豫西地區(qū)生土民居熱濕環(huán)境分析及節(jié)能改造研究

盧文靖+朱佳音

摘 要：以河南省鞏義地區(qū)的生土民居為研究對(duì)象，通過(guò)對(duì)其夏季典型日室內(nèi)熱濕環(huán)境進(jìn)行實(shí)測(cè)，定量地評(píng)價(jià)和分析了生土窯洞的室內(nèi)外熱濕環(huán)境，揭示了窯洞的保溫隔熱性能方面的優(yōu)點(diǎn)及其在采光通風(fēng)等方面的缺點(diǎn)，在此基礎(chǔ)上，探討了被動(dòng)式節(jié)能改造措施在豫西地區(qū)傳統(tǒng)民居的應(yīng)用，從強(qiáng)化自然采光，加強(qiáng)除濕等方面提出被動(dòng)式節(jié)能改造策略。

關(guān)鍵詞：窯洞；熱濕環(huán)境；節(jié)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(qū)，隨著城鎮(zhèn)增長(zhǎng)進(jìn)程的推進(jìn)，豫西窯洞民居的生存和發(fā)展受到了極大的阻礙，獨(dú)有特色的黃土窯洞在河南西部的黃土高原及丘陵地區(qū)正逐漸消失，而窯洞民居中的文化內(nèi)涵正在淡化。窯洞具有冬暖夏涼的特點(diǎn)，但由于傳統(tǒng)的生土民居都是廣大鄉(xiāng)村居民根據(jù)自行設(shè)計(jì)建造的，缺乏科學(xué)的理論指導(dǎo)，難免存在著室內(nèi)采光不足、通風(fēng)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(lái)，隨著人民生活水平的不斷提高，人們對(duì)居住環(huán)境也有了更高的要求，傳統(tǒng)的窯洞已經(jīng)難以適應(yīng)現(xiàn)代生活的需要，很多居民開始拋棄這種傳統(tǒng)的居住方式。本文以河南省鞏義市傳統(tǒng)民居為代表，通過(guò)對(duì)其室內(nèi)外環(huán)境實(shí)地監(jiān)測(cè)，分析其環(huán)境特征，找出其存在的問(wèn)題，通過(guò)理論對(duì)比分析，對(duì)其提出合理的改善建議，希望能夠?qū)ι撩窬拥沫h(huán)境改善起到引導(dǎo)和借鑒的作用。

1 傳統(tǒng)民居熱濕環(huán)境實(shí)測(cè)

1.1 測(cè)試概況

測(cè)試目的：通過(guò)實(shí)際測(cè)量，對(duì)比磚混建筑及生土窯居在冬夏兩季的熱濕環(huán)境差異，分析窯洞的優(yōu)缺點(diǎn)，為之后的再生設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

測(cè)試地點(diǎn)：測(cè)試地點(diǎn)位于河南省鞏義市，選擇同一地區(qū)不同年代的兩個(gè)建筑進(jìn)行對(duì)比，即磚混建筑和生土窯居。

測(cè)試時(shí)間：2016年8月29日-9月23日

測(cè)試內(nèi)容：包括室內(nèi)外溫濕度，圍護(hù)結(jié)構(gòu)壁面溫度及熱流，測(cè)試內(nèi)容及儀器參見表1-1.

1.2 測(cè)點(diǎn)布置

1）磚混

磚混建筑共布置了10個(gè)測(cè)點(diǎn)。其中溫濕度測(cè)點(diǎn)共4個(gè)，雜物間、客廳、臥室2以及院內(nèi)各1個(gè)；溫度測(cè)點(diǎn)共5個(gè)，分別布置在建筑的東、西、南、北內(nèi)墻以及南外墻；熱流測(cè)點(diǎn)共一個(gè)，布置在北外墻。

2）窯洞

窯洞共布置了17個(gè)測(cè)點(diǎn)。其中溫濕度測(cè)點(diǎn)共7個(gè)，1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)窯洞及院內(nèi)各布置1個(gè)，3號(hào)窯洞沿進(jìn)深方向布置3個(gè)，每點(diǎn)分別距門0.8m，4.2m，6.0m；溫度測(cè)點(diǎn)共7個(gè)，分別布置在3號(hào)窯洞的東、西、南、北內(nèi)立面以及3號(hào)窯洞的南外立面、窯頂、地面；熱流測(cè)點(diǎn)共3個(gè)，分別布置在2號(hào)窯洞的北內(nèi)立面、3號(hào)窯洞的北內(nèi)立面和西內(nèi)立面。

