嚴(yán)寒地區(qū)農(nóng)村土坯房室內(nèi)熱環(huán)境研究

文／甄 蒙 西安交通大學(xué)人居學(xué)院（通訊作者）

梁博武 西安交通大學(xué)人居學(xué)院

鄒奇書 西安交通大學(xué)人居學(xué)院

引言

我國(guó)幅員遼闊，橫跨多個(gè)氣候帶，全國(guó)各地氣候條件差異較大，因此千百年來各地形成了各具特色的傳統(tǒng)民居。如北方地區(qū)的土坯房就是適宜當(dāng)?shù)貧夂虻牡湫蛡鹘y(tǒng)民居。土坯房由于其優(yōu)異的熱工性能，在北方地區(qū)的農(nóng)村曾經(jīng)廣泛分布，目前農(nóng)村地區(qū)仍有很多的人居住在土坯房中。土坯房的熱舒適性也受到了較為廣泛的關(guān)注，改良土坯房的熱舒適性對(duì)改善農(nóng)村人口居住環(huán)境具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。考慮到土坯房具有易于就地取材、便于施工、冬暖夏涼的優(yōu)良性能，符合可持續(xù)發(fā)展的理念，因此研究其各項(xiàng)特性，特別是其熱工性能對(duì)綠色建筑的發(fā)展具有一定的參考作用。

在土坯房熱環(huán)境研究方面，高翔翔等通過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，對(duì)傳統(tǒng)圍護(hù)結(jié)構(gòu)保溫做法下火炕對(duì)室內(nèi)熱環(huán)境的影響進(jìn)行了定量評(píng)價(jià)，指出了火炕在冬季采暖中的重要性[1]。胡冗冗等通過實(shí)測(cè)結(jié)合模擬的方法分別對(duì)生土及磚混民居的室內(nèi)溫濕度進(jìn)行對(duì)比分析，并深入分析了生土建筑的熱工性能優(yōu)缺點(diǎn)，并提出了改進(jìn)措施[2]。同時(shí)，關(guān)于傳統(tǒng)民居的室內(nèi)熱舒適的研究近年來也逐漸受到關(guān)注。Jing Zhang 等人提出了一種對(duì)于土坯房改進(jìn)的評(píng)價(jià)方法，對(duì)甘肅某土坯住宅進(jìn)行實(shí)測(cè)及評(píng)價(jià)，結(jié)合經(jīng)濟(jì)性及熱舒適性，得出稻殼隔熱屋頂具有較好的性能[3]。Yan Xiong 等人對(duì)我國(guó)夏熱冬冷地區(qū)的城市住宅和農(nóng)村傳統(tǒng)住宅的熱舒適性進(jìn)行了問卷調(diào)查，結(jié)果表明農(nóng)村居民對(duì)于寒冷條件的耐受性更強(qiáng)[4]。

本文對(duì)河北省張家口市方家梁村一棟土坯房進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)。通過實(shí)地測(cè)試，描述土坯房全天的室內(nèi)、室外的溫濕度變化，針對(duì)土坯房的熱舒適性進(jìn)行分析，從而提出改善土坯房熱環(huán)境的優(yōu)化設(shè)計(jì)策略。

1 研究方法

本文通過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)合數(shù)據(jù)分析的研究方法，對(duì)土坯房的內(nèi)部熱環(huán)境及熱機(jī)制進(jìn)行量化研究。

1.1 測(cè)量地區(qū)及時(shí)間

本文所選實(shí)測(cè)地點(diǎn)為河北省張家口市赤城縣方家梁村（40.92°N，115.8°E），河北省張家口市屬于溫帶大陸性季風(fēng)氣候，氣候特點(diǎn)為一年四季分明，冬季寒冷漫長(zhǎng)。實(shí)測(cè)時(shí)間為2020 年1 月9 日至2020 年1 月12 日，為期三天，此次實(shí)測(cè)地點(diǎn)位于張家口市的赤城縣方家梁村，測(cè)量對(duì)象為一獨(dú)棟土坯房，實(shí)測(cè)對(duì)象如圖1 所示。

