国内外生土建筑热工性能研究

梁高亮

（三峡大学，湖北 宜昌 443002）

0 前言

自20 世纪开始，科学技术发展迅猛，人们很难不注意到科技文明在给人类带来优质生活的同时，也带来了一些不良性的后果：①剧烈的人类建设活动使生态环境遭到破坏，同时，建设的不稳定发展也没有为人类的生活条件带来良性影响；②剧烈的人类建设活动加速地球的资源消耗，这种不易控制的资源消耗为人类的生存环境带来危机。人类逐渐在这些不可动摇的显示面前意识到，在物质享受的同时，伴随着生活环境的恶化，这种发展模式不仅仅牺牲了自然界，同时也牺牲了巨大的经济利益，最严重的是它成为生物物种在地球上赖以生存的重大威胁。

现代建筑主要由新材料制成，如钢筋混凝土，玻璃或塑料。这些材料在形成时会消耗一定量的能源，并释放出大量的污染气体。在后来的机械化施工和建筑围护结构和维护中，甚至是在建筑物的使用寿命结束时，处理垃圾也会消耗能源并释放污染物。消耗的大量能源将导致二氧化碳浓度增加，这将导致全球变暖。废气排放将导致空气污染和水污染，这将导致生态危机。从可持续发展和低碳生活的角度来看，现代建筑并不符合绿色建筑发展的概念。

作为一种古老的传统建筑，凭借其节能环保的建筑材料，较低的制造成本和出色的热工性能，生土建筑引起广泛关注。同时，生土建筑被认为是解决环境污染问题的有效方法。鉴于此，生土建筑在学术界的定位开始被重新界定，学者们期许能够从生土建筑中找到灵感，从建筑的角度出发解决当下环境污染的问题。因此，对传统生土建筑的研究就显得尤为重要。我们需要做的事情有三：①系统分析传统生土建筑的研究路线；②总结其研究过程；③积极寻求生土建筑未来的发展趋势。

1 生土建筑的概念

生土建筑主要是指使用非煅烧土壤（例如粘土、沙子等）或简单地以未受加工的土壤为主要材料，辅以木材、石材等天然材料来构建建筑物的基本结构[1]。现代生土建筑主要以土壤为基础，通过自然环境，如不同的地形和气候，用于确定土壤的可用性，并实现更高水平的环境设计。使用生土材料的历史始于新石器时代，距今已有7000 多年的历史。因此，生土建筑无疑是所有类型建筑的起源，这些建筑通常分布在拉丁美洲、南亚次大陆、非洲、亚洲、中东和南欧。在我国许多地区的城市以及广大的农村地区，生土建筑结构仍占主导地位。中国的生土建筑可以分为两大类：一个是原生的生土建筑，例如窑洞、洞穴、石窟等；另一种是指土木混合结构建筑，建筑物的支撑和保持结构由未经处理的土壤和木质部件组成。

2 关于生土建筑的国内外研究现状

2.1 国外研究现状

生土建筑热工方面的研究一直以来也是各国学者研究的重点内容。很大程度上来说，国外学者在研究生土材料作为围护结构的建筑时，往往从围护结构的传热入手。从20 世纪60 年代开始，关于围护结构传热过程的研究不断发展，从最初的稳定传热计算逐渐发展到利用周期性不稳定传热法进行计算。在研究墙体传热过程应用的蓄热系数法首先是由美国Carrier 公司于1965 年提出来的。

在国外，许多高校都陆陆续续建立了相关研究室，如美国堪萨斯州立大学、丹麦哥本哈根工业大学等，研究室主要研究人体感觉。同时研究例如环境辐射温度、空气温湿度、气流速度等一些物理参数对人体感觉产生的影响。上述四项室内热环境参数在丹麦工业大学的教授Fanger 的整合下，再联系其他个体因素，例如服装热阻、人体新陈代谢率等，终于在1976 年时，提出尽人皆知的热舒适方程。根据此次研究成果，国际标准组织（ISO）制定了ISO7730 标准，确定了适中的热环境——PMV 与PPD 指标，同时也确定了热舒适条件。基于此，室内热环境的综合评价指标直接由PMV-PPD 指标担任。自此之后，ASHRAE55-74 标准应运而生。此标准的问世，是由美国ASHRAE 经过一定量的试验后，在得出的大量关于室内环境热舒适条件的数据基础上制定的。ASHRAE 对围护结构传热过程的计算方法改进，通过热平衡方法（Heat Balance Method）和辐射时间序列方法（Radiant Time Series Method），计算建筑的采暖负荷和空调设计冷负荷。随着现代计算机处理功能的强大，对围护结构传热过程的分析和求解也更加精确、快捷。围护结构非稳态传热过程的研究方法主要包括：限差分法、谐波反应法、反应系数法、z 传递函数法和频域回归法等。

