豫西地区地坑院室内热环境分析与改善策略——以三门峡市人马寨村地坑院为例

刘家汝，崔明辉， 陈伟莹， 毕 昕， 周 园

(1.河南省科学院 地理研究所，郑州 450052； 2.郑州大学 建筑学院，郑州 450001)

0 引言

地坑院作为一种典型的生土建筑形式，具有冬暖夏凉、隔音隔热、抗压防震等特点，其独有的地下窑院形式构成了特有的顺应自然和因地制宜的人居聚落环境。但是，随着当前城镇化进程的推进，承载着黄土高原地域文化的传统村落正在遭受不同程度的破坏[1]。同时，地坑院自身存在采光通风差、室内潮湿等舒适度不佳的问题，越来越难以适应现今的居民生活需要，相当一部分的村落和民居出现空置和废弃，成为传统地坑院走向衰落的主要原因之一。

目前,针对地坑院的研究主要集中在历史文化与传统风貌[2]、聚落格局与空间形态[3-6]、建筑构造与营建技艺[7-9]、文化传承与旅游开发模式[10-11]等方面。在研究方法上有利用建筑信息模型技术进行地坑院参数分析[12-13]，也有利用软件模拟进行窑内采光情况分析[14]，研究视角逐渐多元化。

随着美丽乡村建设的逐步推进，近年来针对地坑院人居环境和节能改造的研究也日趋增多。但多数研究以现场实测与性能分析[15-18]、建筑节能改造技术探讨[19-20]为主，缺乏对改造效果的模拟对比分析和研究。

本研究通过现场实测及模拟分析方法，定量分析地坑院的室内热环境，并通过节能技术手段改善窑居条件，继而加以模拟验证，以期为传统民居地坑院的居住环境改善研究提供理论思路和数据支持。

1 研究对象及方案

1.1 研究对象

地坑院是我国黄土高原地貌环境下独具地方特色的生态民居，被称为中国北方的“地下四合院”。地坑院是在平坦地面挖土而形成的庭院和窑洞空间，窑洞按照使用功能不同分为主窑、客窑、厨窑、厕窑、门洞窑等类型。三门峡陕州区人马寨村是首批河南省传统村落，其北依山地，东、西、南三面为平原，村内保留有大量完好的地坑院，最久远的已有上百年历史。此处建筑气候分区属于寒冷地区，四季分明，冬季寒冷干燥，以西北风为主，夏季炎热多雨，以东南风为主，最冷月平均气温-0.1 ℃，最热月平均气温28.1 ℃[21]。

研究对象为人马寨村相邻的两处维护较好且居民仍在使用的地坑院(图1)。西侧地坑院为王宅1，有10孔窑洞，内院南北长12.3 m，东西宽8.3 m。东侧地坑院为王宅2，有9孔窑洞(3孔南向窑洞已塌)，内院南北长15.5 m，东西宽10.1 m。地坑窑洞跨度为3 m，进深为6～8 m。窑内拱顶高2.8 m，上覆黄土2.2 m。外墙窑隔材料为260 mm夯实黄土，窑隔内收300～500 mm，形成自然雨篷。窑洞室内外墙壁均为麦秸泥刷糊，加强气密性的同时增加了防水效果。窑脸门框上部由砖石砌成拱券形式，每个窑洞门均为双扇平开木门，在门框的左右两侧和上方设有不可开启的木格栅窗，窗内封半透明塑料布或仅用纸糊。院内地面距离窑顶地面 5 m，与地面出入口通过台阶步道连通。

