王舒寧+朱佳音

摘 要：在我國豫西的很多地區(qū)，有很多窯洞存在并被使用著。窯洞具有因地制宜，冬暖夏涼等特點(diǎn)，這些特點(diǎn)與當(dāng)代要求的綠色建筑的整體發(fā)展趨勢(shì)一致，因此它具有很高的保護(hù)性及研究價(jià)值。但是，隨著社會(huì)的進(jìn)步，窯洞的缺點(diǎn)逐漸顯露出來，磚混建筑漸漸取代了生土建筑。本文的研究對(duì)象為豫西地區(qū)鞏義市的窯洞建筑，通過夏季現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的研究方法，定量地得到了豫西地區(qū)靠崖式窯洞的夏季室內(nèi)外熱濕環(huán)境等熱響應(yīng)特性；同時(shí)提出了窯洞夏季防潮去濕的方法及冬季取暖的節(jié)能方式，為生土民居的再生設(shè)計(jì)提供了理論基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：豫西地區(qū)；窯洞；現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)；被動(dòng)式優(yōu)化設(shè)計(jì)

1 引言

隨著科技的進(jìn)步和中外文化的交流，中華民族的風(fēng)俗文化漸漸地被遺忘，被取代。二十一世紀(jì)一棟棟高樓大廈逐漸取代了中華民族流傳至今的古建筑。生土建筑因?yàn)闈u漸不能滿足人類對(duì)生活和生產(chǎn)的需要被遺棄，在豫西的很多地區(qū)，隨處可見一個(gè)個(gè)被荒廢的窯洞。然而，窯洞不僅僅是因?yàn)槠洫?dú)特的歷史文化而被保護(hù)，更是因?yàn)樗虻刂埔?，冬暖夏涼，綠色環(huán)保，節(jié)約能源，成本較低等優(yōu)點(diǎn)。對(duì)于發(fā)展中的中國來說，能源使用量過多，尤其是建筑在能源使用中占到很大的比例，所以綠色建筑刻不容緩。研究并發(fā)展窯洞建筑有利于節(jié)約能源、保護(hù)環(huán)境、維持生態(tài)平衡。但是現(xiàn)有的窯洞不能給人類提供適宜的生活和生產(chǎn)環(huán)境，傳統(tǒng)窯洞室內(nèi)具有采光不足；內(nèi)部通風(fēng)不良；夏季室內(nèi)濕度偏大等缺點(diǎn)，因此要對(duì)窯洞進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。目前為止有許多人研究生土建筑，研究的方面各不相同，研究建筑窯洞的材料、研究窯洞的結(jié)構(gòu)等等，本文通過文獻(xiàn)調(diào)查法、實(shí)地考察法等方法對(duì)窯洞進(jìn)行改造，具體針對(duì)窯洞進(jìn)行防潮去濕以及冬天綠色節(jié)能的取暖進(jìn)行了研究，使窯洞能夠滿足人們的需要。

2 鞏義地區(qū)靠崖式窯洞的夏季實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析

本文研究的是鞏義地區(qū)典型的靠崖式窯洞，一個(gè)院子里有四個(gè)窯洞，每個(gè)窯洞的體積大概為70。通過對(duì)民居所在地區(qū)的室外氣象參數(shù)，民居室內(nèi)溫濕度、壁面溫度等代表性數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)，定量地研究窯洞對(duì)室內(nèi)環(huán)境的調(diào)控功能，分析在極端氣候條件下傳統(tǒng)民居室內(nèi)熱環(huán)境狀態(tài)隨室外氣候變化下的動(dòng)態(tài)熱響應(yīng)特性。窯洞的平面圖及測(cè)點(diǎn)布置圖如圖2.1所示。如圖2.2所示，天氣由晴轉(zhuǎn)多云再到雨，室內(nèi)最高溫度由25.9℃到25.4℃到24.0℃，逐漸降低。室外溫度降低，室內(nèi)外溫差減小，室內(nèi)外熱對(duì)流減弱，太陽輻射也降低，導(dǎo)致同時(shí)刻多云、雨天室內(nèi)溫度比晴天溫度低。天氣越晴朗室內(nèi)溫度越高，陰雨天氣室內(nèi)溫度稍有降低，但差值不到1℃，所以不同天氣對(duì)窯洞室內(nèi)溫度影響不大，窯洞保溫隔熱性能良好。

