豫西地區(qū)靠崖窯洞圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工特性分析

周春輝　史小航　朱佳音

摘 要：厚重的圍護(hù)結(jié)構(gòu)是保證窯洞“冬暖夏涼”特性的主要原因。為定量化窯洞圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工特性，選取豫西地區(qū)鞏義市某靠崖式窯洞，對(duì)其圍護(hù)結(jié)構(gòu)尺寸和構(gòu)造進(jìn)行測(cè)量和分析，并對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱工特性進(jìn)行計(jì)算。同時(shí)，選取當(dāng)?shù)卮u混建筑進(jìn)行對(duì)比分析。定量分析結(jié)果突出了窯洞圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工特性的優(yōu)越性。

關(guān)鍵詞：靠崖窯；實(shí)測(cè)研究；圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工特性；定量分析

窯洞是中國(guó)古代勞動(dòng)人民為謀求生存，抵御惡劣的自然環(huán)境而因地制宜發(fā)展而來(lái)的居住之所。窯洞有多種形式，比如有：靠崖式，下沉式和獨(dú)立式。無(wú)論哪種類型的窯洞其均具有“冬暖夏涼”的功能。與現(xiàn)代的磚混建筑相比，其最突出的特點(diǎn)便是節(jié)能。究其原因，是窯洞的圍護(hù)結(jié)構(gòu)具有很好的熱工特性。窯洞的圍護(hù)結(jié)構(gòu)絕大部分是有黃土組成。黃土作為一種重質(zhì)材料，具有優(yōu)越的蓄熱，隔熱的性能。這是現(xiàn)代建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)不能望其項(xiàng)背的。

為對(duì)窯洞圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱工特性做出定量的分析，以鞏義市寺灣村某靠崖窯為研究對(duì)象，通過(guò)實(shí)測(cè)研究，分析其圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱工特性。同時(shí)，為突出窯洞圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工特性的優(yōu)越性及保證研究方法的嚴(yán)密性，選取鞏義市焦灣村某磚混建筑進(jìn)行對(duì)比。

1 測(cè)試對(duì)象概述

1.1 窯洞基本信息介紹

研究對(duì)象為鞏義市寺灣村一日常居住用的靠崖式窯洞，其立面圖及平面圖如圖1所示。建筑依崖分別建造4孔窯洞，建筑面積約120m2。其窯洞的上層崖高約12m，窯臉寬3m，窯與窯之間的窯腿為1m，窯的進(jìn)深為8m，窯高3.5m。窯臉均朝南，窯臉上分別設(shè)有一扇木門和兩扇木質(zhì)的單層玻璃窗。門左側(cè)的雙開(kāi)窗寬0.8m，高1m。天窗寬0.8m，高0.5m。整個(gè)窯臉的窗墻比為0.13。

為對(duì)鞏義市寺灣村某靠崖式窯洞圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工特性進(jìn)行研究，選取具有代表性的客廳，并對(duì)其六面圍護(hù)結(jié)構(gòu)的構(gòu)造進(jìn)行分析。

1.2 磚混建筑基本信息介紹

該建筑坐北朝南，東西長(zhǎng)13.7m，南北寬10m，高3.8m，建筑面積約137m2。

客廳東西方向長(zhǎng)6.7m，南北方向?qū)?.5m，面積約23.5m2?？蛷d南墻上有一扇單層鋁合金玻璃窗，該窗總寬為3m，高為2.6m。另有一扇雙開(kāi)平開(kāi)門，門總寬為2.6m，高2.9m，門上高窗為普通的平開(kāi)窗，高為0.6m?？蛷d南墻的窗墻比約為0.37。

臥室南北距離為3.5m，東西距離3.2m，面積約11.2m2。臥室北墻距地面2.4m處有一單層鋁合金推拉窗，該窗戶高1.1m，寬1.5m。臥室北墻的窗墻比約為0.14。

2 熱工特性分析

依據(jù)民用建筑熱工設(shè)計(jì)規(guī)范附錄二及附錄四，對(duì)窯洞和磚混圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱系數(shù)K、熱阻R、熱惰性指標(biāo)D、衰減度v0、延遲時(shí)間ε0進(jìn)行定量計(jì)算。

除了窯洞與磚混的地面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為無(wú)窮小外，其他圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱系數(shù)均是窯洞小于磚混建筑?？梢?jiàn)在相同的條件下，通過(guò)窯洞的圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳遞的熱量小于通過(guò)磚混建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳遞的熱量。

窯洞圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱惰性指標(biāo)普遍大于磚混建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)?？梢?jiàn)溫度波在窯洞圍護(hù)結(jié)構(gòu)中衰減較快，使得窯洞圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱穩(wěn)定性更好。

為窯洞與磚混建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱惰性指標(biāo)D的對(duì)比圖。窯洞圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱惰性指標(biāo)普遍大于磚混建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)。可見(jiàn)溫度波在窯洞圍護(hù)結(jié)構(gòu)中衰減較快，使得窯洞圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱穩(wěn)定性更好。

除了窯洞和磚混建筑的南墻和地面的衰減度相近之外，其他圍護(hù)結(jié)構(gòu)均是窯洞的衰減度明顯大于磚混建筑?？梢?jiàn)窯洞圍護(hù)結(jié)構(gòu)更能抵御室外的溫度波動(dòng)，能更好地保持室內(nèi)溫度的穩(wěn)定。

除南墻和地面以外，窯洞圍護(hù)結(jié)構(gòu)的延遲時(shí)間都明顯大于磚混建筑?？梢?jiàn)窯洞圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)表面溫度諧波最高值出現(xiàn)時(shí)間與室外空氣溫度諧波最高值出現(xiàn)時(shí)間差值更大，能更好地延遲室內(nèi)的溫度變化，保持室內(nèi)的舒適度。

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)鞏義市寺灣村的靠崖式窯洞以及焦灣村的某磚混建筑的圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工特性的計(jì)算對(duì)比，可以看出，窯洞的圍護(hù)結(jié)構(gòu)在抵御外部溫度的變化，保持室內(nèi)溫度恒定方面有明顯的優(yōu)勢(shì)，能最大限度的保證人們生活的舒適度，具有“冬暖夏涼”的奇特功效。

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作者簡(jiǎn)介：周春輝（1990.08- ），河南駐馬店人，本科，研究方向：建筑環(huán)境與能源應(yīng)用工程；史小航（1994.10- ），河南開(kāi)封人，本科，研究方向：建筑環(huán)境與能源應(yīng)用工程。