简介在中国的北部地区，分布着世界上最大的黄土高原，著名的中国式窑洞民居就分布在这一广阔的地区，形成了具有北方特色的生土建筑群。生土建筑是利用生土材料营建主体结构的建筑，或在原状土中挖凿的窑洞或利用生土、沙石掩覆的各类建筑。它始于人工穴居、半穴居时代，已有悠久的历史。这里所指的生土建筑，只限于地表浅层 ，不包括地下深层的地下建筑。其特点是可以就地取材，易于施工，便于 自建，造价低廉，冬暖夏凉，节省能源，节约占地；有利于生态平衡、隔音、减少污染。
而其中的下沉式窑洞，是我国风水理论的起源，河南省洛阳市孟津县前海资村马才升窑洞住宅，基于风水理论产生了四合院型建筑设计规则，即闭合环绕的建筑空间带有上见天、下接水的天井。其闭合环绕天井式的建筑模式，阻挡了室外污染的进人从而能保持室内空气清洁干净。开敞的院子能够引进阳光、雨水、新鲜空气以及长波辐射。院子上面朝天，下面以地表面为基能够保持院子和院子周围的房间有良好的气候环境。
特征下沉式窑洞的良好性特征1、平面布局。一般采用南北向布置，人 121及生活用房设在南向最佳位置，辅助用房设在北向。
2、窗。窑脸上开大窗，白天可以吸收大量的太阳能，提高室温。窗上设棉、毯子、茅草、牛皮纸等材料做成的保温帘子或窗板 ，白天卷起，晚间放下。方法虽然很简单 ，但保温效果却很明显。有的采用铝箔窗帘，经实测窗的热阻值提高 2．4倍，而其价格仅 10元／m2左右，是花钱不多，效果甚佳的保温节能措施。窑脸上部开高侧小窗，仅用于夏季通风，多数居民在冬季用草帘或土坯将其封闭。一些地区冬季在双层木窗上加设一层塑料薄膜，减少传热耗热量 20％以上 ，且可以大量减少冷风渗透所造成的耗热量。门窗缝隙采用棉布条等封糊 ，以防止冷风渗透。
3、墙体材料。窑洞民居除使用实心粘土砖外 ，还使用大量与城市不同的地方材料，如火山浮石砌块、稻草板、粘土免烧砖 、草泥拉合辫等节能保温材料。这些材料不仅节省其制作 时所用的能耗 ，且经测试 ，其保温效果优于实心粘土砖。
4、热系统与采暖方式。主要靠火炕 ，通过每天三顿饭的生活热来采暖，有时在睡前适量补烧火炕，所用燃料多为植物秸杆、茅草及少量的煤。有测量数据显示，尽管窑洞内温度很低，但炕面温度却在 45℃--33℃之间。即炕面区域始终处于较舒适的温热状态。北方农 民的冬季活动范 围主要局限于火炕上。他们在炕上用餐、学习、做家务、会客、就寝等。人体对于气温最为敏感的部位是脚，而农民脚部常接触的是炕面。因此，尽管室内大部分空间气温较低，且处于温度不断变化的波动之中，但农民们的感觉仍是舒适的。火炕可以在不必特殊供热的条件下，将室内外气候、人体所处微气候环境及人体昼夜热舒适感合理结合起来，提供有益于人体健康的微小热舒适环境 ，较为科学地创造出相对舒适的室内热环境。下沉式窑洞冬暖夏凉的热工性能分析因为在高空的空气温度变化比地面小，则可以表示为：
=t0+At (1)
其中，￡0和 t 分别为地表面和高度为h处的空气温度；At为由太阳辐射加热地表面和长波辐射引起 的空气温度差。长波辐射可以引起温度梯度的变化大约为At1：±3．42×10 K·iTI。在100 m高度，温差 At=±3．42 K。由空气中水分相变引起的温差。
At2=±2．5×10。r K (2)
其中，r 为相变率。当 r ：10 时，At2=±2．5 K；温度变化与高度差成 比例为 At3≈10 Ah，当 Ah：100 iTI时，At3=±1 K。因此在 100 rn高空温差的总和可以估计为：
