陜北地區庭院式窯洞熱環境特征分析

師麗 付燕妮 王改艷 張艷萍

摘要：文章通過對陜北地區庭院式窯洞熱環境的分析，總結出庭院式窯洞的熱過程特征，并提出了改善熱環境的相關措施。

關鍵詞：庭院式窯洞 室內熱環境 對流輻射

0 引言

窯洞是陜北地區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過渡空間，不僅有利于收集太陽能，而且能緩沖外界氣流對窯洞正立面的沖擊，防止冷風滲透，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熱環境，提高其冬季保暖性，降低常規采暖能耗。

1 庭院式窯洞室內熱環境特征

1.1 窯洞內溫度的分布

一般而言，窯洞維護結構的內表面溫度應該隨周圍空氣的波動而變化。窯洞內空氣的波動幅度和范圍根據實測均很小，因此可以基本認定其處于恒溫狀態。所以說窯洞室內的溫度直接由當地土壤的平均溫度決定的，從窯洞自身的結構來看，由于大部分窯洞采用了單層玻璃窗戶，因此，窯臉的總傳熱系數很大，于是其表面溫度基本上接近室外溫度，這就造成了進深將影響窯內氣溫的變化。

1.2 窯洞進深、窗墻面積比與熱舒適度

人體熱舒適感覺不僅取決于室內溫度，與平均輻射溫度也緊密聯系。如果氣流速度很小，則這兩個因素對熱感覺的影響是相同的，平均熱輻射溫度采用近似公式計算后表明，要想提高其內表面溫度，必須提高窯臉的總體保溫性能。門窗和墻的傳熱系數決定了正立面的總傳熱系數K，因此，為了有效的降低總傳熱系數，應當盡量降低窗墻的面積比以減小正立面的開窗面積。

2 庭院式窯洞窯內光環境特征

庭院式窯洞在正立面開窗面積很大，這就導致接近窗戶的地方照度較高，而遠離窗戶水平面的照度則迅速下降。由此看來，接近窗戶處和遠離窗戶處的區域亮度不均勻且對比過大，不僅使窯內深度亮度不夠，而且室內活動的人難免經常處于在顯著亮度變化狀態中，導致視覺不舒適。窯洞側窗對于人體的生理感覺而言并不是采光，而是滿足視覺上對室內外溝通的需求，也就是說減小普通側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，但是對于整個窯洞的室內照度而言，去分布更加均勻。相應的近窗和遠窗處的亮度對比下降則會提高房間深處的表現亮度，從而有效改善了窯內光環境的質量。

3 庭院式窯洞窯內空氣質量

3.1 影響窯洞室內空氣的不利因素

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，若不采用通風設備裝置，這些有害的煙霧粒子便會發生凝聚及凝并作用而附著于固壁上，從而得到濃度的下降。但經過試驗和相關文獻查閱，這種所謂的“自凈”作用，它的發展過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的空氣當中。由此可見，只有采取適當合理的通風換氣產生對流才能對煙霧粒子起到淡化消滅的作用。

3.2 相關措施

陜北地區屬于無主導風向地區，結合當地的經濟發展水平和居民實際生活狀況，大致可采用以下兩種方法來控制庭院式窯洞室內的有害懸浮粒子，以達到通風換氣效果。第一，利用機械通風，比如換氣裝置、除濕機等。為了有效的改善窯洞室內的空氣質量，應當在相連的窯洞側窗上安裝換氣或除濕設備，從而要讓洞內的空氣流動起來而淡化室內的有害懸浮物；第二，利用風壓作用組織自然通風。利用風壓實現自然通風和利用窯洞內部的空氣熱壓差是實現自然通風的主要兩種途徑。首先，利用風壓實現自然通風。由于風受到擋風板和植物的阻擋，在吹向窯洞的時候會在窯洞的迎風面產生正壓力，同時，繞過建筑各個側面和背面的氣流也會在相應的位置產生負壓力，利用窯洞迎風面和背風面之間的壓力差就能夠實現空氣流通，從而實現風壓通風。其次，利用窯洞內部的空氣熱壓差即“煙囪效應”實現建筑的自然通風。在窯洞上部設排風口，利用熱空氣上升的原理即可將室內污濁的熱空氣排除而從底部吸入室外新鮮的冷空氣。還可以利用機械輔助和太陽能技術強化窯居自然通風從而達到改善窯居室內環境的目的。

4 庭院式窯洞室外熱過程特征

文章以庭院式窯洞冬季室外熱環境的變化為例進行闡述。對于常見的四合庭院窯洞，白天，太陽輻射的照射是按照以下順序進行的，依次為西墻內表面、北墻內表面和東墻內表面，然后照射到院內地面。由于吸收的了太陽輻射熱量，各個方向的墻面溫度逐漸升高，其中一部分熱量與院子內氣溫進行對流交換，使院內空氣溫度得以提高，這樣導致院內溫度高于院外溫度，還有剩余的一部分熱量則積蓄在墻體或地面。等太陽落山后，儲存在地面內部和墻體表面的熱量逐漸向外發散。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量溫度。圍合庭院式窯洞的四周墻面對天空的輻射角系數均小于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行多次反復吸收反射，這樣的循環原理，使得在夜間，院內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，外界氣流還是無法直接作用于窯臉所在的正立面，所以，要想減小庭院式窯洞院內外表面對流換熱系數，只能通過發散、誘導的作用吸收院內上層空氣，致使院內氣流速度大大降低。

5 結論及建議

通過以上分析，加大窯洞室內進深能夠有效提高庭院式窯洞室內的熱環境質量，但是如果進深太大則對于改善室內的光環境質量和空氣質量是不利的。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熱環境外，還能夠有效地緩解不均勻輻射對人生理產生的影響。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結構只占總維護結構面積的八分之一至十分之一，但室內溫度和空氣通過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》中提出了窯頂防水的新方法。為了達到減滲和防滲的母材，可以采用“雙層結構土”來改變水的入滲過程來減少雨水的入滲量?！半p層結構”就是指在同一土層內，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。經過理論的計算和實踐經驗，其結論為：在土層表面下50cm處設置一層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，無疑解決了窯洞民潮濕在濕源方面的問題，同時砂層以上土壤的含水率增大了，并能保持一個相當穩定的時期，這無疑為窯頂農作物的種植提供了有利的條件。

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作者簡介：

師麗（1983-），陜西榆林人，供職于榆林學院，講師，碩士學位，土木工程專業老師。