從窯洞自身的結(jié)構(gòu)來(lái)看，由于大部分窯洞采用了單層玻璃窗戶(hù)，因此，窯臉的總傳熱系數(shù)很大，于是其表面溫度基本上接近室外溫度，這就造成了進(jìn)深將影響窯內(nèi)氣溫的變化。

1.2 窯洞進(jìn)深、窗墻面積比與熱舒適度

人體熱舒適感覺(jué)不僅取決于室內(nèi)溫度，與平均輻射溫度也緊密聯(lián)系。如果氣流速度很小，則這兩個(gè)因素對(duì)熱感覺(jué)的影響是相同的，平均熱輻射溫度采用近似公式計(jì)算后表明，要想提高其內(nèi)表面溫度，必須提高窯臉的總體保溫性能。門(mén)窗和墻的傳熱系數(shù)決定了正立面的總傳熱系數(shù)K，因此，為了有效的降低總傳熱系數(shù)，應(yīng)當(dāng)盡量降低窗墻的面積比以減小正立面的開(kāi)窗面積。

2 庭院式窯洞窯內(nèi)光環(huán)境特征

庭院式窯洞在正立面開(kāi)窗面積很大，這就導(dǎo)致接近窗戶(hù)的地方照度較高，而遠(yuǎn)離窗戶(hù)水平面的照度則迅速下降。由此看來(lái)，接近窗戶(hù)處和遠(yuǎn)離窗戶(hù)處的區(qū)域亮度不均勻且對(duì)比過(guò)大，不僅使窯內(nèi)深度亮度不夠，而且室內(nèi)活動(dòng)的人難免經(jīng)常處于在顯著亮度變化狀態(tài)中，導(dǎo)致視覺(jué)不舒適。窯洞側(cè)窗對(duì)于人體的生理感覺(jué)而言并不是采光，而是滿(mǎn)足視覺(jué)上對(duì)室內(nèi)外溝通的需求，也就是說(shuō)減小普通側(cè)窗的面積除了降低近窗的照度外，并不妨礙庭院式窯洞的通透感，但是對(duì)于整個(gè)窯洞的室內(nèi)照度而言，去分布更加均勻。相應(yīng)的近窗和遠(yuǎn)窗處的亮度對(duì)比下降則會(huì)提高房間深處的表現(xiàn)亮度，從而有效改善了窯內(nèi)光環(huán)境的質(zhì)量。

3 庭院式窯洞窯內(nèi)空氣質(zhì)量

3.1 影響窯洞室內(nèi)空氣的不利因素

香煙和炊煙等的煙霧粒子是懸浮在庭院式窯洞中的的主要懸浮粒子，若不采用通風(fēng)設(shè)備裝置，這些有害的煙霧粒子便會(huì)發(fā)生凝聚及凝并作用而附著于固壁上，從而得到濃度的下降。但經(jīng)過(guò)試驗(yàn)和相關(guān)文獻(xiàn)查閱，這種所謂的“自?xún)簟弊饔?，它的發(fā)展過(guò)程十分緩慢而且有限，所以，一定有更多更大量地有害煙霧粒子仍然懸浮于室內(nèi)的空氣當(dāng)中。由此可見(jiàn)，只有采取適當(dāng)合理的通風(fēng)換氣產(chǎn)生對(duì)流才能對(duì)煙霧粒子起到淡化消滅的作用。

3.2 相關(guān)措施

陜北地區(qū)屬于無(wú)主導(dǎo)風(fēng)向地區(qū)，結(jié)合當(dāng)?shù)氐慕?jīng)濟(jì)發(fā)展水平和居民實(shí)際生活狀況，大致可采用以下兩種方法來(lái)控制庭院式窯洞室內(nèi)的有害懸浮粒子，以達(dá)到通風(fēng)換氣效果。第一，利用機(jī)械通風(fēng)，比如換氣裝置、除濕機(jī)等。為了有效的改善窯洞室內(nèi)的空氣質(zhì)量，應(yīng)當(dāng)在相連的窯洞側(cè)窗上安裝換氣或除濕設(shè)備，從而要讓洞內(nèi)的空氣流動(dòng)起來(lái)而淡化室內(nèi)的有害懸浮物；第二，利用風(fēng)壓作用組織自然通風(fēng)。利用風(fēng)壓實(shí)現(xiàn)自然通風(fēng)和利用窯洞內(nèi)部的空氣熱壓差是實(shí)現(xiàn)自然通風(fēng)的主要兩種途徑。首先，利用風(fēng)壓實(shí)現(xiàn)自然通風(fēng)。由于風(fēng)受到擋風(fēng)板和植物的阻擋，在吹向窯洞的時(shí)候會(huì)在窯洞的迎風(fēng)面產(chǎn)生正壓力，同時(shí)，繞過(guò)建筑各個(gè)側(cè)面和背面的氣流也會(huì)在相應(yīng)的位置產(chǎn)生負(fù)壓力，利用窯洞迎風(fēng)面和背風(fēng)面之間的壓力差就能夠?qū)崿F(xiàn)空氣流通，從而實(shí)現(xiàn)風(fēng)壓通風(fēng)。其次，利用窯洞內(nèi)部的空氣熱壓差即“煙囪效應(yīng)”實(shí)現(xiàn)建筑的自然通風(fēng)。在窯洞上部設(shè)排風(fēng)口，利用熱空氣上升的原理即可將室內(nèi)污濁的熱空氣排除而從底部吸入室外新鮮的冷空氣。還可以利用機(jī)械輔助和太陽(yáng)能技術(shù)強(qiáng)化窯居自然通風(fēng)從而達(dá)到改善窯居室內(nèi)環(huán)境的目的。

