劉家汝，崔明輝， 陳偉瑩， 畢 昕， 周 園

(1.河南省科學(xué)院 地理研究所，鄭州 450052； 2.鄭州大學(xué) 建筑學(xué)院，鄭州 450001)

0 引言

地坑院作為一種典型的生土建筑形式，具有冬暖夏涼、隔音隔熱、抗壓防震等特點(diǎn)，其獨(dú)有的地下窯院形式構(gòu)成了特有的順應(yīng)自然和因地制宜的人居聚落環(huán)境。但是，隨著當(dāng)前城鎮(zhèn)化進(jìn)程的推進(jìn)，承載著黃土高原地域文化的傳統(tǒng)村落正在遭受不同程度的破壞[1]。同時(shí)，地坑院自身存在采光通風(fēng)差、室內(nèi)潮濕等舒適度不佳的問題，越來越難以適應(yīng)現(xiàn)今的居民生活需要，相當(dāng)一部分的村落和民居出現(xiàn)空置和廢棄，成為傳統(tǒng)地坑院走向衰落的主要原因之一。

目前,針對地坑院的研究主要集中在歷史文化與傳統(tǒng)風(fēng)貌[2]、聚落格局與空間形態(tài)[3-6]、建筑構(gòu)造與營建技藝[7-9]、文化傳承與旅游開發(fā)模式[10-11]等方面。在研究方法上有利用建筑信息模型技術(shù)進(jìn)行地坑院參數(shù)分析[12-13]，也有利用軟件模擬進(jìn)行窯內(nèi)采光情況分析[14]，研究視角逐漸多元化。

隨著美麗鄉(xiāng)村建設(shè)的逐步推進(jìn)，近年來針對地坑院人居環(huán)境和節(jié)能改造的研究也日趨增多。但多數(shù)研究以現(xiàn)場實(shí)測與性能分析[15-18]、建筑節(jié)能改造技術(shù)探討[19-20]為主，缺乏對改造效果的模擬對比分析和研究。

本研究通過現(xiàn)場實(shí)測及模擬分析方法，定量分析地坑院的室內(nèi)熱環(huán)境，并通過節(jié)能技術(shù)手段改善窯居條件，繼而加以模擬驗(yàn)證，以期為傳統(tǒng)民居地坑院的居住環(huán)境改善研究提供理論思路和數(shù)據(jù)支持。

1 研究對象及方案

1.1 研究對象

地坑院是我國黃土高原地貌環(huán)境下獨(dú)具地方特色的生態(tài)民居，被稱為中國北方的“地下四合院”。地坑院是在平坦地面挖土而形成的庭院和窯洞空間，窯洞按照使用功能不同分為主窯、客窯、廚窯、廁窯、門洞窯等類型。三門峽陜州區(qū)人馬寨村是首批河南省傳統(tǒng)村落，其北依山地，東、西、南三面為平原，村內(nèi)保留有大量完好的地坑院，最久遠(yuǎn)的已有上百年歷史。此處建筑氣候分區(qū)屬于寒冷地區(qū)，四季分明，冬季寒冷干燥，以西北風(fēng)為主，夏季炎熱多雨，以東南風(fēng)為主，最冷月平均氣溫-0.1 ℃，最熱月平均氣溫28.1 ℃[21]。

研究對象為人馬寨村相鄰的兩處維護(hù)較好且居民仍在使用的地坑院(圖1)。西側(cè)地坑院為王宅1，有10孔窯洞，內(nèi)院南北長12.3 m，東西寬8.3 m。東側(cè)地坑院為王宅2，有9孔窯洞(3孔南向窯洞已塌)，內(nèi)院南北長15.5 m，東西寬10.1 m。地坑窯洞跨度為3 m，進(jìn)深為6～8 m。窯內(nèi)拱頂高2.8 m，上覆黃土2.2 m。外墻窯隔材料為260 mm夯實(shí)黃土，窯隔內(nèi)收300～500 mm，形成自然雨篷。窯洞室內(nèi)外墻壁均為麥秸泥刷糊，加強(qiáng)氣密性的同時(shí)增加了防水效果。窯臉門框上部由磚石砌成拱券形式，每個(gè)窯洞門均為雙扇平開木門，在門框的左右兩側(cè)和上方設(shè)有不可開啟的木格柵窗，窗內(nèi)封半透明塑料布或僅用紙糊。院內(nèi)地面距離窯頂?shù)孛?5 m，與地面出入口通過臺(tái)階步道連通。