f一7 K(在 日照下的气流上升)
At= 0 K(多云天) (3)
l+7 K(晴朗的夜晚)
下沉式窑洞院内的气候是冬暖夏凉。由于空气在庭院的上部交换，这就使得下沉式窑洞院内空气质量好，空气温度年变化小，如图 1所示。夏天室外空气将水分带进庭院，由于蒸发而引起庭院空气温度降低。
“ 二 j
向下气流／ ＼向上气流
￡O／ ＼ ￡O
— — — — — — — — — 一 — — —
t下沉式窑洞的节能效应下沉式窑洞的庭院向天空开放，其 内热质传递是间接的，由下面的热平衡方程可以求出空气温度 t h，。
P／-／Ro(t —tcy)+ARe(tG—tcy)+V iCp(t —tcy)+V oc户(to—t )=0 (4)
其中，P为下沉式窑洞的平面周长；H 为下沉式窑洞的高度；Ro为下沉式窑洞的内墙总热阻的倒数 ；A 为下沉式窑洞的平面面积 ；RG为下沉式窑洞地坪热阻的倒数；V为空气流速；Pi为室内空气密度 ；Po为室外空气密度；c 为空气的定压比热。 从(4)式解出 ￡ 为：
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分别为室内空气温度 ，室外空气温度和地基温度，下沉式窑洞的空气温度是三个温度 t ，t0，tG的加权平均值，一定比室外温度高。
可以说 ，通过下沉式窑洞的大量能量被回收和利用。问题与缺陷与此同时，下沉式窑洞还存在许多热工方面的缺陷，室 内气温较低；因外墙内表面温度过低，人体长波热辐射失热量大而产生寒冷感；室内相对湿度大而产生不舒适感。在每年最寒冷的两，三个月时间里，上述问题更加严重；内表墙体吸湿后，导热系数增大，保温状况更加恶化；厨房、仓库等辅助房间，结冰、结霜现象更为严重，且长时间不融。虽上述各部位造成现行状况的具体原因有差异，但均系各部位内表面温度低于露点和冰点所致。究其原因，主要为 ：
1、墙体过薄，总热阻过小 ，有的甚至低于低限热阻；
2、供热能源不足，以及一 日三把火的间歇式供热，导致夜间室温过低(常常在 0℃以下)，清晨墙体各部位内表面温度亦过低， 清晨升火后热空气遇到低温墙面后 ，结露是必然的现象；
3、墙体内层材料的蓄热系数大，其对流的热量不足以使内表面温度高于露点和冰点。
结语通过对试点住宅的实测及使用情况分析，对外墙的热工设计，应以围护结构内表面衰减倍数 u≤1．3为控制指标。北方乡村民居外墙应放弃使用单一材料，转而采用内保温节能复合墙体。外围护结构的构造设计，应以简单、易施工、耐久、造价低及符合建筑物节能保温原理为前提。对外墙的构造形式，尚需说明如下：
1、采用松散保温材料时，应做防潮处理(如采用塑料袋密封包装)，可不设聚湿层。
2、采用吸湿性高的保温材料时，应设聚湿层。因为室内水蒸气分压力远大于室外，所以室内水蒸气传 向室外过程中必将在承重层内表面冷凝 ，致使保温材料外表面湿度增大。在保温材料两侧形成由外向内的水密度梯度，从而使全部保温材料受潮。
3、对吸湿性不高的保温材料 ，如聚苯乙烯泡沫塑料等亦可不设聚湿层。高压喷涂聚苯乙烯所形成的保温层的效果是理想的。
北方传统乡土民居要得到良好的提高和发展，实现我国住宅的战略 目标——节能，只有从理论和实践上对其平面设计、节能措施、室内热舒适度、建筑材料等方面进行深入的研究，以先进的科学技术去指导建筑设计，才能使传统的民居向更健康的方向发展。