1.2 測(cè)量設(shè)備

具體內(nèi)容見（表1）。

表1 實(shí)測(cè)用溫濕度記錄儀基本參數(shù)（表格來源：作者自繪）

1.3 實(shí)測(cè)對(duì)象

實(shí)測(cè)對(duì)象為一單層的土坯房（圖1）。圍護(hù)結(jié)構(gòu)為粘土制成的土坯，上部圍護(hù)結(jié)構(gòu)為普通青瓦，背靠土坡，獨(dú)立結(jié)構(gòu)，坐北朝南。東西方向?yàn)槿g，自西向東分別為臥室1、客廳、臥室2，寬度分別為2.3m、2.25m、2.3m。房屋為拱形結(jié)構(gòu)，前檐口距地面高2.55m，頂部高3.47m，后部檐口距地面高1.7m，南北存在高差。房屋內(nèi)分為三間，墻體厚度為0.66m。臥室1 內(nèi)部有高度為0.7m 長(zhǎng)1.7m 寬2.3m 的火炕，房間靠南有一寬1.3m 的窗戶，臥室門為寬度0.6m 的木質(zhì)門，房間背面墻體無門窗，正門為南面正中間的寬度1.0m 高度2.35m 的木質(zhì)門。此次實(shí)測(cè)選取無人居住的臥室1 為測(cè)試對(duì)象。

圖1 實(shí)測(cè)土坯房（圖片來源：作者自攝）

1.4 測(cè)點(diǎn)布置

實(shí)測(cè)內(nèi)容為室內(nèi)外溫度及濕度，數(shù)據(jù)記錄為每分鐘一次?？紤]到此次實(shí)測(cè)目的是探究土坯房?jī)?nèi)部溫濕度變化情況，同時(shí)探究土坯墻作為圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱工性能，此次實(shí)測(cè)一共布置了8 個(gè)測(cè)點(diǎn)，其中4 個(gè)測(cè)點(diǎn)位于室內(nèi)，4 個(gè)測(cè)點(diǎn)位于室外，具體布置如圖2 所示。

圖2 實(shí)測(cè)測(cè)點(diǎn)布置圖（圖片來源：作者自繪）

2 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)及分析

2.1 室內(nèi)外溫度對(duì)比

本次測(cè)試中測(cè)點(diǎn)1、2 分別測(cè)試的是室內(nèi)外溫濕度，從1 月9 日開始為期三天。本文選取從1 月10 日0 點(diǎn)開始到1 月12 日0 點(diǎn)結(jié)束的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，并更加直觀地對(duì)室內(nèi)外溫度進(jìn)行了逐時(shí)對(duì)比（圖3）。

由圖3 可知，在絕大多數(shù)時(shí)間內(nèi)，室內(nèi)溫度均高于室外溫度。再對(duì)室內(nèi)外平均溫度進(jìn)行對(duì)比：1 月10 日室內(nèi)平均溫度為-6.04℃，室外平均溫度為-10.4℃；1 月11 日室內(nèi)平均溫度為-6.95℃，室外平均溫度為-12.61℃——兩天室內(nèi)外平均溫度差值均大于4℃。由此可知，由于土坯墻及屋頂?shù)谋馗魺幔覂?nèi)溫度能夠保持一個(gè)相對(duì)高于室外的水平。

圖3 室內(nèi)外溫度對(duì)比（圖片來源：作者自繪）

2.2 室內(nèi)外墻體溫度對(duì)比

為了測(cè)試土坯墻在嚴(yán)寒地區(qū)冬季的熱表現(xiàn)，分別對(duì)測(cè)試對(duì)象的三面外墻的室內(nèi)外溫度進(jìn)行了測(cè)試，對(duì)相鄰測(cè)點(diǎn)處內(nèi)外測(cè)點(diǎn)進(jìn)行兩兩對(duì)比分析。

如圖2 所示，西墻室內(nèi)外溫度測(cè)點(diǎn)分別為測(cè)點(diǎn)3、4，北側(cè)墻體室內(nèi)外溫度測(cè)點(diǎn)分別為測(cè)點(diǎn)7、8，南側(cè)墻體室內(nèi)外溫度測(cè)點(diǎn)分別為測(cè)點(diǎn)5、6。測(cè)點(diǎn)測(cè)試的是墻體內(nèi)外側(cè)的表面溫度，測(cè)點(diǎn)緊貼墻體表面。分別對(duì)所得數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，選 取 從1 月10 日0 點(diǎn) 到1 月11 日24 點(diǎn) 兩 天的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果如圖4、圖5 所示。

