下沉式窯洞
下沉式窯洞
在中國的北部地區，分佈著世界上最大的黃土高原，著名的中國式窯洞民居就分佈在這一廣闊的地區，形成了具有北方特色的生土建築群。生土建築是利用生土材料營建主體結構的建築，或在原狀土中挖鑿的窯洞或利用生土、沙石掩覆的各類建築。它始於人工穴居、半穴居時代，已有悠久的歷史。這裡所指的生土建築，只限於地表淺層，不包括地下深層的地下建築。其特點是可以就地取材，易於施工，便於 自建，造價低廉，冬暖夏涼，節省能源，節約佔地；有利於生態平衡、隔音、減少污染。
而其中的下沉式窯洞，是我國風水理論的起源，河南省洛陽市孟津縣前海資村馬才升窯洞住宅，基於風水理論產生了四合院型建築設計規則，即閉合環繞的建築空間帶有上見天、下接水的天井。其閉合環繞天井式的建築模式，阻擋了室外污染的進入從而能保持室內空氣清潔乾淨。開敞的院子能夠引進陽光、雨水、新鮮空氣以及長波輻射。院子上面朝天，下面以地表面為基能夠保持院子和院子周圍的房間有良好的氣候環境。
良好性特徵
1、平面布局。一般採用南北向布置，人 121及生活用房設在南向最佳位置，輔助用房設在北向。
2、窗。窯臉上開大窗，白天可以吸收大量的太陽能，提高室溫。窗上設棉、毯子、茅草、牛皮紙等材料做成的保溫帘子或窗板，白天捲起，晚間放下。方法雖然很簡單，但保溫效果卻很明顯。有的採用鋁箔窗帘，經實測窗的熱阻值提高 2．4倍，而其價格僅 10元/m2左右，是花錢不多，效果甚佳的保溫節能措施。窯臉上部開高側小窗，僅用於夏季通風，多數居民在冬季用草簾或土坯將其封閉。一些地區冬季在雙層木窗上加設一層塑料薄膜，減少傳熱耗熱量 20%以上，且可以大量減少冷風滲透所造成的耗熱量。門窗縫隙採用棉布條等封糊，以防止冷風滲透。
3、牆體材料。窯洞民居除使用實心粘土磚外，還使用大量與城市不同的地方材料，如火山浮石砌塊、稻草板、粘土免燒磚、草泥拉合辮等節能保溫材料。這些材料不僅節省其製作 時所用的能耗，且經測試，其保溫效果優於實心粘土磚。
4、熱系統與採暖方式。主要靠火炕，通過每天三頓飯的生活熱來採暖，有時在睡前適量補燒火炕，所用燃料多為植物秸桿、茅草及少量的煤。有測量數據顯示，儘管窯洞內溫度很低，但炕面溫度卻在 45℃--33℃之間。即炕面區域始終處於較舒適的溫熱狀態。北方農 民的冬季活動范 圍主要局限於火炕上。他們在炕上用餐、學習、做家務、會客、就寢等。人體對於氣溫最為敏感的部位是腳，而農民腳部常接觸的是炕面。因此，儘管室內大部分空間氣溫較低，且處於溫度不斷變化的波動之中，但農民們的感覺仍是舒適的。火炕可以在不必特殊供熱的條件下，將室內外氣候、人體所處微氣候環境及人體晝夜熱舒適感合理結合起來，提供有益於人體健康的微小熱舒適環境，較為科學地創造出相對舒適的室內熱環境。
下沉式窯洞冬暖夏涼的熱工性能分析
因為在高空的空氣溫度變化比地面小，則可以表示為：
=t0+At (1)
其中，￡0和 t 分別為地表面和高度為h處的空氣溫度；At為由太陽輻射加熱地表面和長波輻射引起 的空氣溫度差。長波輻射可以引起溫度梯度的變化大約為At1：±3．42×10 K·iTI。在100 m高度，溫差 At=±3．42 K。由空氣中水分相變引起的溫差。
At2=±2．5×10。r K (2)
其中，r 為相變率。當 r ：10 時，At2=±2．5 K；溫度變化與高度差成 比例為 At3≈10 Ah，當 Ah：100 iTI時，At3=±1 K。因此在 100 rn高空溫差的總和可以估計為：
f一7 K(在 日照下的氣流上升)
At= 0 K(多雲天) (3)
