嚴(yán)寒地區(qū)農(nóng)村土坯房室內(nèi)熱環(huán)境研究

文／甄 蒙 西安交通大學(xué)人居學(xué)院（通訊作者）

梁博武 西安交通大學(xué)人居學(xué)院

鄒奇書 西安交通大學(xué)人居學(xué)院

引言

我國幅員遼闊，橫跨多個氣候帶，全國各地氣候條件差異較大，因此千百年來各地形成了各具特色的傳統(tǒng)民居。如北方地區(qū)的土坯房就是適宜當(dāng)?shù)貧夂虻牡湫蛡鹘y(tǒng)民居。土坯房由于其優(yōu)異的熱工性能，在北方地區(qū)的農(nóng)村曾經(jīng)廣泛分布，目前農(nóng)村地區(qū)仍有很多的人居住在土坯房中。土坯房的熱舒適性也受到了較為廣泛的關(guān)注，改良土坯房的熱舒適性對改善農(nóng)村人口居住環(huán)境具有十分重要的現(xiàn)實意義。考慮到土坯房具有易于就地取材、便于施工、冬暖夏涼的優(yōu)良性能，符合可持續(xù)發(fā)展的理念，因此研究其各項特性，特別是其熱工性能對綠色建筑的發(fā)展具有一定的參考作用。

在土坯房熱環(huán)境研究方面，高翔翔等通過現(xiàn)場實測，對傳統(tǒng)圍護結(jié)構(gòu)保溫做法下火炕對室內(nèi)熱環(huán)境的影響進行了定量評價，指出了火炕在冬季采暖中的重要性[1]。胡冗冗等通過實測結(jié)合模擬的方法分別對生土及磚混民居的室內(nèi)溫濕度進行對比分析，并深入分析了生土建筑的熱工性能優(yōu)缺點，并提出了改進措施[2]。同時，關(guān)于傳統(tǒng)民居的室內(nèi)熱舒適的研究近年來也逐漸受到關(guān)注。Jing Zhang 等人提出了一種對于土坯房改進的評價方法，對甘肅某土坯住宅進行實測及評價，結(jié)合經(jīng)濟性及熱舒適性，得出稻殼隔熱屋頂具有較好的性能[3]。Yan Xiong 等人對我國夏熱冬冷地區(qū)的城市住宅和農(nóng)村傳統(tǒng)住宅的熱舒適性進行了問卷調(diào)查，結(jié)果表明農(nóng)村居民對于寒冷條件的耐受性更強[4]。

本文對河北省張家口市方家梁村一棟土坯房進行了現(xiàn)場實測。通過實地測試，描述土坯房全天的室內(nèi)、室外的溫濕度變化，針對土坯房的熱舒適性進行分析，從而提出改善土坯房熱環(huán)境的優(yōu)化設(shè)計策略。

1 研究方法

本文通過現(xiàn)場實測結(jié)合數(shù)據(jù)分析的研究方法，對土坯房的內(nèi)部熱環(huán)境及熱機制進行量化研究。

1.1 測量地區(qū)及時間

本文所選實測地點為河北省張家口市赤城縣方家梁村（40.92°N，115.8°E），河北省張家口市屬于溫帶大陸性季風(fēng)氣候，氣候特點為一年四季分明，冬季寒冷漫長。實測時間為2020 年1 月9 日至2020 年1 月12 日，為期三天，此次實測地點位于張家口市的赤城縣方家梁村，測量對象為一獨棟土坯房，實測對象如圖1 所示。

1.2 測量設(shè)備

具體內(nèi)容見（表1）。

表1 實測用溫濕度記錄儀基本參數(shù)（表格來源：作者自繪）

1.3 實測對象

實測對象為一單層的土坯房（圖1）。圍護結(jié)構(gòu)為粘土制成的土坯，上部圍護結(jié)構(gòu)為普通青瓦，背靠土坡，獨立結(jié)構(gòu)，坐北朝南。東西方向為三間，自西向東分別為臥室1、客廳、臥室2，寬度分別為2.3m、2.25m、2.3m。房屋為拱形結(jié)構(gòu)，前檐口距地面高2.55m，頂部高3.47m，后部檐口距地面高1.7m，南北存在高差。房屋內(nèi)分為三間，墻體厚度為0.66m。臥室1 內(nèi)部有高度為0.7m 長1.7m 寬2.3m 的火炕，房間靠南有一寬1.3m 的窗戶，臥室門為寬度0.6m 的木質(zhì)門，房間背面墻體無門窗，正門為南面正中間的寬度1.0m 高度2.35m 的木質(zhì)門。此次實測選取無人居住的臥室1 為測試對象。

圖1 實測土坯房（圖片來源：作者自攝）

1.4 測點布置

實測內(nèi)容為室內(nèi)外溫度及濕度，數(shù)據(jù)記錄為每分鐘一次?？紤]到此次實測目的是探究土坯房內(nèi)部溫濕度變化情況，同時探究土坯墻作為圍護結(jié)構(gòu)的熱工性能，此次實測一共布置了8 個測點，其中4 個測點位于室內(nèi)，4 個測點位于室外，具體布置如圖2 所示。

