關(guān)中地區(qū)下沉式窯洞冬季室內(nèi)熱環(huán)境測試研究

李雪平，崔 羽

(西安科技大學(xué) 建筑與土木工程學(xué)院，陜西 西安710054)

隨著綠色建筑不斷被提倡，節(jié)能、環(huán)保已成為21世紀(jì)建筑學(xué)科的熱點(diǎn)問題，解決建筑高能耗問題也是我國建筑行業(yè)的重點(diǎn).傳統(tǒng)民居作為環(huán)保、低能耗建筑，其傳承和發(fā)展備受關(guān)注.為此，越來越多的學(xué)者也投身到研究傳統(tǒng)民居居住環(huán)境的工作中.楊柳提出寒冷地區(qū)農(nóng)村現(xiàn)有住宅可利用吊炕改善冬季熱舒適問題[1].吳志剛研究得出增加緩沖空間可改善夏季民居的熱環(huán)境[2].高翔翔通過對寒冷地區(qū)民居建筑的熱環(huán)境研究得出冬季火炕對民居室內(nèi)供暖的重要性[3].趙西平、劉元等人通過實(shí)驗測試研究傳統(tǒng)民居的圍護(hù)結(jié)構(gòu)，得出夯土墻具有良好的熱工性能，提出冬季保溫的改進(jìn)方法[4].以上學(xué)者對傳統(tǒng)民居的室內(nèi)熱環(huán)境問題已有廣泛研究，但對于下沉式窯洞冬季室內(nèi)熱環(huán)境的研究資料尚且不足，下沉式窯洞作為關(guān)中地區(qū)常見的一種傳統(tǒng)民居，其夏季主要考慮用樹木遮陽、天井、綠化等措施改善室內(nèi)熱舒適性，而冬季陰冷潮濕，窯洞室內(nèi)熱舒適性較差，對當(dāng)?shù)鼐用穸旧钣绊憞?yán)重.因此開展該地區(qū)下沉式窯洞冬季室內(nèi)熱環(huán)境的研究對提高當(dāng)?shù)鼐用窬幼∈孢m性及綠色建筑可持續(xù)發(fā)展具有重要意義.

本文以三原縣典型下沉式窯洞為研究對象，開展室內(nèi)熱環(huán)境研究，在其冬季1月份進(jìn)行空氣溫濕度、

壁面溫度、太陽輻射強(qiáng)度等熱環(huán)境參數(shù)測試，依據(jù)PMV-PPD熱評價體系進(jìn)行分析，討論其傳熱機(jī)制，并提出相應(yīng)優(yōu)化建議，所得結(jié)論可為當(dāng)?shù)叵鲁潦礁G洞室內(nèi)熱環(huán)境的優(yōu)化與改善提供理論依據(jù).

1 測試對象及方案

1.1 測試對象

測試地點(diǎn)位于三原縣柏社村.三原縣位于關(guān)中地區(qū)，屬于我國建筑熱工分區(qū)中的寒冷地區(qū).冬季干燥寒冷，常有冬旱；夏季炎熱，降雨量大.窯洞的天井長寬10 m左右、深約7～8 m.窯頂上的地面夯實(shí)，向外有傾斜小坡，保證下雨時不積水，保護(hù)窯頂土層穩(wěn)定.入戶通道長約15 m，供居民平時出入.內(nèi)外墻體用草泥抹面、裱糊處理.門窗洞口用黏土磚砌筑.窯內(nèi)地面采用素土夯實(shí)，上層鋪設(shè)黏土磚，天井采用黏土磚鋪設(shè)寬約1 m的通道.門窗材料均為鐵質(zhì)、單層玻璃制成.

