生土地坑窑冬季室内外热环境监测与对比分析

童丽萍，许春霞（郑州大学，土木工程学院，郑州 450001）

[摘要]为全面评价生土地坑窑的室内外热环境，继夏季监测之后，本文在大寒时节对三门峡生土地坑窑的室内、院心及地面等室内外热环境，地坑窑在有无火炕条件下的室内热环境，以及自然状态下的地坑窑及朝阳砖房的室内热环境进行了7d整点连续监测及对比分析，揭示了地坑窑冬季良好的保温、防潮等性能以及火炕很好的供暖功效。并将冬夏两季监测结

果进行对比，全面定量地评价了地坑窑在极端气候下的室内外热环境，充分展示了地坑窑的冬暖夏凉、保温隔热等能源自维持特性。

 [关键词]生土地坑窑；热环境监测；能源自维持；冬暖夏凉；对比分析；平均辐射温度

 [中图分类号]TU831.1  

0  引  言

 目前，对于生土地坑窑室内外热环境的研究多为定性，鲜有定量。为了对生土地坑窑的室内外热环境进行定量研究，探讨其能源自维持特性，让人们充分认识其生态特性，本课题组已于2014年夏季大暑时节对河南三门峡的生土地坑窑室内外热环境进行了现场监测与分析。

 为了更全面地对生土地坑窑的室内外热环境进行研究，揭示冬季地坑窑的保温性能、潮湿状况，采光条件、火炕的供暖效果，冬夏两季室内热环境的差异，以及冬季地坑窑与砖房室内热环境的差别，在夏季监测完成的基础上，本文在大寒时节对夏季监测过的生土地坑窑室内外热环境、附近有火炕地坑窑和朝阳砖房的室内热环境进行了为期7d的整点连续监测，监测指标包括室内外空气温度、壁面温度、相对湿度、风速和照度等5大类。

1  冬季现场监测

1.1  监测对象

 冬季监测对象包括3个，具体如下：

 1)冬季主要的监测对象为夏季监测过的三门峡陕县庙上村的一座生土地坑窑院的上主窑、上北窑、下主窑和上南窑的室内热环境、窑院的热环境和附近地面的热环境。该窑院的冬季全景如图1所示，具体布局、尺寸及构造。

2)由于火炕是生土地坑窑普遍的传统供暖设施，为研究火炕对地坑窑冬季室内热环境的调节作用，同时监测了1个与上述窑院毗邻的有火炕的地坑窑（简称火炕窑）的室内热环境，如图2所示，其尺寸与下主窑相近。

 3)为通过对比分析冬季地坑窑和砖房的室内热环境，更好地展示地坑窑良好的冬季热环境性能，同时对上述窑院附近的1所新农村建设统一规划的朝阳砖房民居的1个房间（见图3）的室内热环境进行了连续监测。

1.2  监测工况

 为充分揭示地坑窑在冬季极端气候下的室内热环境特性，监测时间选大寒（1月20日）后的7d，即2015年1月22日00:00~28日24：00。与夏季一致，各指标仍采取24 h连续整点监测，1 h记录1次数据。

 为探讨生土地坑窑在自然状态下的室内外热环境性能，监测期间室内均不采取任何机械供暖措施，不消耗任何传统能源。考虑到人员的进出对冬季室内热环境的影响显著，为减少人为因素的干扰，所有监测窑室及砖房均无人员居住，除监测时段外，人员一律不得进入。

 本次监测对火炕的一个完整使用周期进行了研究，遵循当地居民的使用习惯进行烧炕。1月22日的9:00~10：00第1次烧炕，22日和23日每天仅烧1次火炕；24日和25日增加了添柴次数，始终让火炕处于“不熄灭、不燃烧”状态，25日的24:00最后一次添柴，26日、27日和28日均不再烧炕。