图1 地坑院王宅1和王宅2现状及平面图

1.2 测试方案

分别在夏季大暑日和冬季大寒日前后，利用HOBO温湿度数据记录仪，对室内不同位置以及窑洞内外壁面进行测量(上述时间段无极端恶劣天气影响，属于该地区夏季和冬季典型气候)。测量数据包括室内空气温度、相对湿度和室内外壁面温度。室内温湿度数据记录仪的摆放位置如图1所示，夏季王宅1有A，B，C，D4个测点(王宅1南向正中房间无人居住且常年落锁，故而选择房间1布置测点)，分别为4个不同朝向的窑洞，用以测试太阳辐射对室内热环境的影响。冬季王宅1有A，B两个测点，王宅2有G，H两个测点。测点均位于室内中部(距地面1.2 m处，距墙壁超过0.5 m)，能够反映出室内平均水平。壁面温湿度数据记录仪安装在房间入口处，两个探针穿过门框上方分别粘贴于墙壁内外表面。数据记录仪每15 min记录一次数据，测试周期内室内无人工通风及采暖降温设备。冬季数据记录时间为2021年1月18日14：00至1月19日14：00，当日天气为晴天，气温-2～6 ℃，偏东风2级；夏季数据记录时间为2020年8月4日17：00至8月5日17：00，当日天气为阴天，气温25～30 ℃，南风。测量过程中居民仍然在正常生活使用，因此，测量数据具有实际意义。

2 测试结果与分析

2.1 室内温度

室内温度为实地测量所得，室外温度数据来源于三门峡气象局官网。在测试周期内，通过对比室内外平均温度(图2，表1)，可以明显看出地坑院具备冬暖夏凉的优点。室内空气质量标准规定，夏季适宜的室温为22～28 ℃，冬季为16～24 ℃[22]。由于农村生活条件及生活习惯的影响，在农村居住建筑节能设计标准中规定，冬季室内计算温度应取14 ℃[23]。实测结果显示，地坑院夏季窑内温度全天均处于23～28 ℃之间，满足人体舒适的温度范围。冬季室内温度总体看来更为稳定，室内最低温度明显高于室外，最高温度室内外较为接近。但与设计标准要求相比冬季室内温度依然过低，需要采取保温和采暖措施。

通过对比数据，图2b显示冬季室内平均温度王宅1A点高于王宅1B点，其朝向分别是南向和北向。因南向有阳光直接辐射，北向房间室内温度要偏低一些，且冬季温差比夏季要大，体现出太阳辐射对室内空气温度的直接影响。在图2a中，A点虽处于南向房间内但因其仅有外门处可接受太阳辐射进行热交换，夏季室内温度最低。结果表明，窑洞朝向和接受日照面积是影响其室内温度的重要因素，且朝向对室内温度的影响在冬季比夏季更加明显。

2.2 室内相对湿度与风速

根据民用建筑热工设计规范规定，夏季适宜的室内相对湿度为60%左右，冬季适宜的室内相对湿度为30%～60%[24]。图2c和图2d所示实测结果表明，测试周期内，夏季窑洞室内空气相对湿度平均约为90%，最高可达94%，远高于标准中夏季人体热舒适要求的范围。而冬季窑洞室内空气相对湿度在30%～55%，平均为47%，可以满足冬季人体热舒适需求。

图2 冬夏两季室内空气温度、相对湿度和围护结构壁面温度

受地坑院下沉式布局影响，室外风到达地坑院的院心时, 风速已经降低到1 m/s以下，进入室内的风速则更为微弱。根据夏季现场实测风速，王宅1院内风速只有0.2～0.3 m/s，而在房间2门口测得的风速低于0.1 m/s，无法满足空气质量标准中规定的夏季室内风速0.3 m/s的人体热舒适需求[22]。而室内环境封闭，与外界的连通洞口面积有限，空气流动不佳，正是窑洞室内相对湿度过高的主要原因。尤其在夏季，窑洞室内外温差较大，在窑内壁面和角落等部位特别容易结露产生湿霉菌。结合实地走访和问卷调研，居民对夏季窑内湿度过大引起的不适颇有微词。尤其在农村空心化严重的当下，大多数窑洞均为留守老人居住，内部过于潮湿成为其体感不佳和风湿等关节疾病的主要原因。