具體建筑對(duì)比圖及測(cè)點(diǎn)布置圖見圖1～3

2 測(cè)試結(jié)果分析

2.1 空氣溫度

分析圖1可知，當(dāng)室外溫度波動(dòng)幅度較大時(shí)，窯洞各個(gè)房間室內(nèi)溫度波動(dòng)幅度較為平緩，且波動(dòng)幅度基本相同。從整體上看，窯洞對(duì)溫度的波動(dòng)具有衰減作用，并且各房間室內(nèi)溫度均維持在25℃左右，其圍護(hù)結(jié)構(gòu)具有良好的保溫隔熱的性能。局部微小波動(dòng)可能與人的活動(dòng)有關(guān)，如下午1點(diǎn)左右，4號(hào)窯洞室內(nèi)溫度有微小的下降，與人的生活起居等各方面習(xí)慣有關(guān)。一般情況下，3號(hào)窯洞（廚房）的室內(nèi)溫度在中午12點(diǎn)左右會(huì)有所波動(dòng)，但我們發(fā)現(xiàn)，圖中3號(hào)窯洞在這個(gè)時(shí)段溫度較為平緩，分析可知，3號(hào)窯洞的測(cè)點(diǎn)布置在距門5.5m，沿進(jìn)深2/3左右的位置，由于當(dāng)?shù)厝嗽谧鲲埰陂g會(huì)習(xí)慣性的打開門窗進(jìn)行通風(fēng)，帶走多余的熱量，因此窯洞內(nèi)部溫度波動(dòng)較小。

2.2 壁面溫度

3號(hào)窯洞內(nèi)外墻壁面溫度如圖所示，對(duì)比分析知，南外立面溫度最高，南內(nèi)立面溫度次之，其他壁溫變化趨勢(shì)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(yáng)輻射的影響，白天表面最高值達(dá)到了40℃左右，但是南內(nèi)立面壁面溫度依然只有25℃左右，而且南內(nèi)立面壁面溫度峰值出現(xiàn)時(shí)間晚于南外立面約7h，這說(shuō)明墻體具有較大的蓄熱能力；東內(nèi)墻和西內(nèi)墻的另一表面均與相鄰窯洞的室內(nèi)空氣相接觸，不接受太陽(yáng)輻射，窯頂、地面、北內(nèi)立面與無(wú)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(shí)現(xiàn)冬暖夏涼的主要原因。

2.3 相對(duì)濕度

分析圖觀察到，當(dāng)室外濕度波動(dòng)幅度較大時(shí)，在一天24h內(nèi)，磚混和窯洞室內(nèi)濕度均相對(duì)穩(wěn)定，維持在60%～80%之間，這是由于圍護(hù)結(jié)構(gòu)對(duì)室內(nèi)具有一定的濕調(diào)節(jié)能力。

夏季該地區(qū)的室外相對(duì)濕度在37.5%～80%之間波動(dòng)，平均為60.7%；磚混的空氣濕度在61.8%～70.1%之間波動(dòng)，平均為68.2%，比室外高出7.5%，規(guī)范中規(guī)定室內(nèi)達(dá)到舒適性的相對(duì)濕度應(yīng)為30%～70%，該磚混民居的相對(duì)濕度滿足這一要求；窯洞的室內(nèi)濕度在59.5%～74.4%之間波動(dòng)，平均為70.7%，比磚混民居大2.5%，比規(guī)定的室內(nèi)舒適相對(duì)濕度上限還要大0.7%.所測(cè)試的窯洞濕度較大主要是因?yàn)槭覂?nèi)的通風(fēng)效果差，綜合來(lái)看，我們?cè)谥蟮脑偕O(shè)計(jì)中應(yīng)著重考慮窯洞的防潮除濕方面。

