國內(nèi)外生土建筑熱工性能研究

梁高亮

（三峽大學(xué)，湖北 宜昌 443002）

0 前言

自20 世紀(jì)開始，科學(xué)技術(shù)發(fā)展迅猛，人們很難不注意到科技文明在給人類帶來優(yōu)質(zhì)生活的同時，也帶來了一些不良性的后果：①劇烈的人類建設(shè)活動使生態(tài)環(huán)境遭到破壞，同時，建設(shè)的不穩(wěn)定發(fā)展也沒有為人類的生活條件帶來良性影響；②劇烈的人類建設(shè)活動加速地球的資源消耗，這種不易控制的資源消耗為人類的生存環(huán)境帶來危機。人類逐漸在這些不可動搖的顯示面前意識到，在物質(zhì)享受的同時，伴隨著生活環(huán)境的惡化，這種發(fā)展模式不僅僅犧牲了自然界，同時也犧牲了巨大的經(jīng)濟利益，最嚴(yán)重的是它成為生物物種在地球上賴以生存的重大威脅。

現(xiàn)代建筑主要由新材料制成，如鋼筋混凝土，玻璃或塑料。這些材料在形成時會消耗一定量的能源，并釋放出大量的污染氣體。在后來的機械化施工和建筑圍護結(jié)構(gòu)和維護中，甚至是在建筑物的使用壽命結(jié)束時，處理垃圾也會消耗能源并釋放污染物。消耗的大量能源將導(dǎo)致二氧化碳濃度增加，這將導(dǎo)致全球變暖。廢氣排放將導(dǎo)致空氣污染和水污染，這將導(dǎo)致生態(tài)危機。從可持續(xù)發(fā)展和低碳生活的角度來看，現(xiàn)代建筑并不符合綠色建筑發(fā)展的概念。

作為一種古老的傳統(tǒng)建筑，憑借其節(jié)能環(huán)保的建筑材料，較低的制造成本和出色的熱工性能，生土建筑引起廣泛關(guān)注。同時，生土建筑被認(rèn)為是解決環(huán)境污染問題的有效方法。鑒于此，生土建筑在學(xué)術(shù)界的定位開始被重新界定，學(xué)者們期許能夠從生土建筑中找到靈感，從建筑的角度出發(fā)解決當(dāng)下環(huán)境污染的問題。因此，對傳統(tǒng)生土建筑的研究就顯得尤為重要。我們需要做的事情有三：①系統(tǒng)分析傳統(tǒng)生土建筑的研究路線；②總結(jié)其研究過程；③積極尋求生土建筑未來的發(fā)展趨勢。

1 生土建筑的概念

生土建筑主要是指使用非煅燒土壤（例如粘土、沙子等）或簡單地以未受加工的土壤為主要材料，輔以木材、石材等天然材料來構(gòu)建建筑物的基本結(jié)構(gòu)[1]?，F(xiàn)代生土建筑主要以土壤為基礎(chǔ)，通過自然環(huán)境，如不同的地形和氣候，用于確定土壤的可用性，并實現(xiàn)更高水平的環(huán)境設(shè)計。使用生土材料的歷史始于新石器時代，距今已有7000 多年的歷史。因此，生土建筑無疑是所有類型建筑的起源，這些建筑通常分布在拉丁美洲、南亞次大陸、非洲、亞洲、中東和南歐。在我國許多地區(qū)的城市以及廣大的農(nóng)村地區(qū)，生土建筑結(jié)構(gòu)仍占主導(dǎo)地位。中國的生土建筑可以分為兩大類：一個是原生的生土建筑，例如窯洞、洞穴、石窟等；另一種是指土木混合結(jié)構(gòu)建筑，建筑物的支撐和保持結(jié)構(gòu)由未經(jīng)處理的土壤和木質(zhì)部件組成。

