李雪平，崔 羽

(西安科技大学 建筑与土木工程学院，陕西 西安710054)

随着绿色建筑不断被提倡，节能、环保已成为21世纪建筑学科的热点问题，解决建筑高能耗问题也是我国建筑行业的重点.传统民居作为环保、低能耗建筑，其传承和发展备受关注.为此，越来越多的学者也投身到研究传统民居居住环境的工作中.杨柳提出寒冷地区农村现有住宅可利用吊炕改善冬季热舒适问题[1].吴志刚研究得出增加缓冲空间可改善夏季民居的热环境[2].高翔翔通过对寒冷地区民居建筑的热环境研究得出冬季火炕对民居室内供暖的重要性[3].赵西平、刘元等人通过实验测试研究传统民居的围护结构，得出夯土墙具有良好的热工性能，提出冬季保温的改进方法[4].以上学者对传统民居的室内热环境问题已有广泛研究，但对于下沉式窑洞冬季室内热环境的研究资料尚且不足，下沉式窑洞作为关中地区常见的一种传统民居，其夏季主要考虑用树木遮阳、天井、绿化等措施改善室内热舒适性，而冬季阴冷潮湿，窑洞室内热舒适性较差，对当地居民冬季生活影响严重.因此开展该地区下沉式窑洞冬季室内热环境的研究对提高当地居民居住舒适性及绿色建筑可持续发展具有重要意义.

本文以三原县典型下沉式窑洞为研究对象，开展室内热环境研究，在其冬季1月份进行空气温湿度、

壁面温度、太阳辐射强度等热环境参数测试，依据PMV-PPD热评价体系进行分析，讨论其传热机制，并提出相应优化建议，所得结论可为当地下沉式窑洞室内热环境的优化与改善提供理论依据.

1 测试对象及方案

1.1 测试对象

测试地点位于三原县柏社村.三原县位于关中地区，属于我国建筑热工分区中的寒冷地区.冬季干燥寒冷，常有冬旱；夏季炎热，降雨量大.窑洞的天井长宽10 m左右、深约7～8 m.窑顶上的地面夯实，向外有倾斜小坡，保证下雨时不积水，保护窑顶土层稳定.入户通道长约15 m，供居民平时出入.内外墙体用草泥抹面、裱糊处理.门窗洞口用黏土砖砌筑.窑内地面采用素土夯实，上层铺设黏土砖，天井采用黏土砖铺设宽约1 m的通道.门窗材料均为铁质、单层玻璃制成.

图1 下沉式窑洞Fig.1 Sinking cave dwelling

1.2 测试方案

本次测试天气均为晴天，主要测试不采暖的房间3，房间门窗关闭，有棉质门帘，测试期间居民正常活动，房间1、2、4为三组平行试验.2018年1月10日13:30开始测量该房间24 h室内温湿度.其他温湿度测点包括房间1测点A、房间2测点B、房间4测点D和室外测点E，各布置一个温湿度记录仪，房间3测点F、G为壁面温度测点，置两台表面温度计，与房间3温湿度测点C同时记录，并同时监测当天室外太阳辐射强度.仪器布置如图2所示.

图2 窑洞平面及测点布置Fig.2 Cave dwelling plane and measuring point arrangement

2 测试数据及传热机制分析

2.1 太阳辐射强度

太阳辐射强度测试点选择在房间3门口，房间3坐北朝南，仪器受到的遮挡较少，有利于准确记录当天辐射强度.数据记录从早上8:00至下午6:00左右，日照时间约10 h.总辐射强度平均为0.36 kM/m2，最高点出现在下午1:00左右，其值约为0.52 kM/m2(如图3).通过测试数据可以得出，太阳总辐射强度较高，持续日照时间较长，可有效利用太阳能.