3 被動(dòng)式節(jié)能改造策略

針對(duì)前文的熱濕環(huán)境分析，發(fā)現(xiàn)生土民居雖然有著良好的保溫隔熱性能，但它同時(shí)存在著通風(fēng)采光等方面的缺點(diǎn)。因此，我們提出了提下幾個(gè)對(duì)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(jié)，可將生石灰放人木箱或紙箱內(nèi)，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(dāng)關(guān)閉門窗。由于生石灰用量過(guò)少達(dá)不到預(yù)期的效果，用量過(guò)多則使窯洞內(nèi)相對(duì)濕度過(guò)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(shí)引起的化學(xué)反應(yīng)會(huì)放出熱量，使窯洞溫度升高，同樣不利于環(huán)境的舒適性，所以只有正確地把握生石灰的劑量，才能達(dá)到預(yù)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(duì)使用生石灰的用量和經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行分析：

1）計(jì)算窯洞大概容積V=3m×7.8m×3m=70 m?；

2）計(jì)算出夏季窯洞內(nèi)平均溫度為25℃，平均相對(duì)濕度是75%時(shí)，絕對(duì)濕度是27.5g/ m?；

3）求出當(dāng)窯洞內(nèi)相對(duì)濕度達(dá)到65%時(shí)絕對(duì)濕度是24.6g/ m?，則需除去的水蒸氣質(zhì)量 m=（27.5-24.6） ×70=203g；

4）求窯洞內(nèi)相對(duì)濕度達(dá)到65%時(shí)，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(jì)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(nèi)的相對(duì)濕度從75%降到60%，且實(shí)際生活中容易購(gòu)買得到，性價(jià)比也較高，可以考慮實(shí)施到窯洞中進(jìn)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(lián)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(yáng)的有效照射面積。并可擴(kuò)大窗墻比，將原窯洞中的窗戶擴(kuò)大，改善室內(nèi)采光不足的缺點(diǎn)。另外，由于在相同面積條件下，下窗沿越高進(jìn)深深處的照度增加越多，將原窯洞中的下窗沿統(tǒng)一向下降100mm，提高反射光線在總照度中的比例[3]。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)豫西地區(qū)生土民居進(jìn)行熱濕環(huán)境分析，生土民居熱濕環(huán)境特點(diǎn)體現(xiàn)為：，當(dāng)室外溫度波動(dòng)幅度較大時(shí)，窯洞各個(gè)房間室內(nèi)溫度波動(dòng)幅度較為平緩，且波動(dòng)幅度基本相同。從整體上看，窯洞對(duì)溫度的波動(dòng)具有衰減作用，并且各房間室內(nèi)溫度均維持在25℃左右，其圍護(hù)結(jié)構(gòu)具有良好的保溫隔熱的性能。而夏季室內(nèi)濕度一直保持在較高的狀態(tài)，其平均濕度可大70.7%，高于規(guī)定的室內(nèi)舒適相對(duì)濕度上限。所以夏季控制室內(nèi)相對(duì)濕度是節(jié)能改造的關(guān)鍵。體現(xiàn)為利用除濕干燥劑，加強(qiáng)室內(nèi)通風(fēng)等。

通過(guò)對(duì)豫西地區(qū)熱濕環(huán)境進(jìn)行實(shí)測(cè)與分析，為當(dāng)?shù)孛窬託夂蜻m應(yīng)性節(jié)能改造提供了理論依據(jù)。本文對(duì)于生土民居所存在的通風(fēng)采光，除濕防潮等方面存在的問(wèn)題，有針對(duì)性的合理的提出了設(shè)置利用除濕干燥劑，墻體結(jié)構(gòu)優(yōu)化等方面提出了適應(yīng)性的被動(dòng)式節(jié)能設(shè)計(jì)策略。

參考文獻(xiàn)

[1]謝浩，楊楚屏.優(yōu)化防潮設(shè)計(jì)改善建筑環(huán)境[J].哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào).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(xué)報(bào).1989，9（4）：66-70

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

作者簡(jiǎn)介

盧文靖，鄭州大學(xué)土木工程學(xué)院，建筑環(huán)境與能源應(yīng)用專業(yè)。

指導(dǎo)教師

朱佳音，女，博士，鄭州大學(xué)土木工程學(xué)院講師。