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陕北地区庭院式窑洞热环境特征分析

师丽 付燕妮 王改艳 张艳萍
摘要：文章通过对陕北地区庭院式窑洞热环境的分析，总结出庭院式窑洞的热过程特征，并提出了改善热环境的相关措施。
关键词：庭院式窑洞 室内热环境 对流辐射
0 引言
窑洞是陕北地区一种典型的民居建筑，庭院式窑洞利用庭院冬季自然采暖特性，在窑洞与室外之间形成一个过渡空间，不仅有利于收集太阳能，而且能缓冲外界气流对窑洞正立面的冲击，防止冷风渗透，形成冬季庭院空气温度高于院外空气温度的良好微气候，从而改善窑洞的室内热环境，提高其冬季保暖性，降低常规采暖能耗。
1 庭院式窑洞室内热环境特征
11 窑洞内温度的分布
一般而言，窑洞维护结构的内表面温度应该随周围空气的波动而变化。窑洞内空气的波动幅度和范围根据实测均很小，因此可以基本认定其处于恒温状态。所以说窑洞室内的温度直接由当地土壤的平均温度决定的，从窑洞自身的结构来看，由于大部分窑洞采用了单层玻璃窗户，因此，窑脸的总传热系数很大，于是其表面温度基本上接近室外温度，这就造成了进深将影响窑内气温的变化。
1.2 窑洞进深、窗墙面积比与热舒适度
人体热舒适感觉不仅取决于室内温度，与平均辐射温度也紧密联系。如果气流速度很小，则这两个因素对热感觉的影响是相同的，平均热辐射温度采用近似公式计算后表明，要想提高其内表面温度，必须提高窑脸的总体保温性能。门窗和墙的传热系数决定了正立面的总传热系数K，因此，为了有效的降低总传热系数，应当尽量降低窗墙的面积比以减小正立面的开窗面积。
2 庭院式窑洞窑内光环境特征
庭院式窑洞在正立面开窗面积很大，这就导致接近窗户的地方照度较高，而远离窗户水平面的照度则迅速下降。由此看来，接近窗户处和远离窗户处的区域亮度不均匀且对比过大，不仅使窑内深度亮度不够，而且室内活动的人难免经常处于在显著亮度变化状态中，导致视觉不舒适。窑洞侧窗对于人体的生理感觉而言并不是采光，而是满足视觉上对室内外沟通的需求，也就是说减小普通侧窗的面积除了降低近窗的照度外，并不妨碍庭院式窑洞的通透感，但是对于整个窑洞的室内照度而言，去分布更加均匀。相应的近窗和远窗处的亮度对比下降则会提高房间深处的表现亮度，从而有效改善了窑内光环境的质量。
3 庭院式窑洞窑内空气质量
3.1 影响窑洞室内空气的不利因素
香烟和炊烟等的烟雾粒子是悬浮在庭院式窑洞中的的主要悬浮粒子，若不采用通风设备装置，这些有害的烟雾粒子便会发生凝聚及凝并作用而附着于固壁上，从而得到浓度的下降。但经过试验和相关文献查阅，这种所谓的“自净”作用，它的发展过程十分缓慢而且有限，所以，一定有更多更大量地有害烟雾粒子仍然悬浮于室内的空气当中。由此可见，只有采取适当合理的通风换气产生对流才能对烟雾粒子起到淡化消灭的作用。
3.2 相关措施
陕北地区属于无主导风向地区，结合当地的经济发展水平和居民实际生活状况，大致可采用以下两种方法来控制庭院式窑洞室内的有害悬浮粒子，以达到通风换气效果。第一，利用机械通风，比如换气装置、除湿机等。为了有效的改善窑洞室内的空气质量，应当在相连的窑洞侧窗上安装换气或除湿设备，从而要让洞内的空气流动起来而淡化室内的有害悬浮物；第二，利用风压作用组织自然通风。利用风压实现自然通风和利用窑洞内部的空气热压差是实现自然通风的主要两种途径。首先，利用风压实现自然通风。由于风受到挡风板和植物的阻挡，在吹向窑洞的时候会在窑洞的迎风面产生正压力，同时，绕过建筑各个侧面和背面的气流也会在相应的位置产生负压力，利用窑洞迎风面和背风面之间的压力差就能够实现空气流通，从而实现风压通风。其次，利用窑洞内部的空气热压差即“烟囱效应”实现建筑的自然通风。在窑洞上部设排风口，利用热空气上升的原理即可将室内污浊的热空气排除而从底部吸入室外新鲜的冷空气。还可以利用机械辅助和太阳能技术强化窑居自然通风从而达到改善窑居室内环境的目的。