 根据研究目的及现场监测条件，考虑冬季气候及居民生活特点，冬季监测分以下2个工况：

 1)1月22日~25日监测窑洞和砖房均为全天候关门，火炕窑烧火炕。

 2)1月26日~28日监测窑洞和砖房均为全天候关门，火炕窑不烧火炕。

1.3  监测指标

 热环境是指由空气温度、相对湿度、风速、太阳辐射、周围物体的壁面温度等物理因素组成的一个影响人体冷热感和健康的空间环境场。

 其中空气温度是最基本的影响因素，必须考虑。空气相对湿度会影响人体的能量平衡、热感觉、皮肤潮湿度等，故有必要对室内外相对湿度进行定量研究。人体和环境之间的热交换主要有对流、辐射和蒸发3种方式，对流散热量约占人体总散热量的32%~35%，辐射散热量约占42%~44%，蒸发散热量约占20%~25%。对流换热取决于室内空气温度和风速，辐射换热则取决于围护结构内表面的壁面温度，所以壁温对热环境的影响也很重要。室内照度也会对热环境有一定程度的影响，应予以考虑。

 根据上述分析及相关规范要求，为全面评价生土地坑窑的室内外热环境，并考虑到冬夏两季监测的连续性，本次监测指标与夏季一致，仍选取了室内外空气温度、相对湿度、壁面温度、风速和照度等5大类热环境指标，所用监测仪器。

1.4  测点布置

 为保证监测的连续性及监测结果的可比性，冬季监测与夏季监测的布点方案大致相同，其中温湿度、风速和照度测点均重合。具体布置如下：

 1)室内温湿度、风速和照度测点

 地坑窑和火炕窑室内均布置15个测点，布置原则与夏季一致，沿进深布置5组测点，沿高度分别在0.6 m、1.1 m和1.7 m处布置3排，如图4所示。在砖房朝阳房间的中心点位置，1.5 m高处布置了1个温湿度自计仪测点。

 2)室内壁面温度测点

 地坑窑和火炕窑的左右侧墙各布置15个测点，屋顶及地板均布置5个测点，内端墙布置5个测点，如图5所示，窑隔在砖墙及土墙中心位置各布置1个测点。另外，在火炕上表面均匀布置9个测点。

 3)室外温湿度、风速和照度测点

 在地坑院的正中心，沿高度分别在0.6 m、1.1m和1.7 m处布置3个院心测点；在距地坑院拦马墙5m处，沿高度分别在0.6 m、1.1 m和1.7 m处布置3个地面测点；在距地坑院东南角6m的树下，沿高度分别在0.6 m、1.1 m和1.7 m处布置3个树荫测点。

2  监测结果及对比分析

2.1  冬夏两季极端气候下地坑窑室内外热环境参数对比分析

2.1.1  空气温度

 生土地坑窑冬季室内外空气温度的监测结果见图6～图7。由图6可知，地面气温、树荫气温和院心气温大小非常相近，变化规律完全一致，最值同步出现，晴天遵循以24 h为周期的余弦变化规律，白天产生波峰，晚上产生波谷，天气越晴，气温越高，余弦规律越明显，越接近于太阳轨迹，说明太阳辐射是冬季室外气温的重要影响因素。

 冬季树荫处气温与地面气温几乎相同，原因是冬季树叶全部脱落，不能产生大面积树荫，故植物对冬季地坑窑民居周边热环境几乎没有影响。

 冬季地坑院的院心气温始终略高于地面气温。说明地坑院在冬季具有一定的气温调节作用。

 4孔不同朝向的地坑窑冬季室内气温大小有差异，在晴天呈现出“上北窑>上主窑>上南窑一下主窑”的规律；在阴雨天，4孔不同朝向地坑窑的室内气温几乎相同。说明朝向在冬季晴天对地坑窑室内气温有显著影响，在阴雨天几乎无影响。

 冬季地坑窑室内气温为3.9~ 11.40C，远远比室外气温稳定，室内外温差为-5.9~11.9℃，其中最大温差11.9℃出现在1月28日18：00，此时室外气温达到最低值，室内气温比室外高11.9℃，充分体现了地坑窑的冬季保温功能。

 得到的夏季地坑窑室内外空气温度的相关结果对比可知，地坑窑冬夏两季室内外温差

均非常大，其中冬季室内外温差变化大于夏季，并且冬季室内气温变化幅度小于夏季；朝向在冬季晴天对地坑窑室内气温的影响比夏季晴天显著；地坑院在夏季对院心气温的调节作用明显大于冬季；植物在夏季对地坑窑室外热环境的调节作用明显大于冬季。