4 庭院式窯洞室外熱過(guò)程特征

文章以庭院式窯洞冬季室外熱環(huán)境的變化為例進(jìn)行闡述。對(duì)于常見(jiàn)的四合庭院窯洞，白天，太陽(yáng)輻射的照射是按照以下順序進(jìn)行的，依次為西墻內(nèi)表面、北墻內(nèi)表面和東墻內(nèi)表面，然后照射到院內(nèi)地面。由于吸收的了太陽(yáng)輻射熱量，各個(gè)方向的墻面溫度逐漸升高，其中一部分熱量與院子內(nèi)氣溫進(jìn)行對(duì)流交換，使院內(nèi)空氣溫度得以提高，這樣導(dǎo)致院內(nèi)溫度高于院外溫度，還有剩余的一部分熱量則積蓄在墻體或地面。等太陽(yáng)落山后，儲(chǔ)存在地面內(nèi)部和墻體表面的熱量逐漸向外發(fā)散。由于一般的庭院都是圍合的，即便各表面的溫度都在逐漸散出，但它們的熱量仍然高于天空輻射當(dāng)量溫度。圍合庭院式窯洞的四周墻面對(duì)天空的輻射角系數(shù)均小于1，所以表面的熱量只有少部分直接輻射至天空中，剩余部分則在各方向墻體表面進(jìn)行多次反復(fù)吸收反射，這樣的循環(huán)原理，使得在夜間，院內(nèi)溫度仍然高于院外溫度。如果院外存在氣流的作用，但由于圍墻的阻擋，外界氣流還是無(wú)法直接作用于窯臉?biāo)诘恼⒚?，所以，要想減小庭院式窯洞院內(nèi)外表面對(duì)流換熱系數(shù)，只能通過(guò)發(fā)散、誘導(dǎo)的作用吸收院內(nèi)上層空氣，致使院內(nèi)氣流速度大大降低。

5 結(jié)論及建議

通過(guò)以上分析，加大窯洞室內(nèi)進(jìn)深能夠有效提高庭院式窯洞室內(nèi)的熱環(huán)境質(zhì)量，但是如果進(jìn)深太大則對(duì)于改善室內(nèi)的光環(huán)境質(zhì)量和空氣質(zhì)量是不利的。因此，有以下幾方面建議：①降低窯洞正立面的窗墻比，除了能夠有效改善室內(nèi)熱環(huán)境外，還能夠有效地緩解不均勻輻射對(duì)人生理產(chǎn)生的影響。這種改變不僅有利于提高房間深處的亮度從而改善視覺(jué)的舒適度。②提高窯洞正立面的保溫性能。雖然窯洞的正立面維護(hù)結(jié)構(gòu)只占總維護(hù)結(jié)構(gòu)面積的八分之一至十分之一，但室內(nèi)溫度和空氣通過(guò)正立面的熱損失約占熱損失總量的60%甚至更高，所以建議將原來(lái)廣泛使用的單層玻璃窗換為雙層窗，還可以增加窗下墻的厚度以便提高窯洞內(nèi)部溫度。③由于很多窯頂都有覆土種植，故土壤含濕量大，容易增加窯洞頂部的滲漏，《黃土窯洞防水技術(shù)》中提出了窯頂防水的新方法。為了達(dá)到減滲和防滲的母材，可以采用“雙層結(jié)構(gòu)土”來(lái)改變水的入滲過(guò)程來(lái)減少雨水的入滲量?！半p層結(jié)構(gòu)”就是指在同一土層內(nèi)，由兩種水平狀的顆粒材料所形成的夾層土，如土中夾有水平層的砂或爐渣。經(jīng)過(guò)理論的計(jì)算和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，其結(jié)論為：在土層表面下50cm處設(shè)置一層10cm厚的砂層或爐渣，這種做法不僅緩減和阻止雨水下滲速度和總量，而且降低了窯洞四壁及窯頂砂層以下土壤的含水量，這樣，無(wú)疑解決了窯洞民潮濕在濕源方面的問(wèn)題，同時(shí)砂層以上土壤的含水率增大了，并能保持一個(gè)相當(dāng)穩(wěn)定的時(shí)期，這無(wú)疑為窯頂農(nóng)作物的種植提供了有利的條件。

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作者簡(jiǎn)介：

師麗（1983-），陜西榆林人，供職于榆林學(xué)院，講師，碩士學(xué)位，土木工程專(zhuān)業(yè)老師。