2 關(guān)于生土建筑的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

2.1 國外研究現(xiàn)狀

生土建筑熱工方面的研究一直以來也是各國學(xué)者研究的重點內(nèi)容。很大程度上來說，國外學(xué)者在研究生土材料作為圍護結(jié)構(gòu)的建筑時，往往從圍護結(jié)構(gòu)的傳熱入手。從20 世紀(jì)60 年代開始，關(guān)于圍護結(jié)構(gòu)傳熱過程的研究不斷發(fā)展，從最初的穩(wěn)定傳熱計算逐漸發(fā)展到利用周期性不穩(wěn)定傳熱法進行計算。在研究墻體傳熱過程應(yīng)用的蓄熱系數(shù)法首先是由美國Carrier 公司于1965 年提出來的。

在國外，許多高校都陸陸續(xù)續(xù)建立了相關(guān)研究室，如美國堪薩斯州立大學(xué)、丹麥哥本哈根工業(yè)大學(xué)等，研究室主要研究人體感覺。同時研究例如環(huán)境輻射溫度、空氣溫濕度、氣流速度等一些物理參數(shù)對人體感覺產(chǎn)生的影響。上述四項室內(nèi)熱環(huán)境參數(shù)在丹麥工業(yè)大學(xué)的教授Fanger 的整合下，再聯(lián)系其他個體因素，例如服裝熱阻、人體新陳代謝率等，終于在1976 年時，提出盡人皆知的熱舒適方程。根據(jù)此次研究成果，國際標(biāo)準(zhǔn)組織（ISO）制定了ISO7730 標(biāo)準(zhǔn)，確定了適中的熱環(huán)境——PMV 與PPD 指標(biāo)，同時也確定了熱舒適條件?；诖?，室內(nèi)熱環(huán)境的綜合評價指標(biāo)直接由PMV-PPD 指標(biāo)擔(dān)任。自此之后，ASHRAE55-74 標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)運而生。此標(biāo)準(zhǔn)的問世，是由美國ASHRAE 經(jīng)過一定量的試驗后，在得出的大量關(guān)于室內(nèi)環(huán)境熱舒適條件的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上制定的。ASHRAE 對圍護結(jié)構(gòu)傳熱過程的計算方法改進，通過熱平衡方法（Heat Balance Method）和輻射時間序列方法（Radiant Time Series Method），計算建筑的采暖負(fù)荷和空調(diào)設(shè)計冷負(fù)荷。隨著現(xiàn)代計算機處理功能的強大，對圍護結(jié)構(gòu)傳熱過程的分析和求解也更加精確、快捷。圍護結(jié)構(gòu)非穩(wěn)態(tài)傳熱過程的研究方法主要包括：限差分法、諧波反應(yīng)法、反應(yīng)系數(shù)法、z 傳遞函數(shù)法和頻域回歸法等。

2.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

在我國，也有許多高校的專家學(xué)者致力于研究生土建筑。生土建筑熱濕環(huán)境一直是西安建筑科技大學(xué)閆增峰教授團隊的主要研究對象，該團隊主攻生土墻體的傳熱傳濕，他們的主要工作是室內(nèi)熱環(huán)境分析。以大量研究和實驗的為現(xiàn)實基礎(chǔ)，該團隊不懈地研究生土建筑圍護結(jié)構(gòu)表面質(zhì)交換系數(shù)，在不斷測算中總結(jié)出了一套實用的測試方法。由于生土圍護結(jié)構(gòu)傳濕過程具備十分復(fù)雜的特點，故需要通過大量實驗將生土墻體表面吸濕、放濕過程中試塊質(zhì)量隨時間變化的關(guān)系記錄下來，在此基礎(chǔ)上，生土建筑圍護結(jié)構(gòu)表面吸放濕過程質(zhì)交換系數(shù)才能夠被確定，這不僅對生土建筑的熱工性能研究有幫助，同時也有助于其他民居建筑室內(nèi)熱濕環(huán)境的研究。

