豫西地區生土窯洞的夏季熱響應特性及熱工性能優化研究

王舒寧+朱佳音

摘 要：在我國豫西的很多地區，有很多窯洞存在并被使用著。窯洞具有因地制宜，冬暖夏涼等特點，這些特點與當代要求的綠色建筑的整體發展趨勢一致，因此它具有很高的保護性及研究價值。但是，隨著社會的進步，窯洞的缺點逐漸顯露出來，磚混建筑漸漸取代了生土建筑。本文的研究對象為豫西地區鞏義市的窯洞建筑，通過夏季現場實測的研究方法，定量地得到了豫西地區靠崖式窯洞的夏季室內外熱濕環境等熱響應特性；同時提出了窯洞夏季防潮去濕的方法及冬季取暖的節能方式，為生土民居的再生設計提供了理論基礎。

關鍵詞：豫西地區；窯洞；現場實測；被動式優化設計

1 引言

隨著科技的進步和中外文化的交流，中華民族的風俗文化漸漸地被遺忘，被取代。二十一世紀一棟棟高樓大廈逐漸取代了中華民族流傳至今的古建筑。生土建筑因為漸漸不能滿足人類對生活和生產的需要被遺棄，在豫西的很多地區，隨處可見一個個被荒廢的窯洞。然而，窯洞不僅僅是因為其獨特的歷史文化而被保護，更是因為它因地制宜，冬暖夏涼，綠色環保，節約能源，成本較低等優點。對于發展中的中國來說，能源使用量過多，尤其是建筑在能源使用中占到很大的比例，所以綠色建筑刻不容緩。研究并發展窯洞建筑有利于節約能源、保護環境、維持生態平衡。但是現有的窯洞不能給人類提供適宜的生活和生產環境，傳統窯洞室內具有采光不足；內部通風不良；夏季室內濕度偏大等缺點，因此要對窯洞進行優化設計。目前為止有許多人研究生土建筑，研究的方面各不相同，研究建筑窯洞的材料、研究窯洞的結構等等，本文通過文獻調查法、實地考察法等方法對窯洞進行改造，具體針對窯洞進行防潮去濕以及冬天綠色節能的取暖進行了研究，使窯洞能夠滿足人們的需要。

2 鞏義地區靠崖式窯洞的夏季實測數據分析

本文研究的是鞏義地區典型的靠崖式窯洞，一個院子里有四個窯洞，每個窯洞的體積大概為70。通過對民居所在地區的室外氣象參數，民居室內溫濕度、壁面溫度等代表性數據的監測，定量地研究窯洞對室內環境的調控功能，分析在極端氣候條件下傳統民居室內熱環境狀態隨室外氣候變化下的動態熱響應特性。窯洞的平面圖及測點布置圖如圖2.1所示。如圖2.2所示，天氣由晴轉多云再到雨，室內最高溫度由25.9℃到25.4℃到24.0℃，逐漸降低。室外溫度降低，室內外溫差減小，室內外熱對流減弱，太陽輻射也降低，導致同時刻多云、雨天室內溫度比晴天溫度低。天氣越晴朗室內溫度越高，陰雨天氣室內溫度稍有降低，但差值不到1℃，所以不同天氣對窯洞室內溫度影響不大，窯洞保溫隔熱性能良好。

如圖2.3所示，天氣由晴變多云再到雨，室內濕度的最高值由64.6（g/kg） 至65.1（g/kg）再到81.8（g/kg）?？梢姡鞖庥汕缋首優殛幱晏?，室內濕度增加。一方面，這是由于天氣由晴朗變為陰雨天氣，室外空氣水蒸氣含量增加；另一方面，室外溫度降低導致室內溫度稍有降低，飽和水蒸汽分壓力降低，含濕量和飽和水蒸氣分壓力成反比，和水蒸氣含量成正比，故室內含濕量增加。這三天里，室內濕度變化幅度高達34.8（g/kg）?？梢?，不同天氣對窯洞濕度影響大，天氣越晴朗，室內相對濕度越低，雨天室內濕度增加，所以在對窯洞進行除濕時應考慮天氣對室內濕度的影響，盡量滿足陰雨天濕度也在人的舒適范圍內。

3 生土建筑的熱特性優化設計

3.1 夏季窯洞防潮除濕的優化設計

3.1.1除濕干燥劑的使用和經濟性分析

生石灰是一種良好的干燥劑，多雨回潮季節，可以將生石灰放入紙箱內，加蓋后放于床下，若天氣十分潮濕則可打開蓋子，并適當關閉門窗。生石灰用量過少達不到預期的效果，用量過多則使窯洞內相對濕度過低，舒適度難以得到保證。另外，生石灰在吸收空氣中的水分時，引起化學反應會放出熱量，使窯洞內溫度升高，同樣不利于環境的舒適性，所以只有正確地把握生石灰的劑量，才能達到預期效果。