圖1 地坑院王宅1和王宅2現(xiàn)狀及平面圖

1.2 測試方案

分別在夏季大暑日和冬季大寒日前后，利用HOBO溫濕度數(shù)據(jù)記錄儀，對室內(nèi)不同位置以及窯洞內(nèi)外壁面進(jìn)行測量(上述時(shí)間段無極端惡劣天氣影響，屬于該地區(qū)夏季和冬季典型氣候)。測量數(shù)據(jù)包括室內(nèi)空氣溫度、相對濕度和室內(nèi)外壁面溫度。室內(nèi)溫濕度數(shù)據(jù)記錄儀的擺放位置如圖1所示，夏季王宅1有A，B，C，D4個(gè)測點(diǎn)(王宅1南向正中房間無人居住且常年落鎖，故而選擇房間1布置測點(diǎn))，分別為4個(gè)不同朝向的窯洞，用以測試太陽輻射對室內(nèi)熱環(huán)境的影響。冬季王宅1有A，B兩個(gè)測點(diǎn)，王宅2有G，H兩個(gè)測點(diǎn)。測點(diǎn)均位于室內(nèi)中部(距地面1.2 m處，距墻壁超過0.5 m)，能夠反映出室內(nèi)平均水平。壁面溫濕度數(shù)據(jù)記錄儀安裝在房間入口處，兩個(gè)探針穿過門框上方分別粘貼于墻壁內(nèi)外表面。數(shù)據(jù)記錄儀每15 min記錄一次數(shù)據(jù)，測試周期內(nèi)室內(nèi)無人工通風(fēng)及采暖降溫設(shè)備。冬季數(shù)據(jù)記錄時(shí)間為2021年1月18日14：00至1月19日14：00，當(dāng)日天氣為晴天，氣溫-2～6 ℃，偏東風(fēng)2級；夏季數(shù)據(jù)記錄時(shí)間為2020年8月4日17：00至8月5日17：00，當(dāng)日天氣為陰天，氣溫25～30 ℃，南風(fēng)。測量過程中居民仍然在正常生活使用，因此，測量數(shù)據(jù)具有實(shí)際意義。

2 測試結(jié)果與分析

2.1 室內(nèi)溫度

室內(nèi)溫度為實(shí)地測量所得，室外溫度數(shù)據(jù)來源于三門峽氣象局官網(wǎng)。在測試周期內(nèi)，通過對比室內(nèi)外平均溫度(圖2，表1)，可以明顯看出地坑院具備冬暖夏涼的優(yōu)點(diǎn)。室內(nèi)空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，夏季適宜的室溫為22～28 ℃，冬季為16～24 ℃[22]。由于農(nóng)村生活條件及生活習(xí)慣的影響，在農(nóng)村居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定，冬季室內(nèi)計(jì)算溫度應(yīng)取14 ℃[23]。實(shí)測結(jié)果顯示，地坑院夏季窯內(nèi)溫度全天均處于23～28 ℃之間，滿足人體舒適的溫度范圍。冬季室內(nèi)溫度總體看來更為穩(wěn)定，室內(nèi)最低溫度明顯高于室外，最高溫度室內(nèi)外較為接近。但與設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)要求相比冬季室內(nèi)溫度依然過低，需要采取保溫和采暖措施。

