豫西地区生土窑洞的夏季热响应特性及热工性能优化研究

王舒宁+朱佳音

摘 要：在我国豫西的很多地区，有很多窑洞存在并被使用着。窑洞具有因地制宜，冬暖夏凉等特点，这些特点与当代要求的绿色建筑的整体发展趋势一致，因此它具有很高的保护性及研究价值。但是，随着社会的进步，窑洞的缺点逐渐显露出来，砖混建筑渐渐取代了生土建筑。本文的研究对象为豫西地区巩义市的窑洞建筑，通过夏季现场实测的研究方法，定量地得到了豫西地区靠崖式窑洞的夏季室内外热湿环境等热响应特性；同时提出了窑洞夏季防潮去湿的方法及冬季取暖的节能方式，为生土民居的再生设计提供了理论基础。

关键词：豫西地区；窑洞；现场实测；被动式优化设计

1 引言

随着科技的进步和中外文化的交流，中华民族的风俗文化渐渐地被遗忘，被取代。二十一世纪一栋栋高楼大厦逐渐取代了中华民族流传至今的古建筑。生土建筑因为渐渐不能满足人类对生活和生产的需要被遗弃，在豫西的很多地区，随处可见一个个被荒废的窑洞。然而，窑洞不仅仅是因为其独特的历史文化而被保护，更是因为它因地制宜，冬暖夏凉，绿色环保，节约能源，成本较低等优点。对于发展中的中国来说，能源使用量过多，尤其是建筑在能源使用中占到很大的比例，所以绿色建筑刻不容缓。研究并发展窑洞建筑有利于节约能源、保护环境、维持生态平衡。但是现有的窑洞不能给人类提供适宜的生活和生产环境，传统窑洞室内具有采光不足；内部通风不良；夏季室内湿度偏大等缺点，因此要对窑洞进行优化设计。目前为止有许多人研究生土建筑，研究的方面各不相同，研究建筑窑洞的材料、研究窑洞的结构等等，本文通过文献调查法、实地考察法等方法对窑洞进行改造，具体针对窑洞进行防潮去湿以及冬天绿色节能的取暖进行了研究，使窑洞能够满足人们的需要。

2 巩义地区靠崖式窑洞的夏季实测数据分析

本文研究的是巩义地区典型的靠崖式窑洞，一个院子里有四个窑洞，每个窑洞的体积大概为70。通过对民居所在地区的室外气象参数，民居室内温湿度、壁面温度等代表性数据的监测，定量地研究窑洞对室内环境的调控功能，分析在极端气候条件下传统民居室内热环境状态随室外气候变化下的动态热响应特性。窑洞的平面图及测点布置图如图2.1所示。如图2.2所示，天气由晴转多云再到雨，室内最高温度由25.9℃到25.4℃到24.0℃，逐渐降低。室外温度降低，室内外温差减小，室内外热对流减弱，太阳辐射也降低，导致同时刻多云、雨天室内温度比晴天温度低。天气越晴朗室内温度越高，阴雨天气室内温度稍有降低，但差值不到1℃，所以不同天气对窑洞室内温度影响不大，窑洞保温隔热性能良好。

如图2.3所示，天气由晴变多云再到雨，室内湿度的最高值由64.6（g/kg） 至65.1（g/kg）再到81.8（g/kg）。可见，天气由晴朗变为阴雨天，室内湿度增加。一方面，这是由于天气由晴朗变为阴雨天气，室外空气水蒸气含量增加；另一方面，室外温度降低导致室内温度稍有降低，饱和水蒸汽分压力降低，含湿量和饱和水蒸气分压力成反比，和水蒸气含量成正比，故室内含湿量增加。这三天里，室内湿度变化幅度高达34.8（g/kg）。可见，不同天气对窑洞湿度影响大，天气越晴朗，室内相对湿度越低，雨天室内湿度增加，所以在对窑洞进行除湿时应考虑天气对室内湿度的影响，尽量满足阴雨天湿度也在人的舒适范围内。

3 生土建筑的热特性优化设计

3.1 夏季窑洞防潮除湿的优化设计

3.1.1除湿干燥剂的使用和经济性分析

生石灰是一种良好的干燥剂，多雨回潮季节，可以将生石灰放入纸箱内，加盖后放于床下，若天气十分潮湿则可打开盖子，并适当关闭门窗。生石灰用量过少达不到预期的效果，用量过多则使窑洞内相对湿度过低，舒适度难以得到保证。另外，生石灰在吸收空气中的水分时，引起化学反应会放出热量，使窑洞内温度升高，同样不利于环境的舒适性，所以只有正确地把握生石灰的剂量，才能达到预期效果。

