严寒地区农村土坯房室内热环境研究

文／甄 蒙 西安交通大学人居学院（通讯作者）

梁博武 西安交通大学人居学院

邹奇书 西安交通大学人居学院

引言

我国幅员辽阔，横跨多个气候带，全国各地气候条件差异较大，因此千百年来各地形成了各具特色的传统民居。如北方地区的土坯房就是适宜当地气候的典型传统民居。土坯房由于其优异的热工性能，在北方地区的农村曾经广泛分布，目前农村地区仍有很多的人居住在土坯房中。土坯房的热舒适性也受到了较为广泛的关注，改良土坯房的热舒适性对改善农村人口居住环境具有十分重要的现实意义。考虑到土坯房具有易于就地取材、便于施工、冬暖夏凉的优良性能，符合可持续发展的理念，因此研究其各项特性，特别是其热工性能对绿色建筑的发展具有一定的参考作用。

在土坯房热环境研究方面，高翔翔等通过现场实测，对传统围护结构保温做法下火炕对室内热环境的影响进行了定量评价，指出了火炕在冬季采暖中的重要性[1]。胡冗冗等通过实测结合模拟的方法分别对生土及砖混民居的室内温湿度进行对比分析，并深入分析了生土建筑的热工性能优缺点，并提出了改进措施[2]。同时，关于传统民居的室内热舒适的研究近年来也逐渐受到关注。Jing Zhang 等人提出了一种对于土坯房改进的评价方法，对甘肃某土坯住宅进行实测及评价，结合经济性及热舒适性，得出稻壳隔热屋顶具有较好的性能[3]。Yan Xiong 等人对我国夏热冬冷地区的城市住宅和农村传统住宅的热舒适性进行了问卷调查，结果表明农村居民对于寒冷条件的耐受性更强[4]。

本文对河北省张家口市方家梁村一栋土坯房进行了现场实测。通过实地测试，描述土坯房全天的室内、室外的温湿度变化，针对土坯房的热舒适性进行分析，从而提出改善土坯房热环境的优化设计策略。

1 研究方法

本文通过现场实测结合数据分析的研究方法，对土坯房的内部热环境及热机制进行量化研究。

1.1 测量地区及时间

本文所选实测地点为河北省张家口市赤城县方家梁村（40.92°N，115.8°E），河北省张家口市属于温带大陆性季风气候，气候特点为一年四季分明，冬季寒冷漫长。实测时间为2020 年1 月9 日至2020 年1 月12 日，为期三天，此次实测地点位于张家口市的赤城县方家梁村，测量对象为一独栋土坯房，实测对象如图1 所示。

1.2 测量设备

具体内容见（表1）。

表1 实测用温湿度记录仪基本参数（表格来源：作者自绘）

1.3 实测对象

实测对象为一单层的土坯房（图1）。围护结构为粘土制成的土坯，上部围护结构为普通青瓦，背靠土坡，独立结构，坐北朝南。东西方向为三间，自西向东分别为卧室1、客厅、卧室2，宽度分别为2.3m、2.25m、2.3m。房屋为拱形结构，前檐口距地面高2.55m，顶部高3.47m，后部檐口距地面高1.7m，南北存在高差。房屋内分为三间，墙体厚度为0.66m。卧室1 内部有高度为0.7m 长1.7m 宽2.3m 的火炕，房间靠南有一宽1.3m 的窗户，卧室门为宽度0.6m 的木质门，房间背面墙体无门窗，正门为南面正中间的宽度1.0m 高度2.35m 的木质门。此次实测选取无人居住的卧室1 为测试对象。

图1 实测土坯房（图片来源：作者自摄）

1.4 测点布置

实测内容为室内外温度及湿度，数据记录为每分钟一次。考虑到此次实测目的是探究土坯房内部温湿度变化情况，同时探究土坯墙作为围护结构的热工性能，此次实测一共布置了8 个测点，其中4 个测点位于室内，4 个测点位于室外，具体布置如图2 所示。

图2 实测测点布置图（图片来源：作者自绘）

2 现场实测及分析

2.1 室内外温度对比

本次测试中测点1、2 分别测试的是室内外温湿度，从1 月9 日开始为期三天。本文选取从1 月10 日0 点开始到1 月12 日0 点结束的数据进行对比分析，并更加直观地对室内外温度进行了逐时对比（图3）。

由图3 可知，在绝大多数时间内，室内温度均高于室外温度。再对室内外平均温度进行对比：1 月10 日室内平均温度为-6.04℃，室外平均温度为-10.4℃；1 月11 日室内平均温度为-6.95℃，室外平均温度为-12.61℃——两天室内外平均温度差值均大于4℃。由此可知，由于土坯墙及屋顶的保温隔热，室内温度能够保持一个相对高于室外的水平。

图3 室内外温度对比（图片来源：作者自绘）

2.2 室内外墙体温度对比

为了测试土坯墙在严寒地区冬季的热表现，分别对测试对象的三面外墙的室内外温度进行了测试，对相邻测点处内外测点进行两两对比分析。

如图2 所示，西墙室内外温度测点分别为测点3、4，北侧墙体室内外温度测点分别为测点7、8，南侧墙体室内外温度测点分别为测点5、6。测点测试的是墙体内外侧的表面温度，测点紧贴墙体表面。分别对所得数据进行处理，选 取 从1 月10 日0 点 到1 月11 日24 点 两 天的数据进行对比分析，结果如图4、图5 所示。