l+7 K(晴朗的夜晚)
下沉式窯洞院內的氣候是冬暖夏涼。由於空氣在庭院的上部交換，這就使得下沉式窯洞院內空氣質量好，空氣溫度年變化小，如圖 1所示。夏天室外空氣將水分帶進庭院，由於蒸發而引起庭院空氣溫度降低。
“二 j
向下氣流/ \向上氣流
￡O/ \ ￡O
— — — — — — — — — 一 — — —
t
下沉式窯洞的節能效應
下沉式窯洞的庭院向天空開放，其 內熱質傳遞是間接的，由下面的熱平衡方程可以求出空氣溫度 t h，。
P/-/Ro(t —tcy)+ARe(tG—tcy)+V iCp(t —tcy)+V oc戶(to—t )=0 (4)
其中，P為下沉式窯洞的平面周長；H 為下沉式窯洞的高度；Ro為下沉式窯洞的內牆總熱阻的倒數；A 為下沉式窯洞的平面面積；RG為下沉式窯洞地坪熱阻的倒數；V為空氣流速；Pi為室內空氣密度；Po為室外空氣密度；c 為空氣的定壓比熱。從(4)式解出 ￡ 為：
t (PHRoti+ARct~+v~,cpti+Vaocpto)÷(PHRo+ARe+V +Voocp)=[(PHRo+V icp)t。+ARat~+Vpocpto]÷
(P o+ARe+V +V oc )
其中，t ，to，tG分別為室內空氣溫度，室外空氣溫度和地基溫度，下沉式窯洞的空氣溫度是三個溫度 t ，t0，tG的加權平均值，一定比室外溫度高。
可以說，通過下沉式窯洞的大量能量被回收和利用。
問題與缺陷
與此同時，下沉式窯洞還存在許多熱工方面的缺陷，室 內氣溫較低；因外牆內表面溫度過低，人體長波熱輻射失熱量大而產生寒冷感；室內相對濕度大而產生不舒適感。在每年最寒冷的兩，三個月時間裡，上述問題更加嚴重；內表牆體吸濕后，導熱係數增大，保溫狀況更加惡化；廚房、倉庫等輔助房間，結冰、結霜現象更為嚴重，且長時間不融。雖上述各部位造成現行狀況的具體原因有差異，但均系各部位內表面溫度低於露點和冰點所致。究其原因，主要為：
1、牆體過薄，總熱阻過小，有的甚至低於低限熱阻；
2、供熱能源不足，以及一 日三把火的間歇式供熱，導致夜間室溫過低(常常在 0℃以下)，清晨牆體各部位內表面溫度亦過低，清晨升火后熱空氣遇到低溫牆面后，結露是必然的現象；
3、牆體內層材料的蓄熱係數大，其對流的熱量不足以使內表面溫度高於露點和冰點。
通過對試點住宅的實測及使用情況分析，對外牆的熱工設計，應以圍護結構內表面衰減倍數 u≤1．3為控制指標。北方鄉村民居外牆應放棄使用單一材料，轉而採用內保溫節能複合牆體。外圍護結構的構造設計，應以簡單、易施工、耐久、造價低及符合建築物節能保溫原理為前提。對外牆的構造形式，尚需說明如下：
1、採用鬆散保溫材料時，應做防潮處理(如採用塑料袋密封包裝)，可不設聚濕層。
2、採用吸濕性高的保溫材料時，應設聚濕層。因為室內水蒸氣分壓力遠大於室外，所以室內水蒸氣傳 向室外過程中必將在承重層內表面冷凝，致使保溫材料外表面濕度增大。在保溫材料兩側形成由外向內的水密度梯度，從而使全部保溫材料受潮。
3、對吸濕性不高的保溫材料，如聚苯乙烯泡沫塑料等亦可不設聚濕層。高壓噴塗聚苯乙烯所形成的保溫層的效果是理想的。
北方傳統鄉土民居要得到良好的提高和發展，實現我國住宅的戰略 目標——節能，只有從理論和實踐上對其平面設計、節能措施、室內熱舒適度、建築材料等方面進行深入的研究，以先進的科學技術去指導建築設計，才能使傳統的民居向更健康的方向發展。
基本信息
- 中文名
- 下沉式窯洞
- 類別
- 窯洞
- 特點
- 防風防水
- 地區
- 中國的北部