4 庭院式窑洞室外热过程特征
文章以庭院式窑洞冬季室外热环境的变化为例进行阐述。对于常见的四合庭院窑洞，白天，太阳辐射的照射是按照以下顺序进行的，依次为西墙内表面、北墙内表面和东墙内表面，然后照射到院内地面。由于吸收的了太阳辐射热量，各个方向的墙面温度逐渐升高，其中一部分热量与院子内气温进行对流交换，使院内空气温度得以提高，这样导致院内温度高于院外温度，还有剩余的一部分热量则积蓄在墙体或地面。等太阳落山后，储存在地面内部和墙体表面的热量逐渐向外发散。由于一般的庭院都是围合的，即便各表面的温度都在逐渐散出，但它们的热量仍然高于天空辐射当量温度。围合庭院式窑洞的四周墙面对天空的辐射角系数均小于1，所以表面的热量只有少部分直接辐射至天空中，剩余部分则在各方向墙体表面进行多次反复吸收反射，这样的循环原理，使得在夜间，院内温度仍然高于院外温度。如果院外存在气流的作用，但由于围墙的阻挡，外界气流还是无法直接作用于窑脸所在的正立面，所以，要想减小庭院式窑洞院内外表面对流换热系数，只能通过发散、诱导的作用吸收院内上层空气，致使院内气流速度大大降低。
5 结论及建议
通过以上分析，加大窑洞室内进深能够有效提高庭院式窑洞室内的热环境质量，但是如果进深太大则对于改善室内的光环境质量和空气质量是不利的。因此，有以下几方面建议：①降低窑洞正立面的窗墙比，除了能够有效改善室内热环境外，还能够有效地缓解不均匀辐射对人生理产生的影响。这种改变不仅有利于提高房间深处的亮度从而改善视觉的舒适度。②提高窑洞正立面的保温性能。虽然窑洞的正立面维护结构只占总维护结构面积的八分之一至十分之一，但室内温度和空气通过正立面的热损失约占热损失总量的60%甚至更高，所以建议将原来广泛使用的单层玻璃窗换为双层窗，还可以增加窗下墙的厚度以便提高窑洞内部温度。③由于很多窑顶都有覆土种植，故土壤含湿量大，容易增加窑洞顶部的渗漏，《黄土窑洞防水技术》中提出了窑顶防水的新方法。为了达到减渗和防渗的母材，可以采用“双层结构土”来改变水的入渗过程来减少雨水的入渗量。“双层结构”就是指在同一土层内，由两种水平状的颗粒材料所形成的夹层土，如土中夹有水平层的砂或炉渣。经过理论的计算和实践经验，其结论为：在土层表面下50cm处设置一层10cm厚的砂层或炉渣，这种做法不仅缓减和阻止雨水下渗速度和总量，而且降低了窑洞四壁及窑顶砂层以下土壤的含水量，这样，无疑解决了窑洞民潮湿在湿源方面的问题，同时砂层以上土壤的含水率增大了，并能保持一个相当稳定的时期，这无疑为窑顶农作物的种植提供了有利的条件。
参考文献：
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[2]周卓燕，刘培岩，周卓琳.新型下沉式窑洞——洛阳市冢头村特色窑洞规划构想[J].建筑学报，2007（05）.
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