由圖4 可知，墻體外側(cè)表面溫度僅在中午時(shí)由于太陽輻射的影響短時(shí)間高于墻體內(nèi)側(cè)溫度，總體上墻體內(nèi)側(cè)溫度均高于墻體外側(cè)溫度，再對(duì)墻體內(nèi)外側(cè)表面平均溫度進(jìn)行分析：10 日墻體內(nèi)側(cè)平均溫度為-6.58℃，墻體外側(cè)平均溫度為-10.66℃；11 日室內(nèi)平均溫度為-7.29℃，室外平均溫度為-11.4℃——10 日墻體內(nèi)側(cè)溫度高于外側(cè)4.08℃，11 日墻體內(nèi)側(cè)溫度高于外側(cè)4.11℃，體現(xiàn)了土坯墻具有一定的保溫隔熱性能。

圖4 西側(cè)墻體內(nèi)外側(cè)溫度對(duì)比（圖片來源：作者自繪）

如圖5 所示，南側(cè)墻體外側(cè)溫度整體上高于內(nèi)側(cè)溫度，且在溫度變化趨勢(shì)及溫度變化的范圍內(nèi)出現(xiàn)了較為一致的情況。測(cè)試期間，墻體內(nèi)側(cè)最高溫度出現(xiàn)在1 月10 日11 ∶45 左右，最高溫度為-3.5℃；最低溫度出現(xiàn)在11日3 ∶30 左右，最低溫度為-8.1℃；溫度變化范圍為4.6℃。測(cè)試期間，墻體外側(cè)最高溫度出現(xiàn)在10 日15 ∶30 左右，最高溫度為-1.5℃；最低溫度出現(xiàn)在11 日8 ∶10 左右，最低溫度-6.8℃；溫度變化范圍為5.3℃。從平均溫度來看，測(cè)試期間內(nèi)側(cè)墻體平均溫度為-6.1℃，外側(cè)墻體平均溫度為-5.05℃，與圖表所呈現(xiàn)的相一致。為了初步探究造成這種差異的原因，再次對(duì)三面墻體的外側(cè)溫度、內(nèi)側(cè)溫度進(jìn)行對(duì)比（圖6）。

圖5 南側(cè)墻體內(nèi)外側(cè)溫度對(duì)比（圖片來源：作者自繪）

由圖6 可以看出，南側(cè)墻體除11 日中午短時(shí)間內(nèi)外側(cè)溫度低于西側(cè)墻體0.3℃以外，其余時(shí)間均高于其他兩面墻體。這與三面墻體所受到太陽直射時(shí)間長(zhǎng)短有關(guān)：南側(cè)作為向陽面，受太陽直射時(shí)間最長(zhǎng)；西側(cè)墻體在下午可以受到部分太陽直射；北側(cè)墻體則無法通過太陽直射得熱。南側(cè)外墻太陽直射時(shí)間多于其他墻體，墻體蓄熱多于其他墻體，使得南側(cè)墻體外側(cè)溫度較高。

圖6 三面墻體外側(cè)溫度對(duì)比（圖片來源：作者自繪）

綜上，造成南側(cè)墻體外側(cè)溫度高于內(nèi)側(cè)溫度且變化范圍基本一致的原因可以初步確定為：

（1）南側(cè)墻體受太陽直射時(shí)間最長(zhǎng)，外側(cè)溫度明顯高于其他兩面墻體。

（2）南側(cè)墻體有窗戶，使得墻體內(nèi)側(cè)溫度受到外側(cè)溫度變化的影響變大。

3 室內(nèi)熱舒適評(píng)價(jià)

在實(shí)地測(cè)量中，我們對(duì)實(shí)測(cè)土坯房?jī)?nèi)的溫濕度進(jìn)行了記錄，為了能更具體地描述土坯房?jī)?nèi)的熱環(huán)境，結(jié)合熱舒適評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)該土坯房?jī)?nèi)的熱舒適進(jìn)行分析。

3.1 熱舒適評(píng)價(jià)指標(biāo)

目前已有的熱舒適評(píng)價(jià)指標(biāo)主要有有效溫度（ET）、標(biāo)準(zhǔn)有效溫度（SET）、預(yù)測(cè)平均投票值和不滿意度（PMV/PPD）等[5]。由于PMV 在室內(nèi)熱舒適研究中使用廣泛，本次熱舒適評(píng)價(jià)將采用PMV 指數(shù)對(duì)實(shí)測(cè)土坯房?jī)?nèi)的熱舒適進(jìn)行評(píng)估。

預(yù)測(cè)平均投票值（PMV）是應(yīng)用統(tǒng)計(jì)學(xué)將干球溫度、風(fēng)速、濕度、平均輻射溫度以及人體的新陳代謝、服裝熱阻等六個(gè)變量結(jié)合起來，而建立的熱舒適評(píng)價(jià)指標(biāo)[6]。根據(jù)《室內(nèi)人體熱舒適環(huán)境要求與評(píng)價(jià)方法》（GB/T33658-2017）[7]PMV 值的范圍在-3 ～3 之間。分別表示七種熱感覺（表2）。