生土建筑設(shè)計一直是清華大學(xué)朱穎心團隊的研究課題之一，在他們的研究過程中，為了指導(dǎo)現(xiàn)代生土建筑設(shè)計思路對本土氣候條件和自然環(huán)境的適應(yīng)性模型，他們?nèi)サ桨不帐〔闈鍖嵉乜疾欤Ξ?dāng)?shù)氐牡湫蛡鹘y(tǒng)民居進行了實地測試，并采用DEST 模擬分析，最終得出結(jié)論。安徽省查濟村的氣候有著晝夜溫差相差大的特點，以最普遍的傳統(tǒng)民居為研究對象，在白天，其天井利用熱壓通風(fēng)原理使室外熱量流入室內(nèi)的效應(yīng)得到有效抑制；在夜間，利用自然通風(fēng)原理有效促進室內(nèi)的熱量向室外散播，從而達到降低室溫的效果。故結(jié)合當(dāng)?shù)亟ㄖ陨項l件，其外部圍護結(jié)構(gòu)材料的熱阻大到一定數(shù)值，且熱惰性小到一定數(shù)值時，能夠達良好地抑制白天室內(nèi)升溫過快的效果，與此同時還能夠加速夜晚降溫。

郁文紅采用有反應(yīng)系數(shù)法、諧波反應(yīng)法、有限差分等方法對復(fù)合墻體非穩(wěn)態(tài)熱工性能進行計算。對比幾種研究方法的差異，對復(fù)合墻體的逐時傳熱量、逐時內(nèi)壁溫度、衰減倍數(shù)、延遲時間、離散型傳熱反應(yīng)系數(shù)等進行計算。在此基礎(chǔ)上對墻體（以復(fù)合墻體為主）的保溫隔熱效果進行對比分析，同時進行節(jié)能效果分析。對生土材料的研究具有重大啟示。

楊藝等人同樣采用數(shù)值計算的方法分析了建筑墻體的材料與厚度對墻體時間延遲及削弱衰減作用的影響。通過控制變量的方法，設(shè)置不同墻體材料使之具有不同的導(dǎo)熱系數(shù)，熱容和墻體厚度來分析墻體內(nèi)壁溫度的變化。分析墻體結(jié)構(gòu)具有的傳熱特性，為科學(xué)合理的設(shè)計生土節(jié)能墻體提供依據(jù)。

此外，國內(nèi)學(xué)者針對不同的保溫形式和不同的保溫材料對室內(nèi)熱環(huán)境的影響做了大量的研究。王厚華等人針對墻體不同的保溫形式、保溫材料厚度、保溫材料差異和主體墻體結(jié)構(gòu)不同的情況，建立物理數(shù)學(xué)模型，計算墻體材料及墻體構(gòu)造的熱物理特性。王海燕在研究復(fù)合墻體非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱時采用相似理論的方法。即通過求解格林函數(shù)來探究復(fù)合墻體的非穩(wěn)態(tài)傳熱過程，提出能夠表征墻體各層材料排列次序不同的熱結(jié)構(gòu)因子來完善對墻體熱工特性及能耗的全面分析。應(yīng)用能耗分析軟件進行能耗模擬結(jié)合現(xiàn)場測試對節(jié)能建筑采暖能耗進行分析。其研究結(jié)果對生土建筑節(jié)能工作的指導(dǎo)、實施與展開起重要的參考價值。

3 結(jié)語

生土是一種古老的建筑材料，從建筑節(jié)能的角度上來說，又煥發(fā)著青春的氣息。在新時代大力推動生態(tài)文明建設(shè)和鄉(xiāng)村振興的大背景下，生土建筑不僅能夠擔(dān)任起留住家鄉(xiāng)記憶、烘托鄉(xiāng)愁氛圍的角色，同時在鄉(xiāng)土建筑的舒適性和環(huán)保可持續(xù)方面，都將取得更廣闊的發(fā)展機遇。

眾多專家學(xué)者，不僅限于國內(nèi)學(xué)者，在很長一段歷史進程中，對于生土建筑及生土材料研究的熱衷是有目共睹的，國內(nèi)外學(xué)者在生土建筑研究上做出的辛勤努力，推動其在全新歷史條件下的研究工作不斷進步，使得生土建筑材料技術(shù)在改性生土建筑材料性能提升的研究不斷推進，滿足實際工程應(yīng)用的工作越來越順利。有關(guān)生土建筑熱工性能的研究工作，眾多國內(nèi)外專家學(xué)者進行了奮力的探索與不屑的實踐，奠定了生土建筑良好的發(fā)展基礎(chǔ)，同時，也為廣大專家學(xué)者在對生土建筑熱工性能的研究工作提供了參考。