2.1.2壁面温度和平均辐射温度

 冬季生土地坑窑壁面温度的变化规律（4孔窑洞规律一致，以上北窑为例）见图8；各窑洞的平均辐射温度( Mean Radiant Temperature，MRT)变化见图9。

 由图8可知，各墙壁的壁温变化趋势一致，大小有差异，呈现出“内端墙>左侧墙一右侧墙>地板>屋顶>窑隔”的规律，分析知，窑隔及屋顶的外表面暴露在室外寒冷空气中，窑隔的厚度远小于屋顶，保温效果最差，故窑隔壁温最低。左、右侧墙的另一表面均与相邻窑室的室内空气接触，故二者壁温较高。内端墙与无限厚的大地土体相连，土体具有很好的调温作用，所以内端墙的壁面温度最高。由此可见，大地土体良好的热工性能是窑洞冬季保暖的重要原因。

 由图9可知，冬季4孔不同朝向地坑窑的MRT变化规律和大小排序均与室温基本相同。坐北朝南的上北窑的MRT明显高于其他朝向的窑洞，可见太阳辐射对冬季窑室平均辐射温度有显著影响。相关研究表明，为保持居住者的热舒适状态，空气温度与平均辐射温度的差值不得超过7℃。冬季地坑窑室内平均辐射温度变化范围为3.7~8.9℃，平均比室温低1.0℃，最多比室温低3.9℃。

 研究结果对比可知，冬季地坑窑室内各壁温变化规律与夏季大致相反，说明窑隔和屋顶是地坑窑夏季隔热降温、冬季保温防寒的相对薄弱点，充分佐证了通过增加覆土层厚度来提高地坑窑冬暖夏凉特性的科学性；地坑窑冬夏两季的室内平均辐射温度与室温差值均远远满足热舒适要求；朝向对冬季地坑窑室内平均辐射温度的影响大于夏季。

2.1.3相对湿度

 冬季地坑窑室内外相对湿度的变化见图10。由图10可知，在晴天，室外相对湿度呈现出周期为24 h的简谐波形式，其变化规律与室外气温正好相反，气温最高时相对湿度最低，气温最低时相对湿度最高；在阴雨天，室外相对湿度较大且比较稳定。

 冬季4孔地坑窑的相对湿度呈现出“F主窑>上南窑>上主窑>上北窑”的规律，由此可见，朝向在冬季对地坑窑室内相对湿度有显著影响。

 根据规范要求，我国民用建筑满足热环境舒适要求的室内空气相对湿度为30%～70%。冬季4孔窑洞室内相对湿度远远比室外稳定，晴天的室内相对湿度为35. 9qo~58. 9%，大于室外相对湿度；雨雪天为47. 8%~65. 6%，一般小于室外相对湿度。可见，无论天气如何，冬季地坑窑室内相对湿度均能满足热舒适要求。

 夏季相对湿度的相关结果对比可知，地坑窑冬夏两季室外相对湿度随时间的变化规律相同；冬季地坑窑的室内相对湿度显著小于夏季，且远远比夏季稳定；朝向仅在冬季对室内相对湿度影响显著，夏季几乎无影响。

2.1.4风速

 冬季地坑窑室外和室内风速分别如图11和图12所示。由图11可知，冬季室外风速无明显变化规律，有很大偶然性，雨雪天的室外风速明显大于晴天。

 由图1 1可知，地面风速变化范围较大，为0. 00~5. 02 m/s，均值为1.08 m/s；院心风速小而稳定，为0. 03~1.50 m/s，均值为0.40 m/s。由此可见，冬季院心的风速显著小于地面风速。

 由图12可知，冬季4孔地坑窑室内风速均非常小，几乎为零。分析原因，为了符合人们的生活习性，使监测结果更合理，冬季监测期间窑洞均关门，故室内通风效果很差。

 研究结果对比可知，冬夏两季室外风速均无规律，但冬季室外风速明显大于夏季；院心在冬夏两季均具有很好的防风效果；冬夏两季室内风速均偏小，需改善。

2.1.5  照  度

 冬季室外和室内照度的变化规律分别如图13和图14所示。由图13可知，地面和院心照度随时间的变化趋势一致。照度变化仍遵循太阳轨迹，其日最大值一般均出现在11:00~14:00。地面照度明显大于院心照度。