圖1 下沉式窯洞Fig.1 Sinking cave dwelling

1.2 測試方案

本次測試天氣均為晴天，主要測試不采暖的房間3，房間門窗關(guān)閉，有棉質(zhì)門簾，測試期間居民正?；顒?，房間1、2、4為三組平行試驗.2018年1月10日13:30開始測量該房間24 h室內(nèi)溫濕度.其他溫濕度測點(diǎn)包括房間1測點(diǎn)A、房間2測點(diǎn)B、房間4測點(diǎn)D和室外測點(diǎn)E，各布置一個溫濕度記錄儀，房間3測點(diǎn)F、G為壁面溫度測點(diǎn)，置兩臺表面溫度計，與房間3溫濕度測點(diǎn)C同時記錄，并同時監(jiān)測當(dāng)天室外太陽輻射強(qiáng)度.儀器布置如圖2所示.

圖2 窯洞平面及測點(diǎn)布置Fig.2 Cave dwelling plane and measuring point arrangement

2 測試數(shù)據(jù)及傳熱機(jī)制分析

2.1 太陽輻射強(qiáng)度

太陽輻射強(qiáng)度測試點(diǎn)選擇在房間3門口，房間3坐北朝南，儀器受到的遮擋較少，有利于準(zhǔn)確記錄當(dāng)天輻射強(qiáng)度.數(shù)據(jù)記錄從早上8:00至下午6:00左右，日照時間約10 h.總輻射強(qiáng)度平均為0.36 kM/m2，最高點(diǎn)出現(xiàn)在下午1:00左右，其值約為0.52 kM/m2(如圖3).通過測試數(shù)據(jù)可以得出，太陽總輻射強(qiáng)度較高，持續(xù)日照時間較長，可有效利用太陽能.

圖3 太陽輻射強(qiáng)度變化Fig.3 Changes of the solar radiation intensity

2.2 空氣溫度

由圖4中的溫度測試結(jié)果可以得出：測試期間(為24 h)，室外溫度隨時間呈周期性變化，在11日早上7:30分左右溫度最低，為-6.8 ℃，最高氣溫3.2℃出現(xiàn)在10日午后約14:00，平均溫度-2.7 ℃，日溫度波幅約10 ℃，室外溫度有較大波動.室內(nèi)各房間平均溫度均在6 ℃左右，波幅3 ℃左右，溫度較為平穩(wěn).房間3平均溫度6.2 ℃，最高溫度7.3 ℃，最低氣溫4.5 ℃，波幅2.8 ℃.依據(jù)《室內(nèi)空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T18883-2002)[5]規(guī)定，冬季有采暖場所的溫度為16～24 ℃,農(nóng)村住宅雖然與城市供暖要求不同，但也應(yīng)在15～18 ℃才能滿足人的熱舒適需要[6].

圖4 室外及各房間溫度對比Fig.4 Outdoor and room temperature comparison

2.3 相對濕度

從圖5相對濕度測試結(jié)果可以得出：室外相對濕度在45%～70%左右，平均相對濕度為57%，在11日10:00到13:00有較大波動，夜間波動較小.室外溫度波動規(guī)律與相對濕度波動規(guī)律相反，即相對濕度越高，溫度越低.室內(nèi)濕度受朝向影響，朝南房間室內(nèi)相對濕度在同一時間低于朝北房間，房間3相對濕度最高為55.4%，最低44.5%，平均50.6%，波幅為10.9%.朝向為北的房間1室內(nèi)相對濕度最高60.8%，平均為57.2%，相比于房間3較高，各房間相對濕度均在50%以上.室內(nèi)相對濕度波動幅度較小，處于較平穩(wěn)狀態(tài)，房間通風(fēng)不良，室內(nèi)外空氣交換效率較低.

圖5 室外及各房間相對濕度對比Fig.5 Comparison of outdoor and room relative humidity

2.4 壁面溫度與平均輻射溫度

通過圖6中的測試數(shù)據(jù)可知，房間3的東、西壁面溫度均較低，兩側(cè)墻面溫度接近，室內(nèi)溫度高于壁面溫度約3 ℃，人體會產(chǎn)生輻射吹風(fēng)感，熱舒適性低.人體輻射傳熱量主要受室內(nèi)壁面溫度的影響[7].根據(jù)平均輻射溫度MRT(Mean Radiant Temperature)公式[7]對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理：

(1)

式中：Ai為各表面可以看到的面積；Ti為該表面溫度.

