豫西地區生土民居熱濕環境分析及節能改造研究

盧文靖+朱佳音

摘 要：以河南省鞏義地區的生土民居為研究對象，通過對其夏季典型日室內熱濕環境進行實測，定量地評價和分析了生土窯洞的室內外熱濕環境，揭示了窯洞的保溫隔熱性能方面的優點及其在采光通風等方面的缺點，在此基礎上，探討了被動式節能改造措施在豫西地區傳統民居的應用，從強化自然采光，加強除濕等方面提出被動式節能改造策略。

關鍵詞：窯洞；熱濕環境；節能改造；防潮除濕

0 引言

生土窯居廣泛存在于黃土高原平原地區，隨著城鎮增長進程的推進，豫西窯洞民居的生存和發展受到了極大的阻礙，獨有特色的黃土窯洞在河南西部的黃土高原及丘陵地區正逐漸消失，而窯洞民居中的文化內涵正在淡化。窯洞具有冬暖夏涼的特點，但由于傳統的生土民居都是廣大鄉村居民根據自行設計建造的，缺乏科學的理論指導，難免存在著室內采光不足、通風不暢等缺陷，而很多居民因此也將生土房歸為貧困落后的象征，近年來，隨著人民生活水平的不斷提高，人們對居住環境也有了更高的要求，傳統的窯洞已經難以適應現代生活的需要，很多居民開始拋棄這種傳統的居住方式。本文以河南省鞏義市傳統民居為代表，通過對其室內外環境實地監測，分析其環境特征，找出其存在的問題，通過理論對比分析，對其提出合理的改善建議，希望能夠對生土民居的環境改善起到引導和借鑒的作用。

1 傳統民居熱濕環境實測

1.1 測試概況

測試目的：通過實際測量，對比磚混建筑及生土窯居在冬夏兩季的熱濕環境差異，分析窯洞的優缺點，為之后的再生設計提供依據。

測試地點：測試地點位于河南省鞏義市，選擇同一地區不同年代的兩個建筑進行對比，即磚混建筑和生土窯居。

測試時間：2016年8月29日-9月23日

測試內容：包括室內外溫濕度，圍護結構壁面溫度及熱流，測試內容及儀器參見表1-1.

1.2 測點布置

1）磚混

磚混建筑共布置了10個測點。其中溫濕度測點共4個，雜物間、客廳、臥室2以及院內各1個；溫度測點共5個，分別布置在建筑的東、西、南、北內墻以及南外墻；熱流測點共一個，布置在北外墻。

2）窯洞

窯洞共布置了17個測點。其中溫濕度測點共7個，1號、2號、3號窯洞及院內各布置1個，3號窯洞沿進深方向布置3個，每點分別距門0.8m，4.2m，6.0m；溫度測點共7個，分別布置在3號窯洞的東、西、南、北內立面以及3號窯洞的南外立面、窯頂、地面；熱流測點共3個，分別布置在2號窯洞的北內立面、3號窯洞的北內立面和西內立面。

具體建筑對比圖及測點布置圖見圖1～3

2 測試結果分析

2.1 空氣溫度

分析圖1可知，當室外溫度波動幅度較大時，窯洞各個房間室內溫度波動幅度較為平緩，且波動幅度基本相同。從整體上看，窯洞對溫度的波動具有衰減作用，并且各房間室內溫度均維持在25℃左右，其圍護結構具有良好的保溫隔熱的性能。局部微小波動可能與人的活動有關，如下午1點左右，4號窯洞室內溫度有微小的下降，與人的生活起居等各方面習慣有關。一般情況下，3號窯洞（廚房）的室內溫度在中午12點左右會有所波動，但我們發現，圖中3號窯洞在這個時段溫度較為平緩，分析可知，3號窯洞的測點布置在距門5.5m，沿進深2/3左右的位置，由于當地人在做飯期間會習慣性的打開門窗進行通風，帶走多余的熱量，因此窯洞內部溫度波動較小。

2.2 壁面溫度

3號窯洞內外墻壁面溫度如圖所示，對比分析知，南外立面溫度最高，南內立面溫度次之，其他壁溫變化趨勢及大小相近，為最低。分析知，南外立面暴露在室外高溫空氣中，受太陽輻射的影響，白天表面最高值達到了40℃左右，但是南內立面壁面溫度依然只有25℃左右，而且南內立面壁面溫度峰值出現時間晚于南外立面約7h，這說明墻體具有較大的蓄熱能力；東內墻和西內墻的另一表面均與相鄰窯洞的室內空氣相接觸，不接受太陽輻射，窯頂、地面、北內立面與無限厚的土層相連，土層深處具有恒溫特性，所以這五者的壁面溫度較低。由此可見，生土良好的熱工性能是窯洞實現冬暖夏涼的主要原因。