表1 室内外空气温度对比 ℃

2.3 围护结构壁面温度

如图2f所示，在测试周期内，冬季王宅1的房间1围护结构外表面温度为1.5～6.9 ℃，围护结构内表面温度为3.0～4.6 ℃，室外壁面昼夜温差达到5.4 ℃，室内同期壁面温差为1.6 ℃。王宅2的房间6围护结构外表面温度为0.6～5.3 ℃，围护结构内表面温度为5.4～5.6 ℃，室外壁面昼夜温差达4.7 ℃，室内同期壁面温差仅为0.2 ℃。如图2e所示，夏季窑内壁面温度较之室外也更为稳定。测试数据表明窑内气温变化受外界影响较小，室内热环境相对稳定，地坑窑洞具有良好的保温蓄热性能。

值得注意的是，房间6为北向窑洞，因得不到阳光直接辐射，其冬季室外壁面温度值最低。房间1为南向窑洞，室外壁面温度较房间6稍高，但其冬季室内壁面平均温度却低于房间6将近2 ℃。经现场查验发现，房间6入口在木门外还附有一道隔扇门，且门窗周围和窑隔下半部分砌出一层砖；而房间1木门外边仅有一层极薄的门帘，且门框和墙体连接处存在裂缝，因此，房间6外围护结构的保温和气密性整体优于房间1，冬季室内温度更高。由此表明窑洞的围护结构气密性最薄弱的地方就在于窑隔，特别是门窗部位，提高其气密性是改善房间保温效果的重要措施。

3 地坑院室内热环境改造方案

通过上述分析，可以发现地坑院存在的主要问题是房间内缺少空气对流，导致夏季湿度偏高；冬季室内温度虽高于室外，但依然达不到满足人体热舒适需求的室内温度，仍有较大的提升空间。因此，地坑院室内热环境的优化可以从改善室内通风状况和提升保温措施等方面入手。经走访调研可知居民大多选择正中窑洞作为主窑和卧室使用，王宅1南向正中窑洞为户主留给在外务工儿子的婚房，故而户主常年居住于北向中窑即房间2内。数据表明所有测试房间中房间2冬季室温最低，夏季湿度平均值超过90%，室内热环境问题更为突出，因此，选取王宅1房间2进行室内热环境优化改造。

3.1 模型建立与验证

数据模拟采用绿建斯维尔软件。对王宅1进行实地测量之后，根据测量获得的详细数据在SketchUp中绘制地坑院的三维模型，然后将模型导入绿建斯维尔软件中进行三维模型的创建和模拟，最终将模拟结果与实测数据进行对比。

冬夏季典型日室内温度实测值与模拟值对比如图3所示。夏季实测和模拟数据接近，且变化趋势一致，均为14：00点左右开始逐步攀升，20：00之后开始缓慢下降。冬季，实测和模拟数据多数时间比较接近，实测温度在12：00—16：00存在陡升陡降的情况，分析原因为居民在这一时间段在房间内存在生火做饭等室内活动，对冬季的室内温度影响较大。软件模拟无法准确模拟住户的生活习惯(如生火做饭、开窗通风等行为)，因此，模拟数据整体变化趋势较实测数据来看更为稳定。经过计算得出，冬季实测数据平均值2.07 ℃，冬季模拟数据平均值1.97 ℃，相对误差为4.8%；夏季实测数据平均值28.59 ℃，夏季模拟数据平均值27.29 ℃，相对误差为4.5%。就冬夏季总体趋势和变化幅度而言，软件模拟温度与实测温度相对误差均小于5%，在工程计算允许误差范围内，证明本研究所采用计算模型正确。

图3 冬夏季典型日室内温度实测值与模拟值对比Fig.3 Comparison of measured and simulated indoor temperature in typical winter and summer days

