豫西地区生土民居热湿环境分析及节能改造研究

卢文靖+朱佳音

摘 要：以河南省巩义地区的生土民居为研究对象，通过对其夏季典型日室内热湿环境进行实测，定量地评价和分析了生土窑洞的室内外热湿环境，揭示了窑洞的保温隔热性能方面的优点及其在采光通风等方面的缺点，在此基础上，探讨了被动式节能改造措施在豫西地区传统民居的应用，从强化自然采光，加强除湿等方面提出被动式节能改造策略。

关键词：窑洞；热湿环境；节能改造；防潮除湿

0 引言

生土窑居广泛存在于黄土高原平原地区，随着城镇增长进程的推进，豫西窑洞民居的生存和发展受到了极大的阻碍，独有特色的黄土窑洞在河南西部的黄土高原及丘陵地区正逐渐消失，而窑洞民居中的文化内涵正在淡化。窑洞具有冬暖夏凉的特点，但由于传统的生土民居都是广大乡村居民根据自行设计建造的，缺乏科学的理论指导，难免存在着室内采光不足、通风不畅等缺陷，而很多居民因此也将生土房归为贫困落后的象征，近年来，随着人民生活水平的不断提高，人们对居住环境也有了更高的要求，传统的窑洞已经难以适应现代生活的需要，很多居民开始抛弃这种传统的居住方式。本文以河南省巩义市传统民居为代表，通过对其室内外环境实地监测，分析其环境特征，找出其存在的问题，通过理论对比分析，对其提出合理的改善建议，希望能够对生土民居的环境改善起到引导和借鉴的作用。

1 传统民居热湿环境实测

1.1 测试概况

测试目的：通过实际测量，对比砖混建筑及生土窑居在冬夏两季的热湿环境差异，分析窑洞的优缺点，为之后的再生设计提供依据。

测试地点：测试地点位于河南省巩义市，选择同一地区不同年代的两个建筑进行对比，即砖混建筑和生土窑居。

测试时间：2016年8月29日-9月23日

测试内容：包括室内外温湿度，围护结构壁面温度及热流，测试内容及仪器参见表1-1.

1.2 测点布置

1）砖混

砖混建筑共布置了10个测点。其中溫湿度测点共4个，杂物间、客厅、卧室2以及院内各1个；温度测点共5个，分别布置在建筑的东、西、南、北内墙以及南外墙；热流测点共一个，布置在北外墙。

2）窑洞

窑洞共布置了17个测点。其中温湿度测点共7个，1号、2号、3号窑洞及院内各布置1个，3号窑洞沿进深方向布置3个，每点分别距门0.8m，4.2m，6.0m；温度测点共7个，分别布置在3号窑洞的东、西、南、北内立面以及3号窑洞的南外立面、窑顶、地面；热流测点共3个，分别布置在2号窑洞的北内立面、3号窑洞的北内立面和西内立面。

具体建筑对比图及测点布置图见图1～3

2 测试结果分析

2.1 空气温度

分析图1可知，当室外温度波动幅度较大时，窑洞各个房间室内温度波动幅度较为平缓，且波动幅度基本相同。从整体上看，窑洞对温度的波动具有衰减作用，并且各房间室内温度均维持在25℃左右，其围护结构具有良好的保温隔热的性能。局部微小波动可能与人的活动有关，如下午1点左右，4号窑洞室内温度有微小的下降，与人的生活起居等各方面习惯有关。一般情况下，3号窑洞（厨房）的室内温度在中午12点左右会有所波动，但我们发现，图中3号窑洞在这个时段温度较为平缓，分析可知，3号窑洞的测点布置在距门5.5m，沿进深2/3左右的位置，由于当地人在做饭期间会习惯性的打开门窗进行通风，带走多余的热量，因此窑洞内部温度波动较小。

2.2 壁面温度

3号窑洞内外墙壁面温度如图所示，对比分析知，南外立面温度最高，南内立面温度次之，其他壁温变化趋势及大小相近，为最低。分析知，南外立面暴露在室外高温空气中，受太阳辐射的影响，白天表面最高值达到了40℃左右，但是南内立面壁面温度依然只有25℃左右，而且南内立面壁面温度峰值出现时间晚于南外立面约7h，这说明墙体具有较大的蓄热能力；东内墙和西内墙的另一表面均与相邻窑洞的室内空气相接触，不接受太阳辐射，窑顶、地面、北内立面与无限厚的土层相连，土层深处具有恒温特性，所以这五者的壁面温度较低。由此可见，生土良好的热工性能是窑洞实现冬暖夏凉的主要原因。