如圖2.3所示，天氣由晴變多云再到雨，室內(nèi)濕度的最高值由64.6（g/kg） 至65.1（g/kg）再到81.8（g/kg）?？梢?，天氣由晴朗變?yōu)殛幱晏?，室?nèi)濕度增加。一方面，這是由于天氣由晴朗變?yōu)殛幱晏鞖猓彝饪諝馑魵夂吭黾?；另一方面，室外溫度降低?dǎo)致室內(nèi)溫度稍有降低，飽和水蒸汽分壓力降低，含濕量和飽和水蒸氣分壓力成反比，和水蒸氣含量成正比，故室內(nèi)含濕量增加。這三天里，室內(nèi)濕度變化幅度高達(dá)34.8（g/kg）?？梢?，不同天氣對(duì)窯洞濕度影響大，天氣越晴朗，室內(nèi)相對(duì)濕度越低，雨天室內(nèi)濕度增加，所以在對(duì)窯洞進(jìn)行除濕時(shí)應(yīng)考慮天氣對(duì)室內(nèi)濕度的影響，盡量滿足陰雨天濕度也在人的舒適范圍內(nèi)。

3 生土建筑的熱特性優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.1 夏季窯洞防潮除濕的優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.1.1除濕干燥劑的使用和經(jīng)濟(jì)性分析

生石灰是一種良好的干燥劑，多雨回潮季節(jié)，可以將生石灰放入紙箱內(nèi)，加蓋后放于床下，若天氣十分潮濕則可打開蓋子，并適當(dāng)關(guān)閉門窗。生石灰用量過少達(dá)不到預(yù)期的效果，用量過多則使窯洞內(nèi)相對(duì)濕度過低，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)，引起化學(xué)反應(yīng)會(huì)放出熱量，使窯洞內(nèi)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。

生石灰主要成分是CaO，一般含量85%～92%，吸濕后成為熟石灰。1公斤生石灰能吸收空氣中大約250g到300g的水分，市面上大約每公斤3元。

如下對(duì)使用生石灰時(shí)的用量和經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行分析：

1）計(jì)算窯洞容積V=3×7.8×3=70 m?；

2）計(jì)算出夏季平均窯洞內(nèi)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）求出相對(duì)濕度達(dá)到65%時(shí)，需所用生石灰的重量：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65%，且實(shí)際生活中容易購買得到，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。

3.1.2空氣層的使用和經(jīng)濟(jì)性分析

（1）在窯洞內(nèi)表面使用空氣層進(jìn)行房間的防潮和保溫

窯洞內(nèi)部濕度大是由于夏季室外相對(duì)濕度較大，帶入室內(nèi)大量水分和窯洞內(nèi)人散發(fā)出的水分增大窯洞內(nèi)相對(duì)濕度，高溫高濕的空氣與低溫的內(nèi)壁接觸便會(huì)使壁面潮濕，降低環(huán)境的舒適度。為了改善窯洞這一缺點(diǎn)，提出了在窯洞內(nèi)表面設(shè)置空氣層來降低室內(nèi)相對(duì)濕度。

1）加了空氣層后，由于其隔濕作用，將窯洞黃土內(nèi)水分隔至窯洞室內(nèi)外側(cè)，加大了此處的空氣濕度，并由此使得室內(nèi)空氣的相對(duì)濕度降低。