生石灰主要成分是CaO，一般含量85%～92%，吸湿后成为熟石灰。1公斤生石灰能吸收空气中大约250g到300g的水分，市面上大约每公斤3元。

如下对使用生石灰时的用量和经济性进行分析：

1）计算窑洞容积V=3×7.8×3=70 m?；

2）计算出夏季平均窑洞内温度为25℃，平均相对湿度是75%时，绝对湿度是27.5g/ m?；

3）求出当窑洞内相对湿度达到65%时绝对湿度是24.6g/ m?，则需除去的水蒸气质量m=（27.5-24.6） ×70=203g；

4）求出相对湿度达到65%时，需所用生石灰的重量：以其吸潮率为250g/kg计算

203g÷250g/kg=0.8kg。

分析可知，使用0.8公斤、2.4元生石灰就可以将该窑洞内的相对湿度从75%降到65%，且实际生活中容易购买得到，性价比也较高，可以考虑实施到窑洞中进行夏季的防潮去湿。

3.1.2空气层的使用和经济性分析

（1）在窑洞内表面使用空气层进行房间的防潮和保温

窑洞内部湿度大是由于夏季室外相对湿度较大，带入室内大量水分和窑洞内人散发出的水分增大窑洞内相对湿度，高温高湿的空气与低温的内壁接触便会使壁面潮湿，降低环境的舒适度。为了改善窑洞这一缺点，提出了在窑洞内表面设置空气层来降低室内相对湿度。

1）加了空气层后，由于其隔湿作用，将窑洞黄土内水分隔至窑洞室内外侧，加大了此处的空气湿度，并由此使得室内空气的相对湿度降低。

2）由于窑洞内设置了空气层，空气层内外两表面温度不同，窑洞内表面温度相对提高，起到保温的作。

（2）空气层的组成

空气层由砖240毫米，矿棉25毫米，铝箔隔汽层2微米，空氣层20毫米和12毫米的石膏面板组成（如图3.1所示）。

窑洞加入空气层后，热阻 ，传热系数

窑洞未加空气层时，热阻 ，传热系数为

即，加入空气层后明显导热性能降低，保温性好。

（3）空气层的经济性分析

建造空气层改变围护结构的构造，减少了成本，并且还节约材料。例如，如果采用一砖墙和2厘米的空气层，其热阻将大于一砖半墙，还降低了6厘米的墙厚，减少了砖的运输费和成本费，并使围护结构的厚度降低，从而增大房间的使用面积。

3.2 冬季窑洞被动式采暖的优化设计

太阳能作为一种绿色、可再生的能源，广泛应用于各个领域。考虑使用太阳能集热器进行窑洞冬季的室内取暖，这种方法节能环保，经济效益显著。经过市场调查及分析，列出表3.2比较不同种类的太阳能集热器的优缺点。

通过比较各种集热器的集热效率、可靠性、方便性和经济性，最终选用全玻璃真空管型太阳能集热器进行窑洞的冬季集热。

假设室内空气升高的温度恒定，则室内的集热量是恒定的，所以集热器产生的热量是已知的，由此可求得太阳能集热器所需的面积。M1、ΔT1分别表示室内空气质量流量和加热前后温差；M2、ΔT2分别表示经过集热器流入室内的空气质量流量和室内外空气温差，C表示空气的比热容，室内空气与经过集热器的空气比热容相等。

则，集热器产热量Q=CM1ΔT1=CM2ΔT2

假定ΔT1=3℃，ΔT2=30℃又M1=ρV=1.2*70=84kg/h

得：

集热器面积

因此，使用全玻璃真空管集热量比较大，集热效率高，相比于其它取暖方式要更加环保、高效。不管是从经济上还是环境上来说都是可取的。

4 结论

众多的创新技术并不是都适用于窑洞，不能随意地将节能技术生搬硬套在窑洞建筑上。改善窑洞的环境需要从窑洞本身的特点，经济，节能等方面考虑，这样才能更好地对窑洞进行再生设计。本文研究了降低窑洞湿度和冬季取暖的方法，通过夏天实测数据分析得出窑洞保温隔热性能良好；不同天气对窑洞湿度影响大，天气越晴朗，室内相对湿度越低，雨天室内湿度增加。针对窑洞湿度大，冬天室内寒冷的缺点提出了解决方法，分别为室内放置除湿干燥剂、设置空气层和使用太阳能集热器。窑洞建筑的优化设计从根本上改善窑洞被荒废的情况，节约能源，保护我国的古建筑，使中华民族的历史文化能够传承下去。

参考文献

[1]陈启高，陈永成，等.民居窑洞防潮新方法的研究[J].地下空间，1989（4）

[2] 孙峙峰，曲世琳. 太阳能空气集热器热性能測试方法研究[J].太阳能学报，2011（11）