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摘要：以山西传统窑洞为研究对象，通过文献数据分析和实地调研两种方式，提出了山西传统窑洞建筑的通风设计策略。旨在将自然通风的绿色生态方式由传统窑洞普及到现代建筑中去。
关键词：山西窑洞;热压通风;通风;建筑设计
1.现象发现
在我的印象中窑洞建筑是借助自然条件达到冬暖夏凉的室内环境的建筑形式，在采光和通风方面有它的局限性。但是事实却不是这样，虽然目前建筑技术、材料和形式都日趋多样化，但很多居民仍选择居住在窑洞中，这就表明窑洞建筑也在不断改进。在保持其原有经济性、区域性、简易性、舒适性、生态性的前提下，窑洞建筑在采光和通风上也有了一些新的技术。我们在窑洞里待了一段时间，发现并没有发生通风方面的问题，并没有觉得很不舒适。我们推测是现代窑洞在通风上采取了一定的措施加强了室内空气的流通。查阅相关资料了解到一些关于新型窑洞加强通风的措施，推测可能是用了热压来加强室内通风。使部分空气在阳光的加热下膨胀，产生一定的压强，对空气有外力的作用，促使空气流通，得到通风。
2.理论
现代窑洞建筑采取了热压来加强室内通风。使部分空气在阳光的加热下膨胀，产生一定的压强，对空气有外力的作用，促使空气流通，得到通风。
3.原理阐述
3.1国内窑洞发展现状
目前国内的窑洞建筑按形式可划为传统窑洞和新型窑洞两类。传统窑洞建造工艺简单，主要借助自然条件达到冬暖夏凉的室内环境。其主要形式有靠崖式、下沉式和独立式。最常见的是靠山式窑洞，约占总数的70%以上。
3.2传统窑洞的优点
①良好的节能性：窑洞顶部一般有至少1.5m厚的覆土，夏季的热气和冬季的冷气都不易渗透，因此制冷和采暖的耗能与费用会相对较低。
②就地取材，造价低廉，施工简便：靠崖式窑洞窑是运用“减法”建造，直接在崖壁上挖掘而成，既节省了材料费用，又降低了工程造价。
③节省耕地：陕北地区耕地十分有限，近年来随着西部大开发的推进，耕地被侵占的现象日益严重，而靠崖式窑洞是在崖壁上创造居住空间，不会占用耕地。
④窑洞四壁由生土包围，具有很好的防火、防漏和防噪效果，而且经久耐用。
3.3传统窑洞的缺点
①通风不佳：靠崖式窑洞只能在一侧设置门窗，其他三面及屋顶均是封闭的，因此只能在门窗处形成小范围的空气循环，通风状况极其不好。夏季时室内空气不能及时更新，极易滋生细菌;而冬季时由于灶台的使用，室内部分空气从烟囱排出，造成室外冷空气从门窗缝隙出渗入，降低室内热舒适度。
②采光有限：只能单侧采光，采光量有限，只有在阳光充足时才能获得部分阳光，造成室内后部长时间无阳光照射。
③阴雨天气易受潮：窑洞是以生土为建筑材料，易受水份影响，尤其遇上连续阴雨，生土的含水量增加，无法及时蒸发就会渗入室内;而且由于通风不佳，空气无法快速循环更新，造成室内空气湿度过大，令人不适。
3.4新型窑洞的通风措施
①利用太阳能烟囱加强室内自然通风结合当地的生活方式，夏季时在传统窑洞原有的烟囱上端附加玻璃罩，组合成太阳能烟囱，利用阳光加热烟囱上端空气，增大烟囱内空气温差，利用热压通风来加强空气流动;研究测试表明：当烟囱的长宽比约为12∶1，出风口向下倾斜4°时，通风效果最佳。冬季时将玻璃罩取下，烟囱正常使用，操作简单、使用方便。
②利用附加阳光间加强室内自然通风在传统窑洞原有山墙外侧增置阳光间，夏季时通过植物及可调百叶，阻挡直射阳光。冬季则利用阳光间对入室新风进行预热，同时还可以为居民提供一个休憩娱乐和暂存物品的空间，造价较低，实用性强。
③利用水井和地面土层调节入室空气温度。结合当地的自然条件，在地下增设室内与水井的连通管道，利用水井和地面土层对入室新风进行预热和冷却，减小新风与室内空气的温差，提高室内舒适度。