處理數(shù)據(jù)得到房間3平均輻射溫度變化(見圖7)，房間3的平均輻射溫度MRT處于1.8～4.1 ℃之間，與室內(nèi)溫度最大差4 ℃左右，平均輻射溫度與室溫均較低.當(dāng)?shù)鼐用穸救粢獫M足熱舒適度要求，需采用輔助采暖等方式.

圖6 室內(nèi)壁面溫度變化Fig.6 Changes of the indoor wall temperature

圖7 房間3平均輻射溫度(MRT)變化Fig.7 Average radiation temperature (MRT) changes of Room 3

2.5 水蒸氣分壓力

根據(jù)預(yù)測熱感覺投票PMV公式，水蒸氣分壓力也是分析室內(nèi)熱環(huán)境舒適性中的一項重要參數(shù)，參照溫度 - 水蒸氣分壓力對照表，通過Excel表格擬合出兩者的線性關(guān)系(見圖8)，圖中可以看出溫度在0～100 ℃左右擬合較為準(zhǔn)確，水蒸氣壓力隨溫度升高呈指數(shù)增長：

P=1.114 7e0.043 5T

(2)

式中：P為水蒸氣分壓力；T為溫度.

圖8 溫度 - 水蒸氣分壓力擬合曲線Fig.8 Temperature-water vapor partial pressure fitting curve

處理數(shù)據(jù)得到房間3室內(nèi)水蒸氣分壓力變化曲線(見圖9)，房間3的水蒸氣分壓力基本在1.4～1.6 kPa之間，平均為1.48 kPa，波動幅度較小.

圖9 房間3水蒸氣分壓力Fig.9 Water vapor partial pressure of Room 3

2.6 基于土體水熱耦合理論的窯洞傳熱機(jī)制分析

依據(jù)傳熱學(xué)[8]公式對下沉式窯洞周圍土體進(jìn)行分析.

土體容積熱容量公式.

CV=C1ρ1+C2ρ2+C3ρ3

(3)

式中：C1為土體顆粒比熱容；ρ1為干密度；C2為水的比熱容；ρ2為水的密度；C3為空氣比熱容；ρ3為空氣密度.

熱擴(kuò)散系數(shù)公式.

(4)

式中：λ為土體熱導(dǎo)率；CV容積熱容量.

根據(jù)上文數(shù)據(jù)分析，對下沉式窯洞土體傳熱機(jī)制進(jìn)行分析，所得結(jié)論如下：

(1)依據(jù)式(3)，(4)得出土體傳熱效應(yīng)隨其濕度增長呈上升趨勢，水容積熱容量為4.19 kJ/(kg·K)，土體顆粒容積熱容量為2.05～2.43 kJ/(kg·K)，冰的容積熱容量為1.886 kJ/(kg·K).三原縣冬季平均氣溫在0 ℃以下，土體處于0 ℃以下時所含水分轉(zhuǎn)化為冰，土體容積熱容量降低，熱擴(kuò)散系數(shù)增大，結(jié)果導(dǎo)致冬季窯洞周圍土體傳熱敏感，窯洞內(nèi)部保溫性能減弱.

(2)相比于土體容積熱容量，空氣容積熱容量僅為0.001 3 kJ/(kg·K)，土壤中空氣含量對土體容積熱容量對窯洞室內(nèi)熱環(huán)境影響極小.

圖10 土體傳熱機(jī)制Fig.10 Soil heat transfer mechanism

3 室內(nèi)熱舒適評價及優(yōu)化方案

3.1 室內(nèi)熱舒適評價

PMV-PPD熱評價體系是由Fanger教授提出用來評價室內(nèi)熱環(huán)境質(zhì)量及人體熱舒適的方法[9].PMV表示預(yù)測平均投票數(shù)，代表同一環(huán)境人的熱感覺平均值，根據(jù)人體熱平衡公式計算得來.PMV=0時表示室內(nèi)熱環(huán)境為最佳熱舒適狀態(tài)，ISO7730對PMV的推薦值為PMV值在-0.5～+0.5之間.PPD為預(yù)測一組人中對同一環(huán)境熱感覺感到不舒適的人數(shù)所占總?cè)藬?shù)的百分比，是預(yù)測平均投票數(shù)PMV的函數(shù)，即使在舒適條件PMV=0時，PPD曲線也有5%的人反映出不滿意.

