嚴寒地區農村土坯房室內熱環境研究

文／甄 蒙 西安交通大學人居學院（通訊作者）

梁博武 西安交通大學人居學院

鄒奇書 西安交通大學人居學院

引言

我國幅員遼闊，橫跨多個氣候帶，全國各地氣候條件差異較大，因此千百年來各地形成了各具特色的傳統民居。如北方地區的土坯房就是適宜當地氣候的典型傳統民居。土坯房由于其優異的熱工性能，在北方地區的農村曾經廣泛分布，目前農村地區仍有很多的人居住在土坯房中。土坯房的熱舒適性也受到了較為廣泛的關注，改良土坯房的熱舒適性對改善農村人口居住環境具有十分重要的現實意義?？紤]到土坯房具有易于就地取材、便于施工、冬暖夏涼的優良性能，符合可持續發展的理念，因此研究其各項特性，特別是其熱工性能對綠色建筑的發展具有一定的參考作用。

在土坯房熱環境研究方面，高翔翔等通過現場實測，對傳統圍護結構保溫做法下火炕對室內熱環境的影響進行了定量評價，指出了火炕在冬季采暖中的重要性[1]。胡冗冗等通過實測結合模擬的方法分別對生土及磚混民居的室內溫濕度進行對比分析，并深入分析了生土建筑的熱工性能優缺點，并提出了改進措施[2]。同時，關于傳統民居的室內熱舒適的研究近年來也逐漸受到關注。Jing Zhang 等人提出了一種對于土坯房改進的評價方法，對甘肅某土坯住宅進行實測及評價，結合經濟性及熱舒適性，得出稻殼隔熱屋頂具有較好的性能[3]。Yan Xiong 等人對我國夏熱冬冷地區的城市住宅和農村傳統住宅的熱舒適性進行了問卷調查，結果表明農村居民對于寒冷條件的耐受性更強[4]。

本文對河北省張家口市方家梁村一棟土坯房進行了現場實測。通過實地測試，描述土坯房全天的室內、室外的溫濕度變化，針對土坯房的熱舒適性進行分析，從而提出改善土坯房熱環境的優化設計策略。

1 研究方法

本文通過現場實測結合數據分析的研究方法，對土坯房的內部熱環境及熱機制進行量化研究。

1.1 測量地區及時間

本文所選實測地點為河北省張家口市赤城縣方家梁村（40.92°N，115.8°E），河北省張家口市屬于溫帶大陸性季風氣候，氣候特點為一年四季分明，冬季寒冷漫長。實測時間為2020 年1 月9 日至2020 年1 月12 日，為期三天，此次實測地點位于張家口市的赤城縣方家梁村，測量對象為一獨棟土坯房，實測對象如圖1 所示。

1.2 測量設備

具體內容見（表1）。

表1 實測用溫濕度記錄儀基本參數（表格來源：作者自繪）

1.3 實測對象

實測對象為一單層的土坯房（圖1）。圍護結構為粘土制成的土坯，上部圍護結構為普通青瓦，背靠土坡，獨立結構，坐北朝南。東西方向為三間，自西向東分別為臥室1、客廳、臥室2，寬度分別為2.3m、2.25m、2.3m。房屋為拱形結構，前檐口距地面高2.55m，頂部高3.47m，后部檐口距地面高1.7m，南北存在高差。房屋內分為三間，墻體厚度為0.66m。臥室1 內部有高度為0.7m 長1.7m 寬2.3m 的火炕，房間靠南有一寬1.3m 的窗戶，臥室門為寬度0.6m 的木質門，房間背面墻體無門窗，正門為南面正中間的寬度1.0m 高度2.35m 的木質門。此次實測選取無人居住的臥室1 為測試對象。

圖1 實測土坯房（圖片來源：作者自攝）

1.4 測點布置

實測內容為室內外溫度及濕度，數據記錄為每分鐘一次?？紤]到此次實測目的是探究土坯房內部溫濕度變化情況，同時探究土坯墻作為圍護結構的熱工性能，此次實測一共布置了8 個測點，其中4 個測點位于室內，4 個測點位于室外，具體布置如圖2 所示。