通過對比數(shù)據(jù)，圖2b顯示冬季室內(nèi)平均溫度王宅1A點(diǎn)高于王宅1B點(diǎn)，其朝向分別是南向和北向。因南向有陽光直接輻射，北向房間室內(nèi)溫度要偏低一些，且冬季溫差比夏季要大，體現(xiàn)出太陽輻射對室內(nèi)空氣溫度的直接影響。在圖2a中，A點(diǎn)雖處于南向房間內(nèi)但因其僅有外門處可接受太陽輻射進(jìn)行熱交換，夏季室內(nèi)溫度最低。結(jié)果表明，窯洞朝向和接受日照面積是影響其室內(nèi)溫度的重要因素，且朝向?qū)κ覂?nèi)溫度的影響在冬季比夏季更加明顯。

2.2 室內(nèi)相對濕度與風(fēng)速

根據(jù)民用建筑熱工設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定，夏季適宜的室內(nèi)相對濕度為60%左右，冬季適宜的室內(nèi)相對濕度為30%～60%[24]。圖2c和圖2d所示實(shí)測結(jié)果表明，測試周期內(nèi)，夏季窯洞室內(nèi)空氣相對濕度平均約為90%，最高可達(dá)94%，遠(yuǎn)高于標(biāo)準(zhǔn)中夏季人體熱舒適要求的范圍。而冬季窯洞室內(nèi)空氣相對濕度在30%～55%，平均為47%，可以滿足冬季人體熱舒適需求。

圖2 冬夏兩季室內(nèi)空氣溫度、相對濕度和圍護(hù)結(jié)構(gòu)壁面溫度

受地坑院下沉式布局影響，室外風(fēng)到達(dá)地坑院的院心時(shí), 風(fēng)速已經(jīng)降低到1 m/s以下，進(jìn)入室內(nèi)的風(fēng)速則更為微弱。根據(jù)夏季現(xiàn)場實(shí)測風(fēng)速，王宅1院內(nèi)風(fēng)速只有0.2～0.3 m/s，而在房間2門口測得的風(fēng)速低于0.1 m/s，無法滿足空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的夏季室內(nèi)風(fēng)速0.3 m/s的人體熱舒適需求[22]。而室內(nèi)環(huán)境封閉，與外界的連通洞口面積有限，空氣流動(dòng)不佳，正是窯洞室內(nèi)相對濕度過高的主要原因。尤其在夏季，窯洞室內(nèi)外溫差較大，在窯內(nèi)壁面和角落等部位特別容易結(jié)露產(chǎn)生濕霉菌。結(jié)合實(shí)地走訪和問卷調(diào)研，居民對夏季窯內(nèi)濕度過大引起的不適頗有微詞。尤其在農(nóng)村空心化嚴(yán)重的當(dāng)下，大多數(shù)窯洞均為留守老人居住，內(nèi)部過于潮濕成為其體感不佳和風(fēng)濕等關(guān)節(jié)疾病的主要原因。

表1 室內(nèi)外空氣溫度對比 ℃

2.3 圍護(hù)結(jié)構(gòu)壁面溫度

如圖2f所示，在測試周期內(nèi)，冬季王宅1的房間1圍護(hù)結(jié)構(gòu)外表面溫度為1.5～6.9 ℃，圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)表面溫度為3.0～4.6 ℃，室外壁面晝夜溫差達(dá)到5.4 ℃，室內(nèi)同期壁面溫差為1.6 ℃。王宅2的房間6圍護(hù)結(jié)構(gòu)外表面溫度為0.6～5.3 ℃，圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)表面溫度為5.4～5.6 ℃，室外壁面晝夜溫差達(dá)4.7 ℃，室內(nèi)同期壁面溫差僅為0.2 ℃。如圖2e所示，夏季窯內(nèi)壁面溫度較之室外也更為穩(wěn)定。測試數(shù)據(jù)表明窯內(nèi)氣溫變化受外界影響較小，室內(nèi)熱環(huán)境相對穩(wěn)定，地坑窯洞具有良好的保溫蓄熱性能。

