靠山窑冬季室内热环境实测研究

近年来，由于全球气候变暖和热岛效应加剧，越来越多的研究致力 于改善室内外热环境。 其中很多被动式建筑技术的研究将目光放到传统乡土建筑上。 传统乡土建筑通常是千百年适应地域气候的技术结晶，应用地域材料达到对地域气候和地形的适应性。

在乡土建筑中，覆土建筑技术已十分成熟。通过充分利用地下热能和土壤的蓄热能力，作为天然节能建筑的黄土窑洞住宅可实现冬暖夏凉。这种建筑对环境适应性极强，可实现舒适的室内热环境，减少建筑能耗，体现了建筑与自然的和谐，是我国绿色建筑的典型案例。为达到建筑低碳节能的目的，有必要研究窑洞冬暖夏凉的机理。

国内已有的关于窑洞的研究大致可分为以下 4类。

（1）关于窑洞建筑文化的研究，主要研究包括窑洞建筑产生的原因、窑洞及其建筑技术的发展历程、窑洞与农耕文化发展等方面。

（2）关于窑洞保护与利用的研究，从编制保护规划、制定保护措施等方面为窑洞建筑的保护提出意见，研究窑洞建筑技术和非物质文化遗产的保护 策略。

（3）关于窑洞建筑结构技术的研究，对窑洞的结构特点、材料性能等进行研究，分析窑洞建筑传统营造技术的科学性和合理性。

（4）关于窑洞内部物理环境的研究，从生态建筑的角度研究窑洞建筑，分析其内部的热环境、光环境、风环境等物理特征，探索改善其居住环境和可持续发展的方案。

学者们虽从文化、结构、物理环境等方面对窑洞进行了研究，但仍需进一步深入地定量研究窑洞的热环境及其传热机理。本文通过实地测试定量研究窑洞冬季室内热环境，为学习窑洞的设计思路，提升现有绿色被动式建筑技术，降低建筑能耗提供数据 支撑。

1??研究方法

1.1??调查地点

测量地点位于陕西省西安市长安区贾里村 （图1），该村处于北纬34°04'，东经109°06'，属我国建筑热工分区中的寒冷地区，冬季天气寒冷干燥，夏季天气炎热。

根据建筑形态及构造特征，我国窑洞主要可分为独立式窑洞、下沉式窑洞和靠山式窑洞3种。本研究选择当地的靠山式窑洞，即窑洞前为平地或山坡，背靠山坡或土塬的边缘地带的窑洞。该窑洞测量期间无人活动且不采暖，南侧有门窗（图1）。

图1??测试窑洞外景

1.2??实地测试计划

课题组于2019年12月到2020年1月进行实地测量，测量于2019年12月27日11∶00开始，于2020年1月4日12∶00结束。

在室内空气、室内墙壁、室内地面、室外空气、室外墙壁、室外地面6个测点，各布置1台温湿度记录仪，每隔1?min记录室内空气、室内墙壁、室内地面、室外空气、室外墙壁、室外地面的温度及室内空气和室外空气的湿度。选择的测量仪器及其具体参数见 表1。

表1??测量仪器具体参数

获取数据后，选择天气晴朗的1月3日作为冬季的代表日，对该日24?h的测试数据进行分析。

2??分析结果与讨论

2.1??室内外温度比较

2.1.1??室内空气与室外空气

如图2所示，室外空气温度随时间变化剧烈，1月3日8∶10达到最低点–0.38℃，1月3日14∶57达到最高点10.97℃，最大温差达11.35℃。室内空气温度整体变化较平稳，在平均温度14.0℃附近小幅变化，1月3日8∶35达到最低点13.43℃，1月3日15∶02达到最高点15.12℃，最大温差1.69℃。

图2??室内室外空气温度比较

室内空气温度的整体变化趋势与室外空气温度相仿，但整体略滞后于室外空气温度，谷值比室外温度晚25?min到达，峰值比室外温度晚5?min到达，说明室外空气温度是影响室内空气温度的主要因素 之一。

室内空气温度整体高于室外空气且变化平稳，比室外空气温度振幅小得多，其温差也比室外空气的最大温差小9.66℃。说明窑洞可以有效保持室内温度，使室内温度始终处于较为平稳状态。

2.1.2??室内地面与室外地面

如图3所示，室外地面温度随时间变化剧烈，1月3日7∶35达到最低点1.0℃，14∶46达到最高点8.0℃，最大温差达7.0℃。室内地面温度随时间变化则较平稳，在平均温度4.01℃附近小幅变化，1月3日6∶21达到最低点13.43℃，14∶34达到最高点14.50℃，最大温差1.30℃。

图3??室内室外地面温度比较

室外地面温度发生变动时，室内地面温度虽也会发生一定变化，但整体略滞后于室外空气温度，说明室外地面温度会对室内地面温度造成一定影响。

室内地面温度整体高于室外地面且变化平稳，比室外地面温度的振幅小得多，比室外地面的最大温差小11.13℃。说明窑洞可有效保持室内地面温度，使室内温度始终处于较平稳的状态。室外地面温度虽会对室内地面温度造成一定影响，但影响极小。

2.1.3??室内墙壁与室外墙壁

如图4所示，室外墙壁温度随时间变化剧烈， 1月3日8∶00达到最低点2.90℃，14∶40达到最高点18.20℃，最大温差达15.30℃。室内墙壁温度变化稍平稳，1月3日8∶42达到最低点8.30℃，15∶19达到最高点15.90℃，最大温差为7.60℃。