圖2 實測測點布置圖（圖片來源：作者自繪）

2 現場實測及分析

2.1 室內外溫度對比

本次測試中測點1、2 分別測試的是室內外溫濕度，從1 月9 日開始為期三天。本文選取從1 月10 日0 點開始到1 月12 日0 點結束的數據進行對比分析，并更加直觀地對室內外溫度進行了逐時對比（圖3）。

由圖3 可知，在絕大多數時間內，室內溫度均高于室外溫度。再對室內外平均溫度進行對比：1 月10 日室內平均溫度為-6.04℃，室外平均溫度為-10.4℃；1 月11 日室內平均溫度為-6.95℃，室外平均溫度為-12.61℃——兩天室內外平均溫度差值均大于4℃。由此可知，由于土坯墻及屋頂的保溫隔熱，室內溫度能夠保持一個相對高于室外的水平。

圖3 室內外溫度對比（圖片來源：作者自繪）

2.2 室內外墻體溫度對比

為了測試土坯墻在嚴寒地區冬季的熱表現，分別對測試對象的三面外墻的室內外溫度進行了測試，對相鄰測點處內外測點進行兩兩對比分析。

如圖2 所示，西墻室內外溫度測點分別為測點3、4，北側墻體室內外溫度測點分別為測點7、8，南側墻體室內外溫度測點分別為測點5、6。測點測試的是墻體內外側的表面溫度，測點緊貼墻體表面。分別對所得數據進行處理，選 取 從1 月10 日0 點 到1 月11 日24 點 兩 天的數據進行對比分析，結果如圖4、圖5 所示。

由圖4 可知，墻體外側表面溫度僅在中午時由于太陽輻射的影響短時間高于墻體內側溫度，總體上墻體內側溫度均高于墻體外側溫度，再對墻體內外側表面平均溫度進行分析：10 日墻體內側平均溫度為-6.58℃，墻體外側平均溫度為-10.66℃；11 日室內平均溫度為-7.29℃，室外平均溫度為-11.4℃——10 日墻體內側溫度高于外側4.08℃，11 日墻體內側溫度高于外側4.11℃，體現了土坯墻具有一定的保溫隔熱性能。

圖4 西側墻體內外側溫度對比（圖片來源：作者自繪）

如圖5 所示，南側墻體外側溫度整體上高于內側溫度，且在溫度變化趨勢及溫度變化的范圍內出現了較為一致的情況。測試期間，墻體內側最高溫度出現在1 月10 日11 ∶45 左右，最高溫度為-3.5℃；最低溫度出現在11日3 ∶30 左右，最低溫度為-8.1℃；溫度變化范圍為4.6℃。測試期間，墻體外側最高溫度出現在10 日15 ∶30 左右，最高溫度為-1.5℃；最低溫度出現在11 日8 ∶10 左右，最低溫度-6.8℃；溫度變化范圍為5.3℃。從平均溫度來看，測試期間內側墻體平均溫度為-6.1℃，外側墻體平均溫度為-5.05℃，與圖表所呈現的相一致。為了初步探究造成這種差異的原因，再次對三面墻體的外側溫度、內側溫度進行對比（圖6）。

圖5 南側墻體內外側溫度對比（圖片來源：作者自繪）

由圖6 可以看出，南側墻體除11 日中午短時間內外側溫度低于西側墻體0.3℃以外，其余時間均高于其他兩面墻體。這與三面墻體所受到太陽直射時間長短有關：南側作為向陽面，受太陽直射時間最長；西側墻體在下午可以受到部分太陽直射；北側墻體則無法通過太陽直射得熱。南側外墻太陽直射時間多于其他墻體，墻體蓄熱多于其他墻體，使得南側墻體外側溫度較高。