2.2 国内研究现状

在我国，也有许多高校的专家学者致力于研究生土建筑。生土建筑热湿环境一直是西安建筑科技大学闫增峰教授团队的主要研究对象，该团队主攻生土墙体的传热传湿，他们的主要工作是室内热环境分析。以大量研究和实验的为现实基础，该团队不懈地研究生土建筑围护结构表面质交换系数，在不断测算中总结出了一套实用的测试方法。由于生土围护结构传湿过程具备十分复杂的特点，故需要通过大量实验将生土墙体表面吸湿、放湿过程中试块质量随时间变化的关系记录下来，在此基础上，生土建筑围护结构表面吸放湿过程质交换系数才能够被确定，这不仅对生土建筑的热工性能研究有帮助，同时也有助于其他民居建筑室内热湿环境的研究。

生土建筑设计一直是清华大学朱颖心团队的研究课题之一，在他们的研究过程中，为了指导现代生土建筑设计思路对本土气候条件和自然环境的适应性模型，他们去到安徽省查济村实地考察，并对当地的典型传统民居进行了实地测试，并采用DEST 模拟分析，最终得出结论。安徽省查济村的气候有着昼夜温差相差大的特点，以最普遍的传统民居为研究对象，在白天，其天井利用热压通风原理使室外热量流入室内的效应得到有效抑制；在夜间，利用自然通风原理有效促进室内的热量向室外散播，从而达到降低室温的效果。故结合当地建筑自身条件，其外部围护结构材料的热阻大到一定数值，且热惰性小到一定数值时，能够达良好地抑制白天室内升温过快的效果，与此同时还能够加速夜晚降温。

郁文红采用有反应系数法、谐波反应法、有限差分等方法对复合墙体非稳态热工性能进行计算。对比几种研究方法的差异，对复合墙体的逐时传热量、逐时内壁温度、衰减倍数、延迟时间、离散型传热反应系数等进行计算。在此基础上对墙体（以复合墙体为主）的保温隔热效果进行对比分析，同时进行节能效果分析。对生土材料的研究具有重大启示。

杨艺等人同样采用数值计算的方法分析了建筑墙体的材料与厚度对墙体时间延迟及削弱衰减作用的影响。通过控制变量的方法，设置不同墙体材料使之具有不同的导热系数，热容和墙体厚度来分析墙体内壁温度的变化。分析墙体结构具有的传热特性，为科学合理的设计生土节能墙体提供依据。

此外，国内学者针对不同的保温形式和不同的保温材料对室内热环境的影响做了大量的研究。王厚华等人针对墙体不同的保温形式、保温材料厚度、保温材料差异和主体墙体结构不同的情况，建立物理数学模型，计算墙体材料及墙体构造的热物理特性。王海燕在研究复合墙体非稳态导热时采用相似理论的方法。即通过求解格林函数来探究复合墙体的非稳态传热过程，提出能够表征墙体各层材料排列次序不同的热结构因子来完善对墙体热工特性及能耗的全面分析。应用能耗分析软件进行能耗模拟结合现场测试对节能建筑采暖能耗进行分析。其研究结果对生土建筑节能工作的指导、实施与展开起重要的参考价值。

3 结语

生土是一种古老的建筑材料，从建筑节能的角度上来说，又焕发着青春的气息。在新时代大力推动生态文明建设和乡村振兴的大背景下，生土建筑不仅能够担任起留住家乡记忆、烘托乡愁氛围的角色，同时在乡土建筑的舒适性和环保可持续方面，都将取得更广阔的发展机遇。

众多专家学者，不仅限于国内学者，在很长一段历史进程中，对于生土建筑及生土材料研究的热衷是有目共睹的，国内外学者在生土建筑研究上做出的辛勤努力，推动其在全新历史条件下的研究工作不断进步，使得生土建筑材料技术在改性生土建筑材料性能提升的研究不断推进，满足实际工程应用的工作越来越顺利。有关生土建筑热工性能的研究工作，众多国内外专家学者进行了奋力的探索与不屑的实践，奠定了生土建筑良好的发展基础，同时，也为广大专家学者在对生土建筑热工性能的研究工作提供了参考。