2.3 相对湿度

分析图观察到，当室外湿度波动幅度较大时，在一天24h内，砖混和窑洞室内湿度均相对稳定，维持在60%～80%之间，这是由于围护结构对室内具有一定的湿调节能力。

夏季该地区的室外相对湿度在37.5%～80%之间波动，平均为60.7%；砖混的空气湿度在61.8%～70.1%之间波动，平均为68.2%，比室外高出7.5%，规范中规定室内达到舒适性的相对湿度应为30%～70%，该砖混民居的相对湿度满足这一要求；窑洞的室内湿度在59.5%～74.4%之间波动，平均为70.7%，比砖混民居大2.5%，比规定的室内舒适相对湿度上限还要大0.7%.所测试的窑洞湿度较大主要是因为室内的通风效果差，综合来看，我们在之后的再生设计中应着重考虑窑洞的防潮除湿方面。

3 被动式节能改造策略

针对前文的热湿环境分析，发现生土民居虽然有着良好的保温隔热性能，但它同时存在着通风采光等方面的缺点。因此，我们提出了提下几个对策。

3.1 建筑防潮除湿

生石灰是一种良好的干燥剂，多雨回潮季节，可将生石灰放人木箱或纸箱内，加盖后放于床下或屋角，若天气十分潮湿则可打开盖子，并适当关闭门窗。由于生石灰用量过少达不到预期的效果，用量过多则使窑洞内相对湿度过低，舒适度难以得到保证，另外，生石灰在吸收空气中的水分时引起的化学反应会放出热量，使窑洞温度升高，同样不利于环境的舒适性，所以只有正确地把握生石灰的剂量，才能达到预期效果[1][2]。

Ca（OH）2生石灰主要成分是CaO，一般含量85%～92%，吸潮后成为熟石灰，主要成分是Ca（OH）21公斤生石灰能吸附空气中大约250g到300g的水分，市面上3元每公斤左右。如下对使用生石灰的用量和经济性进行分析：

1）计算窑洞大概容积V=3m×7.8m×3m=70 m?；

2）计算出夏季窑洞内平均温度为25℃，平均相对湿度是75%时，绝对湿度是27.5g/ m?；

3）求出当窑洞内相对湿度达到65%时绝对湿度是24.6g/ m?，则需除去的水蒸气质量 m=（27.5-24.6） ×70=203g；

4）求窑洞内相对湿度达到65%时，共需吸潮去湿所用生石灰的重量：

已知每公斤生石灰可吸水分250到300克，以其吸潮率為250g/kg计算

203g÷250g/kg=0.8kg

分析可知，使用0.8公斤、2.4元生石灰就可以将该窑洞内的相对湿度从75%降到60%，且实际生活中容易购买得到，性价比也较高，可以考虑实施到窑洞中进行夏季的防潮去湿。

3.2 采光

为改善采光效果，将窑洞窗口改为满堂玻璃联窗，为了保温，选择双层窗或双层中空玻璃窗。将窑洞门口室外墙体入口改造为斜型，增加太阳的有效照射面积。并可扩大窗墙比，将原窑洞中的窗户扩大，改善室内采光不足的缺点。另外，由于在相同面积条件下，下窗沿越高进深深处的照度增加越多，将原窑洞中的下窗沿统一向下降100mm，提高反射光线在总照度中的比例[3]。

4 结论

通过对豫西地区生土民居进行热湿环境分析，生土民居热湿环境特点体现为：，当室外温度波动幅度较大时，窑洞各个房间室内温度波动幅度较为平缓，且波动幅度基本相同。从整体上看，窑洞对温度的波动具有衰减作用，并且各房间室内温度均维持在25℃左右，其围护结构具有良好的保温隔热的性能。而夏季室内湿度一直保持在较高的状态，其平均湿度可大70.7%，高于规定的室内舒适相对湿度上限。所以夏季控制室内相对湿度是节能改造的关键。体现为利用除湿干燥剂，加强室内通风等。

通过对豫西地区热湿环境进行实测与分析，为当地民居气候适应性节能改造提供了理论依据。本文对于生土民居所存在的通风采光，除湿防潮等方面存在的问题，有针对性的合理的提出了设置利用除湿干燥剂，墙体结构优化等方面提出了适应性的被动式节能设计策略。

参考文献

[1]谢浩，杨楚屏.优化防潮设计改善建筑环境[J].哈尔滨工业大学学报.2003，35（10）：1264-1266

[2]陈启高，陈永成，温永玲，冯雅.民居窑洞防潮新方法的研究[J].地下空间与工程学报.1989，9（4）：66-70

[3]张献梅，郭兆儒，王晓艳.豫西地坑院建筑及再生技术研究[J].工业建筑，2014，44（8）：61-64

作者简介

卢文靖，郑州大学土木工程学院，建筑环境与能源应用专业。

指导教师

朱佳音，女，博士，郑州大学土木工程学院讲师。