圖6 三面墻體外側溫度對比（圖片來源：作者自繪）

綜上，造成南側墻體外側溫度高于內側溫度且變化范圍基本一致的原因可以初步確定為：

（1）南側墻體受太陽直射時間最長，外側溫度明顯高于其他兩面墻體。

（2）南側墻體有窗戶，使得墻體內側溫度受到外側溫度變化的影響變大。

3 室內熱舒適評價

在實地測量中，我們對實測土坯房內的溫濕度進行了記錄，為了能更具體地描述土坯房內的熱環境，結合熱舒適評價指標對該土坯房內的熱舒適進行分析。

3.1 熱舒適評價指標

目前已有的熱舒適評價指標主要有有效溫度（ET）、標準有效溫度（SET）、預測平均投票值和不滿意度（PMV/PPD）等[5]。由于PMV 在室內熱舒適研究中使用廣泛，本次熱舒適評價將采用PMV 指數對實測土坯房內的熱舒適進行評估。

預測平均投票值（PMV）是應用統計學將干球溫度、風速、濕度、平均輻射溫度以及人體的新陳代謝、服裝熱阻等六個變量結合起來，而建立的熱舒適評價指標[6]。根據《室內人體熱舒適環境要求與評價方法》（GB/T33658-2017）[7]PMV 值的范圍在-3 ～3 之間。分別表示七種熱感覺（表2）。

表2 PMV 評價指標（表格來源：作者自繪）

3.2 熱舒適評價與分析

3.2.1 參數確定

在計算PMV 值時需要的參數可以通過查閱相關標準確定，本次測試環境確定且測試房屋內居住的老人即為熱舒適評價的對象，再結合《室內人體熱舒適環境要求與評價方法》（GB/T33658-2017）[7]確定相關參數。

由于測試時間為冬季且結合當地氣候，服裝熱阻為2.55m2·℃/W；實測房屋內居民為一老人（92 歲），人體代謝率為58W/m2；室內風速約為0.1m/s。

3.2.2 熱舒適評價

根據PMV 計算公式，將確定的參數帶入，并運用Matlab 進行相關函數的編寫，確定實測溫、濕度為變量，輸入相關函數，得到不同時間段內室內PMV 值（圖7）。

圖7 室內PMV 值（圖片來源：作者自繪）

結合表2 及圖7 可以看出，在實測過程中，該實測房屋內PMV 值在-3 ～-2.6 之間變化，即預測熱感覺介于涼和冷之間（-2.6 ～-3），且在大部分時間內趨近于冷，表明該房屋室內熱環境需要改善。

結語

本文通過對河北省張家口市方家梁村某土坯房進行冬季室內熱環境及土坯墻體內外側的溫度實測，進而借助PMV 公式得到土坯房內的熱舒適情況，以此反映嚴寒地區冬季該土坯房內的熱環境情況，得到的結論如下：

（1）從室內外溫度對比可以看出，室內溫度總體上高于室外溫度，室內平均溫度高于室外平均溫度4℃以上；室內外溫度變化趨勢較為一致，但室內最大溫差遠小于室外最大溫差，不足室外最大溫差的20%。由此可見，土坯房具有一定的保溫隔熱性能，在沒有室內熱源的情況下，保證了室內溫度高于室外溫度。

（2）通過對土坯墻內外側溫度變化情況的對比，墻體內側溫度總體上高于外側溫度，墻體內側平均溫度高于墻體外側約4℃；墻體內外側溫度變化趨勢基本一致，但墻體內側溫度變化范圍小于外測溫度變化范圍，約為外側溫度變化范圍的10%。由此可見，土坯墻對室外溫度變化具有一定的消減作用，保證了墻體內側及室內溫度的穩定。

（3）將實測溫濕度與PMV 公式相結合，得到實測土坯房內部的熱舒適情況，該實測房屋內PMV 值在-2.6 ～-3 之間，即預測熱感覺為冷。表明該房屋內的熱環境需要改善。因此，本文通過實測，對嚴寒地區土坯房內居住者的熱舒適進行研究，為提高農村土坯房的熱舒適水平提供了數據支撐。