生石灰主要成分是CaO，一般含量85%～92%，吸濕后成為熟石灰。1公斤生石灰能吸收空氣中大約250g到300g的水分，市面上大約每公斤3元。

如下對使用生石灰時的用量和經濟性進行分析：

1）計算窯洞容積V=3×7.8×3=70 m?；

2）計算出夏季平均窯洞內溫度為25℃，平均相對濕度是75%時，絕對濕度是27.5g/ m?；

3）求出當窯洞內相對濕度達到65%時絕對濕度是24.6g/ m?，則需除去的水蒸氣質量m=（27.5-24.6） ×70=203g；

4）求出相對濕度達到65%時，需所用生石灰的重量：以其吸潮率為250g/kg計算

203g÷250g/kg=0.8kg。

分析可知，使用0.8公斤、2.4元生石灰就可以將該窯洞內的相對濕度從75%降到65%，且實際生活中容易購買得到，性價比也較高，可以考慮實施到窯洞中進行夏季的防潮去濕。

3.1.2空氣層的使用和經濟性分析

（1）在窯洞內表面使用空氣層進行房間的防潮和保溫

窯洞內部濕度大是由于夏季室外相對濕度較大，帶入室內大量水分和窯洞內人散發出的水分增大窯洞內相對濕度，高溫高濕的空氣與低溫的內壁接觸便會使壁面潮濕，降低環境的舒適度。為了改善窯洞這一缺點，提出了在窯洞內表面設置空氣層來降低室內相對濕度。

1）加了空氣層后，由于其隔濕作用，將窯洞黃土內水分隔至窯洞室內外側，加大了此處的空氣濕度，并由此使得室內空氣的相對濕度降低。

2）由于窯洞內設置了空氣層，空氣層內外兩表面溫度不同，窯洞內表面溫度相對提高，起到保溫的作。

（2）空氣層的組成

空氣層由磚240毫米，礦棉25毫米，鋁箔隔汽層2微米，空氣層20毫米和12毫米的石膏面板組成（如圖3.1所示）。

窯洞加入空氣層后，熱阻 ，傳熱系數

窯洞未加空氣層時，熱阻 ，傳熱系數為

即，加入空氣層后明顯導熱性能降低，保溫性好。

（3）空氣層的經濟性分析

建造空氣層改變圍護結構的構造，減少了成本，并且還節約材料。例如，如果采用一磚墻和2厘米的空氣層，其熱阻將大于一磚半墻，還降低了6厘米的墻厚，減少了磚的運輸費和成本費，并使圍護結構的厚度降低，從而增大房間的使用面積。

3.2 冬季窯洞被動式采暖的優化設計

太陽能作為一種綠色、可再生的能源，廣泛應用于各個領域。考慮使用太陽能集熱器進行窯洞冬季的室內取暖，這種方法節能環保，經濟效益顯著。經過市場調查及分析，列出表3.2比較不同種類的太陽能集熱器的優缺點。

通過比較各種集熱器的集熱效率、可靠性、方便性和經濟性，最終選用全玻璃真空管型太陽能集熱器進行窯洞的冬季集熱。

假設室內空氣升高的溫度恒定，則室內的集熱量是恒定的，所以集熱器產生的熱量是已知的，由此可求得太陽能集熱器所需的面積。M1、ΔT1分別表示室內空氣質量流量和加熱前后溫差；M2、ΔT2分別表示經過集熱器流入室內的空氣質量流量和室內外空氣溫差，C表示空氣的比熱容，室內空氣與經過集熱器的空氣比熱容相等。

則，集熱器產熱量Q=CM1ΔT1=CM2ΔT2

假定ΔT1=3℃，ΔT2=30℃又M1=ρV=1.2*70=84kg/h

得：

集熱器面積

因此，使用全玻璃真空管集熱量比較大，集熱效率高，相比于其它取暖方式要更加環保、高效。不管是從經濟上還是環境上來說都是可取的。

4 結論

眾多的創新技術并不是都適用于窯洞，不能隨意地將節能技術生搬硬套在窯洞建筑上。改善窯洞的環境需要從窯洞本身的特點，經濟，節能等方面考慮，這樣才能更好地對窯洞進行再生設計。本文研究了降低窯洞濕度和冬季取暖的方法，通過夏天實測數據分析得出窯洞保溫隔熱性能良好；不同天氣對窯洞濕度影響大，天氣越晴朗，室內相對濕度越低，雨天室內濕度增加。針對窯洞濕度大，冬天室內寒冷的缺點提出了解決方法，分別為室內放置除濕干燥劑、設置空氣層和使用太陽能集熱器。窯洞建筑的優化設計從根本上改善窯洞被荒廢的情況，節約能源，保護我國的古建筑，使中華民族的歷史文化能夠傳承下去。

參考文獻

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[2] 孫峙峰，曲世琳. 太陽能空氣集熱器熱性能測試方法研究[J].太陽能學報，2011（11）