2.3 相對濕度

分析圖觀察到，當室外濕度波動幅度較大時，在一天24h內，磚混和窯洞室內濕度均相對穩定，維持在60%～80%之間，這是由于圍護結構對室內具有一定的濕調節能力。

夏季該地區的室外相對濕度在37.5%～80%之間波動，平均為60.7%；磚混的空氣濕度在61.8%～70.1%之間波動，平均為68.2%，比室外高出7.5%，規范中規定室內達到舒適性的相對濕度應為30%～70%，該磚混民居的相對濕度滿足這一要求；窯洞的室內濕度在59.5%～74.4%之間波動，平均為70.7%，比磚混民居大2.5%，比規定的室內舒適相對濕度上限還要大0.7%.所測試的窯洞濕度較大主要是因為室內的通風效果差，綜合來看，我們在之后的再生設計中應著重考慮窯洞的防潮除濕方面。

3 被動式節能改造策略

針對前文的熱濕環境分析，發現生土民居雖然有著良好的保溫隔熱性能，但它同時存在著通風采光等方面的缺點。因此，我們提出了提下幾個對策。

3.1 建筑防潮除濕

生石灰是一種良好的干燥劑，多雨回潮季節，可將生石灰放人木箱或紙箱內，加蓋后放于床下或屋角，若天氣十分潮濕則可打開蓋子，并適當關閉門窗。由于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的化學反應會放出熱量，使窯洞溫度升高，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[1][2]。

Ca（OH）2生石灰主要成分是CaO，一般含量85%～92%，吸潮后成為熟石灰，主要成分是Ca（OH）21公斤生石灰能吸附空氣中大約250g到300g的水分，市面上3元每公斤左右。如下對使用生石灰的用量和經濟性進行分析：

1）計算窯洞大概容積V=3m×7.8m×3m=70 m?；

2）計算出夏季窯洞內平均溫度為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）求窯洞內相對濕度達到65%時，共需吸潮去濕所用生石灰的重量：

已知每公斤生石灰可吸水分250到300克，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60%，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。

3.2 采光

為改善采光效果，將窯洞窗口改為滿堂玻璃聯窗，為了保溫，選擇雙層窗或雙層中空玻璃窗。將窯洞門口室外墻體入口改造為斜型，增加太陽的有效照射面積。并可擴大窗墻比，將原窯洞中的窗戶擴大，改善室內采光不足的缺點。另外，由于在相同面積條件下，下窗沿越高進深深處的照度增加越多，將原窯洞中的下窗沿統一向下降100mm，提高反射光線在總照度中的比例[3]。

4 結論

通過對豫西地區生土民居進行熱濕環境分析，生土民居熱濕環境特點體現為：，當室外溫度波動幅度較大時，窯洞各個房間室內溫度波動幅度較為平緩，且波動幅度基本相同。從整體上看，窯洞對溫度的波動具有衰減作用，并且各房間室內溫度均維持在25℃左右，其圍護結構具有良好的保溫隔熱的性能。而夏季室內濕度一直保持在較高的狀態，其平均濕度可大70.7%，高于規定的室內舒適相對濕度上限。所以夏季控制室內相對濕度是節能改造的關鍵。體現為利用除濕干燥劑，加強室內通風等。

通過對豫西地區熱濕環境進行實測與分析，為當地民居氣候適應性節能改造提供了理論依據。本文對于生土民居所存在的通風采光，除濕防潮等方面存在的問題，有針對性的合理的提出了設置利用除濕干燥劑，墻體結構優化等方面提出了適應性的被動式節能設計策略。

參考文獻

[1]謝浩，楊楚屏.優化防潮設計改善建筑環境[J].哈爾濱工業大學學報.2003，35（10）：1264-1266

[2]陳啟高，陳永成，溫永玲，馮雅.民居窯洞防潮新方法的研究[J].地下空間與工程學報.1989，9（4）：66-70

[3]張獻梅，郭兆儒，王曉艷.豫西地坑院建筑及再生技術研究[J].工業建筑，2014，44（8）：61-64

作者簡介

盧文靖，鄭州大學土木工程學院，建筑環境與能源應用專業。

指導教師

朱佳音，女，博士，鄭州大學土木工程學院講師。