圖2 實測測點布置圖（圖片來源：作者自繪）

2 現(xiàn)場實測及分析

2.1 室內(nèi)外溫度對比

本次測試中測點1、2 分別測試的是室內(nèi)外溫濕度，從1 月9 日開始為期三天。本文選取從1 月10 日0 點開始到1 月12 日0 點結(jié)束的數(shù)據(jù)進行對比分析，并更加直觀地對室內(nèi)外溫度進行了逐時對比（圖3）。

由圖3 可知，在絕大多數(shù)時間內(nèi)，室內(nèi)溫度均高于室外溫度。再對室內(nèi)外平均溫度進行對比：1 月10 日室內(nèi)平均溫度為-6.04℃，室外平均溫度為-10.4℃；1 月11 日室內(nèi)平均溫度為-6.95℃，室外平均溫度為-12.61℃——兩天室內(nèi)外平均溫度差值均大于4℃。由此可知，由于土坯墻及屋頂?shù)谋馗魺?，室?nèi)溫度能夠保持一個相對高于室外的水平。

圖3 室內(nèi)外溫度對比（圖片來源：作者自繪）

2.2 室內(nèi)外墻體溫度對比

為了測試土坯墻在嚴(yán)寒地區(qū)冬季的熱表現(xiàn)，分別對測試對象的三面外墻的室內(nèi)外溫度進行了測試，對相鄰測點處內(nèi)外測點進行兩兩對比分析。

如圖2 所示，西墻室內(nèi)外溫度測點分別為測點3、4，北側(cè)墻體室內(nèi)外溫度測點分別為測點7、8，南側(cè)墻體室內(nèi)外溫度測點分別為測點5、6。測點測試的是墻體內(nèi)外側(cè)的表面溫度，測點緊貼墻體表面。分別對所得數(shù)據(jù)進行處理，選 取 從1 月10 日0 點 到1 月11 日24 點 兩 天的數(shù)據(jù)進行對比分析，結(jié)果如圖4、圖5 所示。

由圖4 可知，墻體外側(cè)表面溫度僅在中午時由于太陽輻射的影響短時間高于墻體內(nèi)側(cè)溫度，總體上墻體內(nèi)側(cè)溫度均高于墻體外側(cè)溫度，再對墻體內(nèi)外側(cè)表面平均溫度進行分析：10 日墻體內(nèi)側(cè)平均溫度為-6.58℃，墻體外側(cè)平均溫度為-10.66℃；11 日室內(nèi)平均溫度為-7.29℃，室外平均溫度為-11.4℃——10 日墻體內(nèi)側(cè)溫度高于外側(cè)4.08℃，11 日墻體內(nèi)側(cè)溫度高于外側(cè)4.11℃，體現(xiàn)了土坯墻具有一定的保溫隔熱性能。

圖4 西側(cè)墻體內(nèi)外側(cè)溫度對比（圖片來源：作者自繪）

如圖5 所示，南側(cè)墻體外側(cè)溫度整體上高于內(nèi)側(cè)溫度，且在溫度變化趨勢及溫度變化的范圍內(nèi)出現(xiàn)了較為一致的情況。測試期間，墻體內(nèi)側(cè)最高溫度出現(xiàn)在1 月10 日11 ∶45 左右，最高溫度為-3.5℃；最低溫度出現(xiàn)在11日3 ∶30 左右，最低溫度為-8.1℃；溫度變化范圍為4.6℃。測試期間，墻體外側(cè)最高溫度出現(xiàn)在10 日15 ∶30 左右，最高溫度為-1.5℃；最低溫度出現(xiàn)在11 日8 ∶10 左右，最低溫度-6.8℃；溫度變化范圍為5.3℃。從平均溫度來看，測試期間內(nèi)側(cè)墻體平均溫度為-6.1℃，外側(cè)墻體平均溫度為-5.05℃，與圖表所呈現(xiàn)的相一致。為了初步探究造成這種差異的原因，再次對三面墻體的外側(cè)溫度、內(nèi)側(cè)溫度進行對比（圖6）。

圖5 南側(cè)墻體內(nèi)外側(cè)溫度對比（圖片來源：作者自繪）

由圖6 可以看出，南側(cè)墻體除11 日中午短時間內(nèi)外側(cè)溫度低于西側(cè)墻體0.3℃以外，其余時間均高于其他兩面墻體。這與三面墻體所受到太陽直射時間長短有關(guān)：南側(cè)作為向陽面，受太陽直射時間最長；西側(cè)墻體在下午可以受到部分太陽直射；北側(cè)墻體則無法通過太陽直射得熱。南側(cè)外墻太陽直射時間多于其他墻體，墻體蓄熱多于其他墻體，使得南側(cè)墻體外側(cè)溫度較高。