由图4 可知，墙体外侧表面温度仅在中午时由于太阳辐射的影响短时间高于墙体内侧温度，总体上墙体内侧温度均高于墙体外侧温度，再对墙体内外侧表面平均温度进行分析：10 日墙体内侧平均温度为-6.58℃，墙体外侧平均温度为-10.66℃；11 日室内平均温度为-7.29℃，室外平均温度为-11.4℃——10 日墙体内侧温度高于外侧4.08℃，11 日墙体内侧温度高于外侧4.11℃，体现了土坯墙具有一定的保温隔热性能。

图4 西侧墙体内外侧温度对比（图片来源：作者自绘）

如图5 所示，南侧墙体外侧温度整体上高于内侧温度，且在温度变化趋势及温度变化的范围内出现了较为一致的情况。测试期间，墙体内侧最高温度出现在1 月10 日11 ∶45 左右，最高温度为-3.5℃；最低温度出现在11日3 ∶30 左右，最低温度为-8.1℃；温度变化范围为4.6℃。测试期间，墙体外侧最高温度出现在10 日15 ∶30 左右，最高温度为-1.5℃；最低温度出现在11 日8 ∶10 左右，最低温度-6.8℃；温度变化范围为5.3℃。从平均温度来看，测试期间内侧墙体平均温度为-6.1℃，外侧墙体平均温度为-5.05℃，与图表所呈现的相一致。为了初步探究造成这种差异的原因，再次对三面墙体的外侧温度、内侧温度进行对比（图6）。

图5 南侧墙体内外侧温度对比（图片来源：作者自绘）

由图6 可以看出，南侧墙体除11 日中午短时间内外侧温度低于西侧墙体0.3℃以外，其余时间均高于其他两面墙体。这与三面墙体所受到太阳直射时间长短有关：南侧作为向阳面，受太阳直射时间最长；西侧墙体在下午可以受到部分太阳直射；北侧墙体则无法通过太阳直射得热。南侧外墙太阳直射时间多于其他墙体，墙体蓄热多于其他墙体，使得南侧墙体外侧温度较高。

图6 三面墙体外侧温度对比（图片来源：作者自绘）

综上，造成南侧墙体外侧温度高于内侧温度且变化范围基本一致的原因可以初步确定为：

（1）南侧墙体受太阳直射时间最长，外侧温度明显高于其他两面墙体。

（2）南侧墙体有窗户，使得墙体内侧温度受到外侧温度变化的影响变大。

3 室内热舒适评价

在实地测量中，我们对实测土坯房内的温湿度进行了记录，为了能更具体地描述土坯房内的热环境，结合热舒适评价指标对该土坯房内的热舒适进行分析。

3.1 热舒适评价指标

目前已有的热舒适评价指标主要有有效温度（ET）、标准有效温度（SET）、预测平均投票值和不满意度（PMV/PPD）等[5]。由于PMV 在室内热舒适研究中使用广泛，本次热舒适评价将采用PMV 指数对实测土坯房内的热舒适进行评估。

预测平均投票值（PMV）是应用统计学将干球温度、风速、湿度、平均辐射温度以及人体的新陈代谢、服装热阻等六个变量结合起来，而建立的热舒适评价指标[6]。根据《室内人体热舒适环境要求与评价方法》（GB/T33658-2017）[7]PMV 值的范围在-3 ～3 之间。分别表示七种热感觉（表2）。

表2 PMV 评价指标（表格来源：作者自绘）

3.2 热舒适评价与分析

3.2.1 参数确定

在计算PMV 值时需要的参数可以通过查阅相关标准确定，本次测试环境确定且测试房屋内居住的老人即为热舒适评价的对象，再结合《室内人体热舒适环境要求与评价方法》（GB/T33658-2017）[7]确定相关参数。

由于测试时间为冬季且结合当地气候，服装热阻为2.55m2·℃/W；实测房屋内居民为一老人（92 岁），人体代谢率为58W/m2；室内风速约为0.1m/s。

3.2.2 热舒适评价

根据PMV 计算公式，将确定的参数带入，并运用Matlab 进行相关函数的编写，确定实测温、湿度为变量，输入相关函数，得到不同时间段内室内PMV 值（图7）。

图7 室内PMV 值（图片来源：作者自绘）

结合表2 及图7 可以看出，在实测过程中，该实测房屋内PMV 值在-3 ～-2.6 之间变化，即预测热感觉介于凉和冷之间（-2.6 ～-3），且在大部分时间内趋近于冷，表明该房屋室内热环境需要改善。

结语

本文通过对河北省张家口市方家梁村某土坯房进行冬季室内热环境及土坯墙体内外侧的温度实测，进而借助PMV 公式得到土坯房内的热舒适情况，以此反映严寒地区冬季该土坯房内的热环境情况，得到的结论如下：

（1）从室内外温度对比可以看出，室内温度总体上高于室外温度，室内平均温度高于室外平均温度4℃以上；室内外温度变化趋势较为一致，但室内最大温差远小于室外最大温差，不足室外最大温差的20%。由此可见，土坯房具有一定的保温隔热性能，在没有室内热源的情况下，保证了室内温度高于室外温度。

（2）通过对土坯墙内外侧温度变化情况的对比，墙体内侧温度总体上高于外侧温度，墙体内侧平均温度高于墙体外侧约4℃；墙体内外侧温度变化趋势基本一致，但墙体内侧温度变化范围小于外测温度变化范围，约为外侧温度变化范围的10%。由此可见，土坯墙对室外温度变化具有一定的消减作用，保证了墙体内侧及室内温度的稳定。

（3）将实测温湿度与PMV 公式相结合，得到实测土坯房内部的热舒适情况，该实测房屋内PMV 值在-2.6 ～-3 之间，即预测热感觉为冷。表明该房屋内的热环境需要改善。因此，本文通过实测，对严寒地区土坯房内居住者的热舒适进行研究，为提高农村土坯房的热舒适水平提供了数据支撑。