黄土高原窑居建筑生态节能分析
发布时间：2020-09-04
摘要：传统窑居建筑作为我国最具典型和原生态的民居形式之一，其建造技术、绿色材料、优良的热工性能等方面在生态节能方面具有较高的适应性价值和借鉴意义。本文从围护结构入手，分析墙体结构和开窗方式，以此来研究窑居建筑的保温隔热以及采光通风情况，总结出窑居建筑内在的绿色设计与技术措施。
关键词：窑居建筑;围护结构;保温隔热;通风采光;生态节能
黄土高原区域年平均温度为-3.6～14.3℃，冬季严寒、夏季暖热，温差较大，同时该地区四季干燥，降水稀少，春旱现象严重。且由于太阳高度角较高，日照强度极高，加上干燥、风沙，呈现出实际蒸发量普遍高于实际降水量的态势。传统窑洞民居主要集中在黄土高原地区，受到当地环境的影响，窑居建筑的营建过程因地制宜，利用独特的黄土资源，顺应地形，打造了一个“冬暖夏凉”极具特色的民居形式，其围护结构的构筑特点也决定了窑居建筑内部独特的生态环境。
一.窑居建筑类型
传统窑居建筑一般可以分为三大类型：独立式窑居、靠崖式窑居和下沉式窑居。独立式窑居又被称为“箍窑”、“四明头窑”，是指在地面平地空间上直接利用黄土、砖、石、草泥垛等天然材料砌筑的一种独立式建筑，建筑的四个方向均不依靠山体而存在，独立式窑居由于各个面都朝向室外，因此在采光通风方面相对于另外两种窑居类型较好。靠崖式窑居是依靠山体或其他地形靠背的窑洞形式，其常常呈现出一种顺应地形的排布之势，通常建筑背靠地形，形成一个向外围合的空间，不仅能够阻避风沙，接受较强的太阳辐射，而且还能调节小气候。我国陕北地区平原较多，通常无山可依，风沙较大，因此下沉式窑洞应运而生，人们直接在地平面之下开挖窑洞，以此避免受到自然环境的影响，但是下沉式窑洞施工时较为复杂，不仅要考虑土地的沉降，还得解决防水排水等问题，同时通风采光条件较差。
二.窑居建筑围护结构
建筑围护结构是整个建筑与外界紧密接触的重要部分，其夏季隔热降温和冬季保温储热能力直接决定了建筑室内环境的热舒适性。黄土高原地区窑居建筑充分的考虑到当地的气候，地形等特点，运用黄土资源，构筑了一个适应性较强的建筑生态机制。
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1.墙体特点
窑居建筑大部分采用当地的黄土作为其最基本和最重要的生土材料。窑居建筑的墙体主要由窑背墙、两边的窑邦、窑面墙和窑腿四大部分组成。在此墙体结构中，窑邦与窑腿就相当于现代建筑中的承重柱与地基。以此为基础加以黄土夯实，可以构筑一个坚实稳固的墙体结构。尽管该地区昼夜温差变化较大，但是由于墙体为厚实的夯土墙，其厚度与密度均已保证了室外温度的波动不会引起建筑内部气温的较大起伏，再者由于材质与厚度决定了窑居建筑的墙体具有一定的储热能力，因此在寒冬时，可以起到一定程度的内部气温调节作用。早期窑脸墙体多采用泥浆抹面的构造形式，保温隔热性能良好。现代窑脸墙体普遍采用基砖和瓷砖相结合的构造形式，在建筑物理节能原理上，建筑物某些部位因构成材料自身热工性能的不同而产生道冷(热)能力的突变，建筑学上将这种现象称为冷(热)桥。并且砖石等材料相对泥浆来说传热能力强，因此现代的一些墙体做法在一定程度上不利于保温隔热。在窑居建筑中为了防雨水侵蚀和地下潮气而造成墙基不稳，一般将窑脸底部用砖或石块砌起来，以防水蒸气渗入墙体。
2.门窗特点
和现代建筑一样，普遍存在和暂时难以解决的问题就是围护结构中门和窗户的节能技术。窗户一直被视为建筑最为薄弱的环节，能耗损失巨大。窑居建筑也不例外。早期窑居建筑为了更好的保温隔热，特将门窗洞口开的较小，以此来防止能量的流失，而现代窑居由于技术和材料的改进，可将窗户尺寸做的比较大。黄土高原地区的窑居建筑通过减小开窗面积来增加土墙面积，以达到整体上的保温隔热。
3.屋顶结构特点
传统窑居屋顶普遍做黄土覆土处理，覆土厚度达1米到1.5米之厚。中间砖拱体系承重，内层一般用泥浆、白灰浆或者水泥抹面，防止砖缝掉土，也为其室内美观、舒适，面层则采用黄土压实。屋顶厚土刚好在砖拱体系的承重限度内，起到了非常好的节能效果。
4.地面结构特点
窑居室内地面构造一般由面层和基层构成，基层仍为黄土夯实，厚度达半米左右，面层根据居民家庭的经济实力和主人喜好来决定铺设的材质。当地普遍用砖铺面，而很少用石材、地砖等。原因有三：(1)屋内经常做饭，难免会有水洒在地面上，砖地面可以很快渗水，光滑、不耐脏。(2)夏季为防内部空气干燥，主人会经常洒水，砖有临时吸水储水的作用。(3)石板地面脏了打扫起来很费力，不实用。当地地下水位低，比较缺水，地面不必过分防潮。
三.采光、通风与遮阳特点
1.采光
整个地区地广人稀，基本上所有的窑居窑前都以宽大的院落空间组成住户单元，院子南北进深至少十几米，并且每一户之间相隔较远，再之该窑居都是一层，所以在自然采光方面完全达到现行日照间距标准，采光充足。但窑洞内部的自然采光由于只有窑脸一面开洞口，而且当地为了保证冬暖夏凉的优势，早期人们一般将窗户开的较小，并且由于墙体厚度的限制，开窗的进深较大，从而影响了室内的天然采光。而随着窑居建筑的发展，人们也开始逐渐重视采光的问题，通常会增大开窗面积或在门上开设亮子来增加室内光照度。
2.遮阳
窑居筑普遍采用出挑的檐廊进行遮阳。当地一般将檐廊设置在窑脸的高窗和低窗中间的位置，与主体窑洞相接。起到遮阳、避雨、停留以及联系室内外空间的过渡作用。夏季的时候，太阳高度角较大，檐廊可以有效遮挡避免太阳光直射室内;冬季的时候，太阳高度角变小，檐廊对室内采光影响较小。
3.通风
早期独立式窑居在通风方面是一项不足之处，现代人们为解决窑洞通风不足的状况，在开窗形式上做了调整。窑脸下部开较大的门窗洞口，上部天窗开的较小，这在室内通风上起到了一定的效果。夏季西南风自下部门窗进来，上部小天窗就像一个抽风口一样将风不断拔出，如此循环不停，组成窑洞良好的通风系统。
四.总结
人们逐渐认识到生态环境对人们生存和生活的影响，环保意识逐渐加强。在乡村旅游可持续发展的大环境下，窑洞民居的建筑形式，生于自然，融于自然，因地制宜，就地取材，是最符合绿色理念的乡村民间建筑。通过对窑洞民居的深入研究，总结窑居的绿色设计与技术措施，引领绿色生态旅游方向，提高人们保护环境的意识，促进乡村建设可持续发展，推动我国传统民居文化的发扬和传承。——论文作者：朱虹 1 余翰武 1 何宇丰 2