图4??室内室外墙壁温度比较

室内墙壁温度比室外墙壁温度略高，且温度变化更平稳，比室外墙壁温度振幅小得多，比室外墙壁的最大温差小7.70℃。

从图4可看出，室内墙壁温度的整体变化趋势与室外墙壁温度相仿，但整体略滞后于室外墙壁温度，谷值比室外温度晚42?min到达，峰值比室外温度晚39?min到达。

结合这两点表明窑洞墙体可有效隔热，减少室内外热传导。

2.2??窑洞控制室内热环境的模式

2.2.1??控制室内温度的模式

表2为6个测点温度的平均值、极值、极差、均方差，从表中数据可定量判断室外温度对室内的 影响。

表2??温度测量结果统计  ℃

如表2所示，室外空气和室外地面平均温度最低，其中室外空气均方差较大，取决于当地的气候环境；室外地面的均方差较小，除了受到当地气候环境的影响外，还取决于当地土壤的热工性能和土地 温度。

随室外墙壁、室内墙壁、室内空气和地面越来越小，在数据上表现为平均温度逐级增高和极差及均方差逐级递减，到室内地面和室内空气其影响已经 很小。

室内墙壁的极差和均方差明显大于室内空气和地面，更接近室外3个测点的数据，说明靠山窑远离山体一侧的墙壁受外界温度影响最大。结合图4可看 出，由于该侧墙体良好的热工性能，室外温度的影响从外壁到达内壁时已被有效减弱，其极差、均方差均下降了近一半。

如图5所示，比起室内墙壁温度的趋势，室内空气温度更接近室内地面温度，两者的温度曲线几乎重合，平均温度相差不足0.5℃，且温度均相对平稳，均方差均在0.5℃左右，仅在平均温度14℃上下小幅波动，几乎不受室内墙壁的影响。

图5??室内室外墙壁温度比较

结合表2数据可看出，靠山窑有着良好的保温性能，而室内地面温度更多取决于当地山体的土壤温度，这与已有研究的结论相符。外界温度通过影响远离山体一侧的墙体来影响室内温度。且由于远离山体一侧的墙壁较厚，具有良好的热工性能，故能减少室外温度的影响。

2.2.2??控制室内湿度的模式

表3为室内和室外空气湿度的平均值、极值、极差、均方差的测量结果，通过表中数据可定量判断室外湿度对室内的影响。

如表3所示，室外空气湿度主要取决于当地的气候环境和测量日的天气，从测量结果看平均值比室内空气高17.73%，极差大33.39%，均方差大10.73%，各项数据均与室内空气相差较大。

表3??湿度测量结果统计 %

如图6所示，室外空气湿度随时间变化剧烈， 1月3日14∶49达到最低点39.59%，8∶46达到最高点76.96%，最大湿度差为37.36%。室内空气的相对湿度随时间变化较平稳，在平均湿度43.43%附近小幅变化，1月3日0∶07达到最低点41.41%，15∶37达到最高点45.39%，最大湿度差仅3.97%。

图6??室内室外相对湿度比较

室内相对湿度在大多数时间内低于室外，且与室外相对湿度相比变化很小甚至几乎不变，最大湿度差比室外空气小33.39%。

结合表3可见室外相对湿度对室内相对湿度的影响相当有限，说明窑洞能有效减少室内外水汽交换，使室内相对湿度保持在一个水平，外界环境影响室内相对湿度的幅度很小。

2.3??室内热环境评估及改善建议

由表2和表3可知，冬季该靠山窑室内空气平均温度为14.05℃，室内空气平均相对湿度为43.43%。根据GB/T 50824—2013《农村居住建筑节能设计标准》规定，寒冷地区冬季农村住宅的室内温度应不低于14℃，相对湿度应在30%~60%。

对比上述数据，可知该靠山窑室内热环境基本符合国家标准。

结合以上数据及窑洞建筑的特点，对改善其室内热环境提出建议如下。

（1）从上述分析可知，远离山体一侧墙壁的热工性能和山体土壤温度均为影响窑洞冬季室内温度的重要因素，因此可对内外壁面和地面铺设性能更好的保温隔热材料，以减少室外空气和周围土体对窑洞室内温度的影响。

（2）窑洞虽具有良好的保温性能，但冬季室内温度仍然偏低，对此可通过提高门窗气密性等方式进一步提高冬季室内热舒适度。

（3）由于窑洞仅一侧有窗，空气流动较差，不利于室内外空气交换，必要时可打开门窗，保持单面通风，利用室外空气脉动与室内外温差的热压进行室内外空气交换。

3??结论

通过对陕西省西安市长安区贾里村的靠山窑进行的实测，较定量研究了窑洞室内室外的热环境特点和控制室内温湿度的模式，并研究了窑洞设计思路和建筑技术，为被动式建筑的优化设计提供了数据支撑，以进一步降低建筑能耗。由此可得出研究结论 如下。

（1）靠山窑室内温度整体高于室外空气温度且变化平稳，虽变化趋势与室外温度相仿，但整体略滞后于室外空气温度，证明室外温度是影响室内温度的因素之一，但由于靠山窑有良好的保温性能，且其远离山体一侧的墙壁具有良好的热工性能，能有效减少室外温度的影响，使室内温度处于较为平稳的 状态。

（2）室内相对湿度大多数时间低于室外，且与室外湿度相比变化很小，说明窑洞能有效减少室内外的水汽交换，使室内相对湿度保持在一个水平上，外界环境对室内相对湿度的影响有限。

（3）靠山窑基本符合寒冷地区冬季农村住宅的国家标准，通过在墙壁、地面铺设保温材料，可增强门窗气密性，进一步提高窑洞冬季室内热舒适度。

（4）建造窑洞可就地取材，充分挖掘当地黄土的力学特征和热工性能。窑洞具有冬暖夏凉的优点，其设计思想可为当代被动式建筑设计提供参考。