值得注意的是，房間6為北向窯洞，因得不到陽光直接輻射，其冬季室外壁面溫度值最低。房間1為南向窯洞，室外壁面溫度較房間6稍高，但其冬季室內(nèi)壁面平均溫度卻低于房間6將近2 ℃。經(jīng)現(xiàn)場查驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，房間6入口在木門外還附有一道隔扇門，且門窗周圍和窯隔下半部分砌出一層磚；而房間1木門外邊僅有一層極薄的門簾，且門框和墻體連接處存在裂縫，因此，房間6外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的保溫和氣密性整體優(yōu)于房間1，冬季室內(nèi)溫度更高。由此表明窯洞的圍護(hù)結(jié)構(gòu)氣密性最薄弱的地方就在于窯隔，特別是門窗部位，提高其氣密性是改善房間保溫效果的重要措施。

3 地坑院室內(nèi)熱環(huán)境改造方案

通過上述分析，可以發(fā)現(xiàn)地坑院存在的主要問題是房間內(nèi)缺少空氣對流，導(dǎo)致夏季濕度偏高；冬季室內(nèi)溫度雖高于室外，但依然達(dá)不到滿足人體熱舒適需求的室內(nèi)溫度，仍有較大的提升空間。因此，地坑院室內(nèi)熱環(huán)境的優(yōu)化可以從改善室內(nèi)通風(fēng)狀況和提升保溫措施等方面入手。經(jīng)走訪調(diào)研可知居民大多選擇正中窯洞作為主窯和臥室使用，王宅1南向正中窯洞為戶主留給在外務(wù)工兒子的婚房，故而戶主常年居住于北向中窯即房間2內(nèi)。數(shù)據(jù)表明所有測試房間中房間2冬季室溫最低，夏季濕度平均值超過90%，室內(nèi)熱環(huán)境問題更為突出，因此，選取王宅1房間2進(jìn)行室內(nèi)熱環(huán)境優(yōu)化改造。

3.1 模型建立與驗(yàn)證

數(shù)據(jù)模擬采用綠建斯維爾軟件。對王宅1進(jìn)行實(shí)地測量之后，根據(jù)測量獲得的詳細(xì)數(shù)據(jù)在SketchUp中繪制地坑院的三維模型，然后將模型導(dǎo)入綠建斯維爾軟件中進(jìn)行三維模型的創(chuàng)建和模擬，最終將模擬結(jié)果與實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比。

冬夏季典型日室內(nèi)溫度實(shí)測值與模擬值對比如圖3所示。夏季實(shí)測和模擬數(shù)據(jù)接近，且變化趨勢一致，均為14：00點(diǎn)左右開始逐步攀升，20：00之后開始緩慢下降。冬季，實(shí)測和模擬數(shù)據(jù)多數(shù)時(shí)間比較接近，實(shí)測溫度在12：00—16：00存在陡升陡降的情況，分析原因?yàn)榫用裨谶@一時(shí)間段在房間內(nèi)存在生火做飯等室內(nèi)活動(dòng)，對冬季的室內(nèi)溫度影響較大。軟件模擬無法準(zhǔn)確模擬住戶的生活習(xí)慣(如生火做飯、開窗通風(fēng)等行為)，因此，模擬數(shù)據(jù)整體變化趨勢較實(shí)測數(shù)據(jù)來看更為穩(wěn)定。經(jīng)過計(jì)算得出，冬季實(shí)測數(shù)據(jù)平均值2.07 ℃，冬季模擬數(shù)據(jù)平均值1.97 ℃，相對誤差為4.8%；夏季實(shí)測數(shù)據(jù)平均值28.59 ℃，夏季模擬數(shù)據(jù)平均值27.29 ℃，相對誤差為4.5%。就冬夏季總體趨勢和變化幅度而言，軟件模擬溫度與實(shí)測溫度相對誤差均小于5%，在工程計(jì)算允許誤差范圍內(nèi)，證明本研究所采用計(jì)算模型正確。