 由图14可知，上北窑坐北朝南，冬季晴天时照度最高，舒适性最好，上南窑背阳，照度最低；冬季阴雨天时，各朝向的窑室照度几乎相等。

 研究表明，舒适照度范围为100~2 000 L u x。冬季晴天时，各朝向窑洞均能满足照度舒适要求；冬季阴雨天时仅上主窑能满足照度要求，而其他朝向的窑室尚不能满足要求，需要一定的改进措施。

 研究结果对比可知，冬夏两季室内外照度随时间的变化规律一致。无论冬夏，室内照度明显小于室外照度，二者变化趋势一致；但冬季的室内外照度值均小于夏季。冬夏两季朝向对室内照度均有显著影响。

2.2冬季有无火炕地坑窑室内热环境参数对比分析

2.2.1  室内气温对比分析

 为了消除朝向影响，将朝向一致的有火炕地坑窑（简称火炕窑）和无火炕地坑窑（下主窑）的冬季室内气温进行比较分析，结果见图15。

 监测期间，火炕窑的室内气温为6.5~ 16.1℃，平均值为9.3℃；下主窑的室内气温为4.3~8.4℃，平均为6.4℃。火炕窑室内气温与室外气温的差值为-1.4~13.8℃，平均差值为8.8℃。火炕窑与下主窑的室内气温差值为-0.1~9.4℃，平均差值为2.9℃。

 由图15可知，火炕窑的室内气温有一个明显的变化过程。由于火炕有一个预热、储热过程，所以22日和23日的室内气温仅略高于下主窑。其中22日的火炕窑室温的突变是由第1次引燃火炕造成的。随着火炕的使用步入正轨，24日和25日的火炕窑室内气温明显高于下主窑，温差为1.7~5.6℃，平均温差为4.2℃，从26日的1:00开始不再烧炕，火炕窑室内气温开始逐渐下降，与下主窑的室内气温差值逐渐减小，但仍高于下主窑。

 上述结果及分析表明，火炕具有很好的“吸热一蓄热一放热”功效，能显著改善生土地坑窑冬季的室内热环境，是一种理想的采暖设施。

2.2.2  壁面温度对比分析

 图16所示为冬季火炕窑各壁面温度的变化图。由图16可知，火炕上表面的壁温变化幅度很大，最高为26.8℃，最诋为7.1℃。在火炕的整个使用周期内，火炕上表面壁温呈现出抛物线趋势，再次体现了火炕的“吸热一蓄热一放热”过程。

 火炕窑各墙壁的壁温变化趋势完全一致，大小有差异。当火炕散热时，呈现出“内端墙>左侧墙>屋顶>右侧墙>地板>窑隔”的规律，与无火炕窑的壁温（见图8）规律不同。分析知，由于火炕与内端墙和左侧墙相接，且内端墙距门口最远，距后部恒温土体最近，所以内端墙壁温最高；由于火炕的传热作用，与其相连的左侧墙的壁温明显高于右侧墙；屋顶虽然与外界冷空气相连，但由于和火炕上表面相对，基于热辐射的作用，火炕窑屋顶的壁温仅次于左侧墙；窑隔由于外表面暴露在室外寒冷空气中且离火炕最远，所以壁温最低。当火炕不再散热时，室内各壁面温度的排序为“内端墙>左侧墙一右侧墙>地板>屋顶>窑隔”，与无火炕窑的壁温（见图8）规律相同。由此可见，火炕是有效的供暖措施，能够针对地坑窑保温防寒的薄弱点来提高窑室冬季的热工性能，改善室内壁面温度的分布。

2.2.3  室内相对湿度对比分析

 图17所示为冬季地坑窑有无火炕条件下的室内相对湿度对比图。监测期间，火炕窑和下主窑的室内相对湿度均比室外相对湿度稳定。火炕窑的相对湿度为31. 2%~61. 2%，平均为54.  1%，始终低于下主窑，平均差值为5. 4%。说明火炕能够降低冬季地坑窑的相对湿度，使室内湿度更舒适。其中22日的火炕窑相对湿度的大幅度降低是由第1次引燃火炕造成的，其变化与火炕窑室温正好相反。