图3 太阳辐射强度变化Fig.3 Changes of the solar radiation intensity

2.2 空气温度

由图4中的温度测试结果可以得出：测试期间(为24 h)，室外温度随时间呈周期性变化，在11日早上7:30分左右温度最低，为-6.8 ℃，最高气温3.2℃出现在10日午后约14:00，平均温度-2.7 ℃，日温度波幅约10 ℃，室外温度有较大波动.室内各房间平均温度均在6 ℃左右，波幅3 ℃左右，温度较为平稳.房间3平均温度6.2 ℃，最高温度7.3 ℃，最低气温4.5 ℃，波幅2.8 ℃.依据《室内空气质量标准》(GB/T18883-2002)[5]规定，冬季有采暖场所的温度为16～24 ℃,农村住宅虽然与城市供暖要求不同，但也应在15～18 ℃才能满足人的热舒适需要[6].

图4 室外及各房间温度对比Fig.4 Outdoor and room temperature comparison

2.3 相对湿度

从图5相对湿度测试结果可以得出：室外相对湿度在45%～70%左右，平均相对湿度为57%，在11日10:00到13:00有较大波动，夜间波动较小.室外温度波动规律与相对湿度波动规律相反，即相对湿度越高，温度越低.室内湿度受朝向影响，朝南房间室内相对湿度在同一时间低于朝北房间，房间3相对湿度最高为55.4%，最低44.5%，平均50.6%，波幅为10.9%.朝向为北的房间1室内相对湿度最高60.8%，平均为57.2%，相比于房间3较高，各房间相对湿度均在50%以上.室内相对湿度波动幅度较小，处于较平稳状态，房间通风不良，室内外空气交换效率较低.

图5 室外及各房间相对湿度对比Fig.5 Comparison of outdoor and room relative humidity

2.4 壁面温度与平均辐射温度

通过图6中的测试数据可知，房间3的东、西壁面温度均较低，两侧墙面温度接近，室内温度高于壁面温度约3 ℃，人体会产生辐射吹风感，热舒适性低.人体辐射传热量主要受室内壁面温度的影响[7].根据平均辐射温度MRT(Mean Radiant Temperature)公式[7]对数据进行处理：

(1)

式中：Ai为各表面可以看到的面积；Ti为该表面温度.

处理数据得到房间3平均辐射温度变化(见图7)，房间3的平均辐射温度MRT处于1.8～4.1 ℃之间，与室内温度最大差4 ℃左右，平均辐射温度与室温均较低.当地居民冬季若要满足热舒适度要求，需采用辅助采暖等方式.

图6 室内壁面温度变化Fig.6 Changes of the indoor wall temperature

图7 房间3平均辐射温度(MRT)变化Fig.7 Average radiation temperature (MRT) changes of Room 3

2.5 水蒸气分压力

根据预测热感觉投票PMV公式，水蒸气分压力也是分析室内热环境舒适性中的一项重要参数，参照温度 - 水蒸气分压力对照表，通过Excel表格拟合出两者的线性关系(见图8)，图中可以看出温度在0～100 ℃左右拟合较为准确，水蒸气压力随温度升高呈指数增长：

P=1.114 7e0.043 5T

(2)

式中：P为水蒸气分压力；T为温度.

图8 温度 - 水蒸气分压力拟合曲线Fig.8 Temperature-water vapor partial pressure fitting curve

处理数据得到房间3室内水蒸气分压力变化曲线(见图9)，房间3的水蒸气分压力基本在1.4～1.6 kPa之间，平均为1.48 kPa，波动幅度较小.

图9 房间3水蒸气分压力Fig.9 Water vapor partial pressure of Room 3

2.6 基于土体水热耦合理论的窑洞传热机制分析

依据传热学[8]公式对下沉式窑洞周围土体进行分析.

土体容积热容量公式.

CV=C1ρ1+C2ρ2+C3ρ3

(3)

式中：C1为土体颗粒比热容；ρ1为干密度；C2为水的比热容；ρ2为水的密度；C3为空气比热容；ρ3为空气密度.

热扩散系数公式.

(4)

式中：λ为土体热导率；CV容积热容量.