表2 PMV 評(píng)價(jià)指標(biāo)（表格來源：作者自繪）

3.2 熱舒適評(píng)價(jià)與分析

3.2.1 參數(shù)確定

在計(jì)算PMV 值時(shí)需要的參數(shù)可以通過查閱相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)確定，本次測(cè)試環(huán)境確定且測(cè)試房屋內(nèi)居住的老人即為熱舒適評(píng)價(jià)的對(duì)象，再結(jié)合《室內(nèi)人體熱舒適環(huán)境要求與評(píng)價(jià)方法》（GB/T33658-2017）[7]確定相關(guān)參數(shù)。

由于測(cè)試時(shí)間為冬季且結(jié)合當(dāng)?shù)貧夂?，服裝熱阻為2.55m2·℃/W；實(shí)測(cè)房屋內(nèi)居民為一老人（92 歲），人體代謝率為58W/m2；室內(nèi)風(fēng)速約為0.1m/s。

3.2.2 熱舒適評(píng)價(jià)

根據(jù)PMV 計(jì)算公式，將確定的參數(shù)帶入，并運(yùn)用Matlab 進(jìn)行相關(guān)函數(shù)的編寫，確定實(shí)測(cè)溫、濕度為變量，輸入相關(guān)函數(shù)，得到不同時(shí)間段內(nèi)室內(nèi)PMV 值（圖7）。

圖7 室內(nèi)PMV 值（圖片來源：作者自繪）

結(jié)合表2 及圖7 可以看出，在實(shí)測(cè)過程中，該實(shí)測(cè)房屋內(nèi)PMV 值在-3 ～-2.6 之間變化，即預(yù)測(cè)熱感覺介于涼和冷之間（-2.6 ～-3），且在大部分時(shí)間內(nèi)趨近于冷，表明該房屋室內(nèi)熱環(huán)境需要改善。

結(jié)語

本文通過對(duì)河北省張家口市方家梁村某土坯房進(jìn)行冬季室內(nèi)熱環(huán)境及土坯墻體內(nèi)外側(cè)的溫度實(shí)測(cè)，進(jìn)而借助PMV 公式得到土坯房?jī)?nèi)的熱舒適情況，以此反映嚴(yán)寒地區(qū)冬季該土坯房?jī)?nèi)的熱環(huán)境情況，得到的結(jié)論如下：

（1）從室內(nèi)外溫度對(duì)比可以看出，室內(nèi)溫度總體上高于室外溫度，室內(nèi)平均溫度高于室外平均溫度4℃以上；室內(nèi)外溫度變化趨勢(shì)較為一致，但室內(nèi)最大溫差遠(yuǎn)小于室外最大溫差，不足室外最大溫差的20%。由此可見，土坯房具有一定的保溫隔熱性能，在沒有室內(nèi)熱源的情況下，保證了室內(nèi)溫度高于室外溫度。

（2）通過對(duì)土坯墻內(nèi)外側(cè)溫度變化情況的對(duì)比，墻體內(nèi)側(cè)溫度總體上高于外側(cè)溫度，墻體內(nèi)側(cè)平均溫度高于墻體外側(cè)約4℃；墻體內(nèi)外側(cè)溫度變化趨勢(shì)基本一致，但墻體內(nèi)側(cè)溫度變化范圍小于外測(cè)溫度變化范圍，約為外側(cè)溫度變化范圍的10%。由此可見，土坯墻對(duì)室外溫度變化具有一定的消減作用，保證了墻體內(nèi)側(cè)及室內(nèi)溫度的穩(wěn)定。

（3）將實(shí)測(cè)溫濕度與PMV 公式相結(jié)合，得到實(shí)測(cè)土坯房?jī)?nèi)部的熱舒適情況，該實(shí)測(cè)房屋內(nèi)PMV 值在-2.6 ～-3 之間，即預(yù)測(cè)熱感覺為冷。表明該房屋內(nèi)的熱環(huán)境需要改善。因此，本文通過實(shí)測(cè)，對(duì)嚴(yán)寒地區(qū)土坯房?jī)?nèi)居住者的熱舒適進(jìn)行研究，為提高農(nóng)村土坯房的熱舒適水平提供了數(shù)據(jù)支撐。