測試期間房間3門窗均關(guān)閉，取室內(nèi)風(fēng)速為0 m/s.其中服裝熱阻通過調(diào)查當(dāng)?shù)鼐用穸臼覂?nèi)著裝情況設(shè)定為1.7 clo，依據(jù)國際標(biāo)準(zhǔn)化組織ISO7730標(biāo)準(zhǔn)[10,11]的規(guī)定值進(jìn)行計算，新陳代謝率以人體坐姿、輕微活動設(shè)定為1.2 met.利用所得數(shù)據(jù)：房間3室內(nèi)溫度、相對濕度、平均輻射溫度、飽和水蒸氣壓力等，基于Matlab軟件將對應(yīng)參數(shù)輸入計算得到同一時刻PMV，PPD值(圖11～12).窯洞預(yù)測熱感覺投票PMV的均值為-2.01，預(yù)測不滿意百分比PPD均高達(dá)67%以上.結(jié)果表明，三原縣柏社村下沉式窯洞室內(nèi)人體熱感覺偏冷，無輔助采暖時，室內(nèi)熱舒適度差.

圖11 房間3 PMV曲線Fig.11 PMV curve of Room 3

圖12 房間3 PPD曲線Fig.12 PPD curve of Room 3

3.2 優(yōu)化方案

依據(jù)實(shí)測數(shù)據(jù)及傳熱機(jī)制分析，并結(jié)合三原縣下沉式窯洞建筑特點(diǎn)，對其室內(nèi)熱環(huán)境提出以下四點(diǎn)建議：

(1)下沉式窯洞在選址期間，可通過減少周圍地形、樹木等環(huán)境對太陽能的利用，以此解決當(dāng)?shù)叵鲁潦礁G洞冬季部分采暖問題.

(2)窯洞冬季周圍土體熱擴(kuò)散系數(shù)增大，土體傳熱敏感，可通過對其內(nèi)壁面及地面增加保溫隔熱材料，以此減少周圍土體降溫對窯洞室內(nèi)的影響.

(3)窯洞冬季室內(nèi)溫度較低，可使用火爐、電熱毯等輔助取暖設(shè)施，以此滿足居民對室內(nèi)熱舒適性的要求.

(4)窯洞與室外空氣交換較差，可同時打開門窗，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(jìn)行室內(nèi)外空氣交換.

4 結(jié)論

(1)三原縣下沉式窯洞冬季防寒效果較差，室內(nèi)溫度較低，相對濕度較大.窯洞室內(nèi)與外部環(huán)境通風(fēng)不暢，室內(nèi)長期處于較潮濕的環(huán)境.

(2)窯洞內(nèi)壁面溫度低于室內(nèi)溫度約3 ℃，對人體易造成冷輻射影響，室內(nèi)人體熱舒適性較低，居民日常活動受到影響.

(3)冬季窯洞周圍土體容積熱容量降低，熱擴(kuò)散系數(shù)增大，導(dǎo)致土體傳熱敏感，窯洞內(nèi)部保溫性能減弱.依據(jù)PMV-PPD熱評價體系進(jìn)行分析，窯洞室內(nèi)預(yù)測熱感覺投票PMV均值為-2.01，預(yù)測不滿意率PPD達(dá)67%以上，室內(nèi)熱環(huán)境問題仍需改善.

(4)依據(jù)實(shí)測數(shù)據(jù)及水熱耦合機(jī)制分析，并結(jié)合三原縣下沉式窯洞建筑特點(diǎn)，對其室內(nèi)熱環(huán)境的改善提出四點(diǎn)建議.