根据上文数据分析，对下沉式窑洞土体传热机制进行分析，所得结论如下：

(1)依据式(3)，(4)得出土体传热效应随其湿度增长呈上升趋势，水容积热容量为4.19 kJ/(kg·K)，土体颗粒容积热容量为2.05～2.43 kJ/(kg·K)，冰的容积热容量为1.886 kJ/(kg·K).三原县冬季平均气温在0 ℃以下，土体处于0 ℃以下时所含水分转化为冰，土体容积热容量降低，热扩散系数增大，结果导致冬季窑洞周围土体传热敏感，窑洞内部保温性能减弱.

(2)相比于土体容积热容量，空气容积热容量仅为0.001 3 kJ/(kg·K)，土壤中空气含量对土体容积热容量对窑洞室内热环境影响极小.

图10 土体传热机制Fig.10 Soil heat transfer mechanism

3 室内热舒适评价及优化方案

3.1 室内热舒适评价

PMV-PPD热评价体系是由Fanger教授提出用来评价室内热环境质量及人体热舒适的方法[9].PMV表示预测平均投票数，代表同一环境人的热感觉平均值，根据人体热平衡公式计算得来.PMV=0时表示室内热环境为最佳热舒适状态，ISO7730对PMV的推荐值为PMV值在-0.5～+0.5之间.PPD为预测一组人中对同一环境热感觉感到不舒适的人数所占总人数的百分比，是预测平均投票数PMV的函数，即使在舒适条件PMV=0时，PPD曲线也有5%的人反映出不满意.

测试期间房间3门窗均关闭，取室内风速为0 m/s.其中服装热阻通过调查当地居民冬季室内着装情况设定为1.7 clo，依据国际标准化组织ISO7730标准[10,11]的规定值进行计算，新陈代谢率以人体坐姿、轻微活动设定为1.2 met.利用所得数据：房间3室内温度、相对湿度、平均辐射温度、饱和水蒸气压力等，基于Matlab软件将对应参数输入计算得到同一时刻PMV，PPD值(图11～12).窑洞预测热感觉投票PMV的均值为-2.01，预测不满意百分比PPD均高达67%以上.结果表明，三原县柏社村下沉式窑洞室内人体热感觉偏冷，无辅助采暖时，室内热舒适度差.

图11 房间3 PMV曲线Fig.11 PMV curve of Room 3

图12 房间3 PPD曲线Fig.12 PPD curve of Room 3

3.2 优化方案

依据实测数据及传热机制分析，并结合三原县下沉式窑洞建筑特点，对其室内热环境提出以下四点建议：

(1)下沉式窑洞在选址期间，可通过减少周围地形、树木等环境对太阳能的利用，以此解决当地下沉式窑洞冬季部分采暖问题.

(2)窑洞冬季周围土体热扩散系数增大，土体传热敏感，可通过对其内壁面及地面增加保温隔热材料，以此减少周围土体降温对窑洞室内的影响.

(3)窑洞冬季室内温度较低，可使用火炉、电热毯等辅助取暖设施，以此满足居民对室内热舒适性的要求.

(4)窑洞与室外空气交换较差，可同时打开门窗，保持单面通风，利用室外空气脉动与室内外温差的热压进行室内外空气交换.

4 结论

(1)三原县下沉式窑洞冬季防寒效果较差，室内温度较低，相对湿度较大.窑洞室内与外部环境通风不畅，室内长期处于较潮湿的环境.

(2)窑洞内壁面温度低于室内温度约3 ℃，对人体易造成冷辐射影响，室内人体热舒适性较低，居民日常活动受到影响.

(3)冬季窑洞周围土体容积热容量降低，热扩散系数增大，导致土体传热敏感，窑洞内部保温性能减弱.依据PMV-PPD热评价体系进行分析，窑洞室内预测热感觉投票PMV均值为-2.01，预测不满意率PPD达67%以上，室内热环境问题仍需改善.

(4)依据实测数据及水热耦合机制分析，并结合三原县下沉式窑洞建筑特点，对其室内热环境的改善提出四点建议.