2.3冬季地坑窑和朝阳砖房室内热环境参数对比分析

2.3.1  室内气温对比分析

 为消除朝向影响，选取均为坐北朝南的上北窑和朝阳砖房进行冬季室内气温对比，结果如图18所示。上北窑和朝阳砖房的室内空气温度随时间的变化趋势完全一致，明显受室外地面气温的影响，但均远远比室外气温稳定，说明地坑窑和砖房在冬季均具有一定的保温防寒功效。

 对比可得，上北窑的室内气温显著高于朝阳砖房，上北窑的室内气温为4.1~ 11.9℃，平均为7.7℃；朝阳砖房室内气温为-1.1~8.50C，平均为3.30C。二者差值为2.7~5.90C，平均差值为4.4 0C。由此可见，不采取任何供暖措施的生土地坑窑的冬季室内气温显著高于朝阳砖房，并且地坑窑的室内气温波动明显小于砖房，证明地坑窑的保温及恒温性能远远优于砖房，具有较好的能源自维持特性。

2.3.2  室内相对湿度对比分析

 图19为冬季地坑窑和朝阳砖房的室内相对湿度对比图。晴天时，上北窑和朝阳砖房的室内相对湿度的变化趋势与室外一致，湿度较小，但仍高于室外湿度；阴雨天时，上北窑和朝阳砖房的室内相对湿度均较平稳，显著比室外相对湿度低。

 对比可知，冬季朝阳砖房和火炕窑的相对湿度变化趋势完全一致，但上北窑的相对湿度始终低于朝阳砖房，最大差值为10.7%，平均差值为4.5%。说明人们对地坑窑室内相对湿度大的传统认识是不准确的。

3  结  论

 本文通过对生土地坑窑在极端气候下的室内外热环境进行监测与分析，得到如下结论：

 1)冬夏两季地坑窑室内外温差均很大，室内气温远比室外气温稳定，生土地坑窑具有良好的冬暖夏凉、保温隔热等能源自维持特性。冬季室内气温变化幅度小于夏季，冬季室内外温差变化大于夏季。

 2)冬夏两季地坑窑室内的平均辐射温度与室温的差值均能满足相关要求。大地土体良好的热工性能是地坑窑冬暖夏凉的重要原因，窑隔和屋顶是保温隔热的相对薄弱点。

 3)冬夏两季生土地坑窑室内相对湿度变化幅度均明显小于室外。地坑窑室内相对湿度在夏季晴天满足室内湿度舒适要求，在阴雨天略不满足；在冬季任何天气均能满足要求。

 4)冬夏两季室外风速均无明显规律，但冬季室外风速大于夏季。夏季地坑窑即使开门室内风速也偏小；冬季在关门情况下窑室风速太小，几乎为零。充分说明在窑隔和窑顶设置通气孔的必要性。

 5)冬夏两季地坑窑室内外照度变化规律一致，室内照度远小于室外。夏季地坑窑均能满足照度舒适性要求；冬季晴天能满足舒适性要求，阴雨天略微不满足。

 6)夏季院心气温的变化幅度明显小于地面气温，而冬季院心气温略高于地面气温；冬夏两季的院心风速均显著小于地面风速；冬夏两季的院心照度均明显小于地面照度。充分说明地坑院冬夏两季均具有非常好的调温、防风等气候微调节功能。

 7)朝向在冬季对地坑窑室内气温、室内平均辐射温度和相对湿度的影响比夏季显著；冬夏两季，朝向对风速无明显影响，对室内照度均有显著影响。

 8)自然状态下的冬季地坑窑室内气温明显高于朝阳砖房，相对湿度明显小于朝阳砖房，说明地坑窑的保温及防潮性能均远远优于砖房。有火炕地坑窑的冬季室内气温及壁面温度显著高于无火炕地坑窑，相对湿度低于无火炕地坑窑。说明火炕是有效的供暖措施，能显著提高地坑窑的热工性能，改善其冬季室内热环境。