3.2 通风改造

地坑窑洞仅有窑隔一个面通向下沉窑院，且窑隔处窗户多为封闭的不可开启窗扇，其室内通风主要依靠外门以及窑隔上部的开口较小的通风孔。窑内一般不设通风孔，部分地坑院屋顶的开孔多为排烟烟道。因此，地坑院室内缺少空气流动，无法形成穿堂风，室内潮湿阴暗，通风效果不佳，亟需改善。

3.2.1改造方案。地坑院独特的布局形式使其无法在窑洞后部开窗，因此，窑洞室内风环境的改良措施主要为在窑顶上端设置直通地面的通风井道、换气扇和窑隔处附加送风口。改造原理如图4所示。

图4 地坑窑置入通风井和送风装置原理

3.2.2材料选择。选取价格低廉且市场易购的材料作为改造的主要选材，以便于农村改造推广工作的推进。为减少通风井内黄土脱落以及增强土体的稳定性，选用质量轻、耐腐性能好、绿色环保的PVC-U管作为通风井的材料。选用可直接连接PVC-U管的管道式换气扇作为加压排风装置。

3.2.3模拟对比。运用斯维尔软件分别对改造前窑洞、增设不同通风井(尺寸、位置、数量)、增设通风井和送排风装置等情况进行模拟(图5)，计算室内空气流通情况。

改造前窑洞内模拟通风状况(图5a)表明，室内多数区域为无风区，仅入口处有0.01～0.05 m/s的微风，通风状况极为不利。

增设不同尺寸、位置和数量的通风井。① 尺寸变化。为验证通风井尺寸对室内通风的影响，分别选用市场上常见的PVC-U管规格尺寸(直径100 mm，160 mm，320 mm)进行模拟(图5b，图5c，图5d)。通风井直径100 mm、160 mm和320 mm时，室内最高风速分别为0.133 m/s，0.155 m/s和0.191 m/s。结果表明随着井道尺寸增大，通风情况虽逐步提升，但风速依然达不到要求，且单纯增大井道尺寸的改善效果并不明显。研究数据显示，窑拱对通风孔尺寸的变化较为敏感，为保证结构安全应将其对结构的破坏限制在一定范围内，当通风孔直径为160 mm时窑拱的受力并没有明显变化[25]。因此，通风井规格选用160 mm较为合适，既改善通风效果又可降低结构的不利影响。② 位置变化。为验证通风井位置对室内通风的影响，在窑洞中部位置拱顶设置160 mm通风口进行模拟(图5e)。与同规格通风井设于窑尾相比，窑内整体风速情况变化不大，但靠近窑尾处风速明显减弱。窑尾及角落部位极易结露产生湿霉菌，对通风要求更迫切，因此，宜将通风井设于窑尾。③ 数量变化。为验证通风井数量对室内通风的影响，在窑尾拱顶并排设置两个160 mm通风口(图5f)。与只在窑尾设一个送风井相比，窑洞内整体风速更均匀，靠近角落地方的无风区也相对减少。

图5 不同通风井夏季房间2室内风速云图

增加通风井和送排风装置。虽然增加通风井道对窑内通风环境有所改善，但仍存在部分无风区，若想缓解夏季高达90%的室内相对湿度，其通风量远不达标，还需引入置换通风系统。即在窑尾通风井底部设置水平风口，安装平均风速为3.5 m/s的管道式换气扇，同时在窑隔底部户门两侧各设置一个尺寸为150 mm×150 mm、距地面高度200 mm的通风口，依靠排风后室内气压降低自动补入新风形成空气流动(图6)。增设此系统后，室内整体风速为0.3 m/s左右，基本达到室内空气质量标准要求，室内通风环境得到显著改善，对室内换气和除湿极为有利。因此，在地坑窑洞内选取通风井和主动送排风装置组合来进行通风改造更为合适，可有效缓解室内湿度过高的弊端，增加居住环境舒适度。