圖3 冬夏季典型日室內(nèi)溫度實(shí)測值與模擬值對比Fig.3 Comparison of measured and simulated indoor temperature in typical winter and summer days

3.2 通風(fēng)改造

地坑窯洞僅有窯隔一個(gè)面通向下沉窯院，且窯隔處窗戶多為封閉的不可開啟窗扇，其室內(nèi)通風(fēng)主要依靠外門以及窯隔上部的開口較小的通風(fēng)孔。窯內(nèi)一般不設(shè)通風(fēng)孔，部分地坑院屋頂?shù)拈_孔多為排煙煙道。因此，地坑院室內(nèi)缺少空氣流動(dòng)，無法形成穿堂風(fēng)，室內(nèi)潮濕陰暗，通風(fēng)效果不佳，亟需改善。

3.2.1改造方案。地坑院獨(dú)特的布局形式使其無法在窯洞后部開窗，因此，窯洞室內(nèi)風(fēng)環(huán)境的改良措施主要為在窯頂上端設(shè)置直通地面的通風(fēng)井道、換氣扇和窯隔處附加送風(fēng)口。改造原理如圖4所示。

圖4 地坑窯置入通風(fēng)井和送風(fēng)裝置原理

3.2.2材料選擇。選取價(jià)格低廉且市場易購的材料作為改造的主要選材，以便于農(nóng)村改造推廣工作的推進(jìn)。為減少通風(fēng)井內(nèi)黃土脫落以及增強(qiáng)土體的穩(wěn)定性，選用質(zhì)量輕、耐腐性能好、綠色環(huán)保的PVC-U管作為通風(fēng)井的材料。選用可直接連接PVC-U管的管道式換氣扇作為加壓排風(fēng)裝置。

3.2.3模擬對比。運(yùn)用斯維爾軟件分別對改造前窯洞、增設(shè)不同通風(fēng)井(尺寸、位置、數(shù)量)、增設(shè)通風(fēng)井和送排風(fēng)裝置等情況進(jìn)行模擬(圖5)，計(jì)算室內(nèi)空氣流通情況。

改造前窯洞內(nèi)模擬通風(fēng)狀況(圖5a)表明，室內(nèi)多數(shù)區(qū)域?yàn)闊o風(fēng)區(qū)，僅入口處有0.01～0.05 m/s的微風(fēng)，通風(fēng)狀況極為不利。

增設(shè)不同尺寸、位置和數(shù)量的通風(fēng)井。① 尺寸變化。為驗(yàn)證通風(fēng)井尺寸對室內(nèi)通風(fēng)的影響，分別選用市場上常見的PVC-U管規(guī)格尺寸(直徑100 mm，160 mm，320 mm)進(jìn)行模擬(圖5b，圖5c，圖5d)。通風(fēng)井直徑100 mm、160 mm和320 mm時(shí)，室內(nèi)最高風(fēng)速分別為0.133 m/s，0.155 m/s和0.191 m/s。結(jié)果表明隨著井道尺寸增大，通風(fēng)情況雖逐步提升，但風(fēng)速依然達(dá)不到要求，且單純增大井道尺寸的改善效果并不明顯。研究數(shù)據(jù)顯示，窯拱對通風(fēng)孔尺寸的變化較為敏感，為保證結(jié)構(gòu)安全應(yīng)將其對結(jié)構(gòu)的破壞限制在一定范圍內(nèi)，當(dāng)通風(fēng)孔直徑為160 mm時(shí)窯拱的受力并沒有明顯變化[25]。因此，通風(fēng)井規(guī)格選用160 mm較為合適，既改善通風(fēng)效果又可降低結(jié)構(gòu)的不利影響。② 位置變化。為驗(yàn)證通風(fēng)井位置對室內(nèi)通風(fēng)的影響，在窯洞中部位置拱頂設(shè)置160 mm通風(fēng)口進(jìn)行模擬(圖5e)。與同規(guī)格通風(fēng)井設(shè)于窯尾相比，窯內(nèi)整體風(fēng)速情況變化不大，但靠近窯尾處風(fēng)速明顯減弱。窯尾及角落部位極易結(jié)露產(chǎn)生濕霉菌，對通風(fēng)要求更迫切，因此，宜將通風(fēng)井設(shè)于窯尾。③ 數(shù)量變化。為驗(yàn)證通風(fēng)井?dāng)?shù)量對室內(nèi)通風(fēng)的影響，在窯尾拱頂并排設(shè)置兩個(gè)160 mm通風(fēng)口(圖5f)。與只在窯尾設(shè)一個(gè)送風(fēng)井相比，窯洞內(nèi)整體風(fēng)速更均勻，靠近角落地方的無風(fēng)區(qū)也相對減少。