圖6 三面墻體外側(cè)溫度對比（圖片來源：作者自繪）

綜上，造成南側(cè)墻體外側(cè)溫度高于內(nèi)側(cè)溫度且變化范圍基本一致的原因可以初步確定為：

（1）南側(cè)墻體受太陽直射時間最長，外側(cè)溫度明顯高于其他兩面墻體。

（2）南側(cè)墻體有窗戶，使得墻體內(nèi)側(cè)溫度受到外側(cè)溫度變化的影響變大。

3 室內(nèi)熱舒適評價

在實地測量中，我們對實測土坯房內(nèi)的溫濕度進行了記錄，為了能更具體地描述土坯房內(nèi)的熱環(huán)境，結(jié)合熱舒適評價指標(biāo)對該土坯房內(nèi)的熱舒適進行分析。

3.1 熱舒適評價指標(biāo)

目前已有的熱舒適評價指標(biāo)主要有有效溫度（ET）、標(biāo)準(zhǔn)有效溫度（SET）、預(yù)測平均投票值和不滿意度（PMV/PPD）等[5]。由于PMV 在室內(nèi)熱舒適研究中使用廣泛，本次熱舒適評價將采用PMV 指數(shù)對實測土坯房內(nèi)的熱舒適進行評估。

預(yù)測平均投票值（PMV）是應(yīng)用統(tǒng)計學(xué)將干球溫度、風(fēng)速、濕度、平均輻射溫度以及人體的新陳代謝、服裝熱阻等六個變量結(jié)合起來，而建立的熱舒適評價指標(biāo)[6]。根據(jù)《室內(nèi)人體熱舒適環(huán)境要求與評價方法》（GB/T33658-2017）[7]PMV 值的范圍在-3 ～3 之間。分別表示七種熱感覺（表2）。

表2 PMV 評價指標(biāo)（表格來源：作者自繪）

3.2 熱舒適評價與分析

3.2.1 參數(shù)確定

在計算PMV 值時需要的參數(shù)可以通過查閱相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)確定，本次測試環(huán)境確定且測試房屋內(nèi)居住的老人即為熱舒適評價的對象，再結(jié)合《室內(nèi)人體熱舒適環(huán)境要求與評價方法》（GB/T33658-2017）[7]確定相關(guān)參數(shù)。

由于測試時間為冬季且結(jié)合當(dāng)?shù)貧夂?，服裝熱阻為2.55m2·℃/W；實測房屋內(nèi)居民為一老人（92 歲），人體代謝率為58W/m2；室內(nèi)風(fēng)速約為0.1m/s。

3.2.2 熱舒適評價

根據(jù)PMV 計算公式，將確定的參數(shù)帶入，并運用Matlab 進行相關(guān)函數(shù)的編寫，確定實測溫、濕度為變量，輸入相關(guān)函數(shù)，得到不同時間段內(nèi)室內(nèi)PMV 值（圖7）。

圖7 室內(nèi)PMV 值（圖片來源：作者自繪）

結(jié)合表2 及圖7 可以看出，在實測過程中，該實測房屋內(nèi)PMV 值在-3 ～-2.6 之間變化，即預(yù)測熱感覺介于涼和冷之間（-2.6 ～-3），且在大部分時間內(nèi)趨近于冷，表明該房屋室內(nèi)熱環(huán)境需要改善。

結(jié)語

本文通過對河北省張家口市方家梁村某土坯房進行冬季室內(nèi)熱環(huán)境及土坯墻體內(nèi)外側(cè)的溫度實測，進而借助PMV 公式得到土坯房內(nèi)的熱舒適情況，以此反映嚴(yán)寒地區(qū)冬季該土坯房內(nèi)的熱環(huán)境情況，得到的結(jié)論如下：

（1）從室內(nèi)外溫度對比可以看出，室內(nèi)溫度總體上高于室外溫度，室內(nèi)平均溫度高于室外平均溫度4℃以上；室內(nèi)外溫度變化趨勢較為一致，但室內(nèi)最大溫差遠(yuǎn)小于室外最大溫差，不足室外最大溫差的20%。由此可見，土坯房具有一定的保溫隔熱性能，在沒有室內(nèi)熱源的情況下，保證了室內(nèi)溫度高于室外溫度。

（2）通過對土坯墻內(nèi)外側(cè)溫度變化情況的對比，墻體內(nèi)側(cè)溫度總體上高于外側(cè)溫度，墻體內(nèi)側(cè)平均溫度高于墻體外側(cè)約4℃；墻體內(nèi)外側(cè)溫度變化趨勢基本一致，但墻體內(nèi)側(cè)溫度變化范圍小于外測溫度變化范圍，約為外側(cè)溫度變化范圍的10%。由此可見，土坯墻對室外溫度變化具有一定的消減作用，保證了墻體內(nèi)側(cè)及室內(nèi)溫度的穩(wěn)定。

（3）將實測溫濕度與PMV 公式相結(jié)合，得到實測土坯房內(nèi)部的熱舒適情況，該實測房屋內(nèi)PMV 值在-2.6 ～-3 之間，即預(yù)測熱感覺為冷。表明該房屋內(nèi)的熱環(huán)境需要改善。因此，本文通過實測，對嚴(yán)寒地區(qū)土坯房內(nèi)居住者的熱舒適進行研究，為提高農(nóng)村土坯房的熱舒適水平提供了數(shù)據(jù)支撐。