2）由于窯洞內(nèi)設(shè)置了空氣層，空氣層內(nèi)外兩表面溫度不同，窯洞內(nèi)表面溫度相對(duì)提高，起到保溫的作。

（2）空氣層的組成

空氣層由磚240毫米，礦棉25毫米，鋁箔隔汽層2微米，空氣層20毫米和12毫米的石膏面板組成（如圖3.1所示）。

窯洞加入空氣層后，熱阻 ，傳熱系數(shù)

窯洞未加空氣層時(shí)，熱阻 ，傳熱系數(shù)為

即，加入空氣層后明顯導(dǎo)熱性能降低，保溫性好。

（3）空氣層的經(jīng)濟(jì)性分析

建造空氣層改變圍護(hù)結(jié)構(gòu)的構(gòu)造，減少了成本，并且還節(jié)約材料。例如，如果采用一磚墻和2厘米的空氣層，其熱阻將大于一磚半墻，還降低了6厘米的墻厚，減少了磚的運(yùn)輸費(fèi)和成本費(fèi)，并使圍護(hù)結(jié)構(gòu)的厚度降低，從而增大房間的使用面積。

3.2 冬季窯洞被動(dòng)式采暖的優(yōu)化設(shè)計(jì)

太陽能作為一種綠色、可再生的能源，廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域?？紤]使用太陽能集熱器進(jìn)行窯洞冬季的室內(nèi)取暖，這種方法節(jié)能環(huán)保，經(jīng)濟(jì)效益顯著。經(jīng)過市場(chǎng)調(diào)查及分析，列出表3.2比較不同種類的太陽能集熱器的優(yōu)缺點(diǎn)。

通過比較各種集熱器的集熱效率、可靠性、方便性和經(jīng)濟(jì)性，最終選用全玻璃真空管型太陽能集熱器進(jìn)行窯洞的冬季集熱。

假設(shè)室內(nèi)空氣升高的溫度恒定，則室內(nèi)的集熱量是恒定的，所以集熱器產(chǎn)生的熱量是已知的，由此可求得太陽能集熱器所需的面積。M1、ΔT1分別表示室內(nèi)空氣質(zhì)量流量和加熱前后溫差；M2、ΔT2分別表示經(jīng)過集熱器流入室內(nèi)的空氣質(zhì)量流量和室內(nèi)外空氣溫差，C表示空氣的比熱容，室內(nèi)空氣與經(jīng)過集熱器的空氣比熱容相等。

則，集熱器產(chǎn)熱量Q=CM1ΔT1=CM2ΔT2

假定ΔT1=3℃，ΔT2=30℃又M1=ρV=1.2*70=84kg/h

得：

集熱器面積

因此，使用全玻璃真空管集熱量比較大，集熱效率高，相比于其它取暖方式要更加環(huán)保、高效。不管是從經(jīng)濟(jì)上還是環(huán)境上來說都是可取的。

4 結(jié)論

眾多的創(chuàng)新技術(shù)并不是都適用于窯洞，不能隨意地將節(jié)能技術(shù)生搬硬套在窯洞建筑上。改善窯洞的環(huán)境需要從窯洞本身的特點(diǎn)，經(jīng)濟(jì)，節(jié)能等方面考慮，這樣才能更好地對(duì)窯洞進(jìn)行再生設(shè)計(jì)。本文研究了降低窯洞濕度和冬季取暖的方法，通過夏天實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析得出窯洞保溫隔熱性能良好；不同天氣對(duì)窯洞濕度影響大，天氣越晴朗，室內(nèi)相對(duì)濕度越低，雨天室內(nèi)濕度增加。針對(duì)窯洞濕度大，冬天室內(nèi)寒冷的缺點(diǎn)提出了解決方法，分別為室內(nèi)放置除濕干燥劑、設(shè)置空氣層和使用太陽能集熱器。窯洞建筑的優(yōu)化設(shè)計(jì)從根本上改善窯洞被荒廢的情況，節(jié)約能源，保護(hù)我國的古建筑，使中華民族的歷史文化能夠傳承下去。

參考文獻(xiàn)

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