圖5 不同通風(fēng)井夏季房間2室內(nèi)風(fēng)速云圖

增加通風(fēng)井和送排風(fēng)裝置。雖然增加通風(fēng)井道對窯內(nèi)通風(fēng)環(huán)境有所改善，但仍存在部分無風(fēng)區(qū)，若想緩解夏季高達(dá)90%的室內(nèi)相對濕度，其通風(fēng)量遠(yuǎn)不達(dá)標(biāo)，還需引入置換通風(fēng)系統(tǒng)。即在窯尾通風(fēng)井底部設(shè)置水平風(fēng)口，安裝平均風(fēng)速為3.5 m/s的管道式換氣扇，同時(shí)在窯隔底部戶門兩側(cè)各設(shè)置一個(gè)尺寸為150 mm×150 mm、距地面高度200 mm的通風(fēng)口，依靠排風(fēng)后室內(nèi)氣壓降低自動(dòng)補(bǔ)入新風(fēng)形成空氣流動(dòng)(圖6)。增設(shè)此系統(tǒng)后，室內(nèi)整體風(fēng)速為0.3 m/s左右，基本達(dá)到室內(nèi)空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)要求，室內(nèi)通風(fēng)環(huán)境得到顯著改善，對室內(nèi)換氣和除濕極為有利。因此，在地坑窯洞內(nèi)選取通風(fēng)井和主動(dòng)送排風(fēng)裝置組合來進(jìn)行通風(fēng)改造更為合適，可有效緩解室內(nèi)濕度過高的弊端，增加居住環(huán)境舒適度。

圖6 增加通風(fēng)井和送排風(fēng)裝置夏季房間2室內(nèi)風(fēng)速云圖

3.3 保溫改造

3.3.1圍護(hù)結(jié)構(gòu)改造。地坑窯洞除窯隔部位與外界接觸外，其內(nèi)部墻體和屋頂均為具有導(dǎo)熱系數(shù)小、高熱容特性的黃土材料，其中內(nèi)墻四周為大地土體，屋頂土層厚度也超過2 m，因此，窯隔是冬季保溫的關(guān)鍵。窯隔門窗部位一般都是傳熱系數(shù)較大的簡易單層木制門窗，且門窗玻璃多有破損，氣密性極差，冬季熱交換頻繁，是最為薄弱的環(huán)節(jié)。因此，降低外圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)和提升氣密性是改善窯洞冬季保溫的最佳途徑。具體改造措施如下：① 將窯隔原有單層實(shí)體木制外門更換為中間有填充物的木頭夾層門；② 將原有的單框木窗更換為塑料型材框+中空玻璃(內(nèi)加干燥劑)；③ 為保持原有地坑院民居風(fēng)格，采用膠粉聚苯顆粒保溫砂漿進(jìn)行內(nèi)保溫處理，在窯隔外部砌筑黏土空心磚砌體。此外，為增加門窗氣密性，還可增設(shè)門簾、門斗等，以防冷風(fēng)入室。地坑院外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的改造前后構(gòu)造及熱物性參數(shù)見表2[24]。