图6 增加通风井和送排风装置夏季房间2室内风速云图

3.3 保温改造

3.3.1围护结构改造。地坑窑洞除窑隔部位与外界接触外，其内部墙体和屋顶均为具有导热系数小、高热容特性的黄土材料，其中内墙四周为大地土体，屋顶土层厚度也超过2 m，因此，窑隔是冬季保温的关键。窑隔门窗部位一般都是传热系数较大的简易单层木制门窗，且门窗玻璃多有破损，气密性极差，冬季热交换频繁，是最为薄弱的环节。因此，降低外围护结构传热系数和提升气密性是改善窑洞冬季保温的最佳途径。具体改造措施如下：① 将窑隔原有单层实体木制外门更换为中间有填充物的木头夹层门；② 将原有的单框木窗更换为塑料型材框+中空玻璃(内加干燥剂)；③ 为保持原有地坑院民居风格，采用胶粉聚苯颗粒保温砂浆进行内保温处理，在窑隔外部砌筑黏土空心砖砌体。此外，为增加门窗气密性，还可增设门帘、门斗等，以防冷风入室。地坑院外围护结构的改造前后构造及热物性参数见表2[24]。

利用斯维尔软件对改造的房间2进行全年8 760 h的室内温度模拟计算，查看室内温度变化情况。模拟数据表明，冬季室内温度由1.7～2.2 ℃变为2.1～3.0 ℃，高温仅提升了0.8 ℃，虽然高于室外1 ℃的平均温度，但距离适宜的室温依然相差很远。相比普通民居建筑而言，地坑窑洞总体围护结构传热已经很少，因此，针对围护结构的保温改造只能小幅度优化保温性能。且根据当地居民生活习惯，即使在冬季，居民每天进出室内次数依然较为频繁，故而提升效果较为有限。

表2 改造前后外围护结构构造及热工性能

3.3.2增加室内热源。为使地坑窑洞冬季室温达到舒适标准，仅靠围护结构改造措施尚显不足，仍需使用室内热源进行采暖。传统窑洞大多使用火炕和煤炉改善其冬季室内热环境，但据研究数据显示，窑洞建筑全生命周期内每年的碳排放量为138.5 kg/m2，其碳排放主要集中于利用煤炭、木柴等低能效能源采暖所造成[26]。因此，应取缔火炕、煤炉等传统采暖设备，积极推进清洁能源取暖设备的使用。

4 结论

(1)相比室外，地坑窑内室温整体更为稳定，证明其具有良好的冬暖夏凉、保温隔热特性。夏季室内空气温度满足人体舒适的温度范围。虽然冬季室内温度比室外气温高出3 ℃左右，但若想达到舒适温度范围仍需采用取暖措施。地坑窑洞夏季室内空气相对湿度平均为90%左右，远超室内舒适湿度范围，亟需引入通风措施。无论冬季还是夏季，地坑院室内壁面温度都更为稳定，证明生土材料具有良好的保温蓄热性能。

(2)针对窑内夏季湿度过高的问题，可以采取的有效改善措施为在窑尾增设通风井和换气扇，窑隔设置送风口，增加室内空气流动。针对冬季室内温度低的问题，可以采取措施降低外围护结构传热系数和提高围护结构的气密性等方式，尤其应对门窗气密性进行提升，阻止冬季冷空气渗透。

(3)从模拟结果看，窑洞仅进行被动式优化改造的效果有限，想要达到舒适的热环境仍需使用主动装置。在通风改造中，通风井和主动送排风装置的组合使用效果最好，能有效促进空气对流，改善窑洞室内湿度过高的状况。冬季保温的改造通过更换门窗和增加内保温等措施，可适当提升室内温度，也可以使用室内热源以及清洁能源如太阳能采暖设备。

(4)根据模拟结果，改造方案使地坑窑洞室内热环境得到改善，在提高舒适度的同时保留了地坑院的传统特色和优点。改造材料便宜易得，施工方式可行性高且具备推广价值。但鉴于目前研究条件有限，未能结合示范工程进行验证，可在后续研究和实践中进一步完善。