利用斯維爾軟件對改造的房間2進(jìn)行全年8 760 h的室內(nèi)溫度模擬計(jì)算，查看室內(nèi)溫度變化情況。模擬數(shù)據(jù)表明，冬季室內(nèi)溫度由1.7～2.2 ℃變?yōu)?.1～3.0 ℃，高溫僅提升了0.8 ℃，雖然高于室外1 ℃的平均溫度，但距離適宜的室溫依然相差很遠(yuǎn)。相比普通民居建筑而言，地坑窯洞總體圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱已經(jīng)很少，因此，針對圍護(hù)結(jié)構(gòu)的保溫改造只能小幅度優(yōu)化保溫性能。且根據(jù)當(dāng)?shù)鼐用裆盍?xí)慣，即使在冬季，居民每天進(jìn)出室內(nèi)次數(shù)依然較為頻繁，故而提升效果較為有限。

表2 改造前后外圍護(hù)結(jié)構(gòu)構(gòu)造及熱工性能

3.3.2增加室內(nèi)熱源。為使地坑窯洞冬季室溫達(dá)到舒適標(biāo)準(zhǔn)，僅靠圍護(hù)結(jié)構(gòu)改造措施尚顯不足，仍需使用室內(nèi)熱源進(jìn)行采暖。傳統(tǒng)窯洞大多使用火炕和煤爐改善其冬季室內(nèi)熱環(huán)境，但據(jù)研究數(shù)據(jù)顯示，窯洞建筑全生命周期內(nèi)每年的碳排放量為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，應(yīng)取締火炕、煤爐等傳統(tǒng)采暖設(shè)備，積極推進(jìn)清潔能源取暖設(shè)備的使用。

4 結(jié)論

(1)相比室外，地坑窯內(nèi)室溫整體更為穩(wěn)定，證明其具有良好的冬暖夏涼、保溫隔熱特性。夏季室內(nèi)空氣溫度滿足人體舒適的溫度范圍。雖然冬季室內(nèi)溫度比室外氣溫高出3 ℃左右，但若想達(dá)到舒適溫度范圍仍需采用取暖措施。地坑窯洞夏季室內(nèi)空氣相對濕度平均為90%左右，遠(yuǎn)超室內(nèi)舒適濕度范圍，亟需引入通風(fēng)措施。無論冬季還是夏季，地坑院室內(nèi)壁面溫度都更為穩(wěn)定，證明生土材料具有良好的保溫蓄熱性能。

(2)針對窯內(nèi)夏季濕度過高的問題，可以采取的有效改善措施為在窯尾增設(shè)通風(fēng)井和換氣扇，窯隔設(shè)置送風(fēng)口，增加室內(nèi)空氣流動(dòng)。針對冬季室內(nèi)溫度低的問題，可以采取措施降低外圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)和提高圍護(hù)結(jié)構(gòu)的氣密性等方式，尤其應(yīng)對門窗氣密性進(jìn)行提升，阻止冬季冷空氣滲透。

(3)從模擬結(jié)果看，窯洞僅進(jìn)行被動(dòng)式優(yōu)化改造的效果有限，想要達(dá)到舒適的熱環(huán)境仍需使用主動(dòng)裝置。在通風(fēng)改造中，通風(fēng)井和主動(dòng)送排風(fēng)裝置的組合使用效果最好，能有效促進(jìn)空氣對流，改善窯洞室內(nèi)濕度過高的狀況。冬季保溫的改造通過更換門窗和增加內(nèi)保溫等措施，可適當(dāng)提升室內(nèi)溫度，也可以使用室內(nèi)熱源以及清潔能源如太陽能采暖設(shè)備。

(4)根據(jù)模擬結(jié)果，改造方案使地坑窯洞室內(nèi)熱環(huán)境得到改善，在提高舒適度的同時(shí)保留了地坑院的傳統(tǒng)特色和優(yōu)點(diǎn)。改造材料便宜易得，施工方式可行性高且具備推廣價(jià)值。但鑒于目前研究條件有限，未能結(jié)合示范工程進(jìn)行驗(yàn)證，可在后續(xù)研究和實(shí)踐中進(jìn)一步完善。