3.5运行原理
①夏季运行原理
夏季，太阳能烟囱底部的吸热板吸收太阳能，使烟囱内空气温度升高，热空气上升形成负压区，室内上空热空气通过烟囱上端出风口（D）进入烟囱，同时新鲜空气通过水井与地面土层冷却后由室内地面新风入口（F）进入室内，如此促进室内空气循环，同时起到降温作用。在日照较为强烈时，调节阳光间百叶角度，结合庭院中的落叶乔木，阻挡直射光线。与此同时，阳光间顶部出风口（A）开启，利用热压原理带动阳光间内空气的流通（图1）。
图1 夏季运行原理示意图
②冬季运行原理
冬季，传统窑洞主要依靠取暖灶台来提高室内热舒适度。此时将太阳能烟囱取下，由于阳光间庭院乔木树叶脱落，调节阳光间天窗百叶角度，保证充足的阳光射入，对其内部空气进行加热;同时将其外侧风口关闭，窑洞山墙面风口打开（C）。煤炭燃烧时产生热量，使烟囱内空气温度升高，热空气上升形成负压区，室内底部冷空气通过灶台底部进风口（G）进入烟囱，新鲜空气通过水井和地面土层第一次预热后由阳光间内地面新风入口（E）进入其内，经阳光间第二次预热后通过山墙上部进风口（C）进入室内，如此促进室内空气循环，改善室内的空气质量（图2）。
图2 冬季运行原理示意图
4.验证
为了证明现代窑洞的通风措施是通过控制热压来实现的，我们找到了一类与窑洞相类似的建筑形式——覆土建筑。覆土建筑就是有土覆盖的建筑空间，是地下空间的一种。覆土建筑在南北方都有分布，无论是西北地区还是长江中下游地区都有覆土建筑的身影。高湿度是造成夏季湿热与冬季湿冷的最主要因素，而且位于土下的覆土建筑如果处理不好，土壤中的湿度会加剧这种潮湿的感觉，室内甚至会结露。自然通风是可以想到的最简单的方法。不同的地形地势会产生不同的气流和空气温度。 但是由于地形的影响，一般将建筑置于斜坡的迎风面，相对位置较高的山脊附近（图3）。如果是平坦地，整个区域会有相似的气候条件，利用地形构成自然通风不太容易办到，一般多采用捕风器或强制机械通风系统（图4）。
图3 地形地势影响气流
图4 平地上的捕风器
气压差与风是解决覆土建筑室内高湿度引起的种种问题的主要办法。在有条件利用自然通风的前提下，应尽量使建筑的进风口与出风口顺应主导风向，加强气压差，增大通风效果（图5）。另外种植植物应引导气流而不能阻碍气流流动（图6）。
图5 顺应主导风向的开口布置
图6 种植植物引导气流
用细高的热压通风竖井进行自然通风最为有效。风道的开口方向直接决定了能引入多少自然风，因此风道顶端垂直面的开口可以有两个、三个或四个风面或做成捕风器的形式，随风向改变可旋转的系统（图7）。一般说来，风道竖井越高，捕风效果越好。
也就是说，像窑洞覆土建筑这种依托于土壤的建筑通风一般有两种措施：其一是利用气压差的自然通风;其二是利用热压通风。考虑到当地气候的限制，黄土高原冬季的风不仅具有干冷和风力强大的特点，而且常常夹带着沙尘，因此要求建筑要具有良好的防风性能。靠山的窑居通常建于东南向的阳坡之上，很好的回避了黄土高原冬季寒冷的西北风的侵袭，下沉式窑居开敞的出入口通常背风设置，下沉的庭院内向型封闭的院落形成一个相对稳定的小气候，是躲避冬季强烈西北寒风侵袭的最好选择;独立式窑洞建筑物的入口、门窗、庭院背风设置;而北面迎风面尽量为实墙，即使开窗，窗户面积也应尽可能减小，冬季进行封堵。也就是说在西北地区的气候条件限制下，想要通过气压差形成自然通风会面对很多其他的问题，一般很少采用，所以得出结论现代窑洞采用的是热压通风。
图7 风道和可旋转的捕风器
5.一般化
从新型窑洞的热压通风，我们可以将此种方法普及到一般建筑中去，例如2010年上海世博会日本馆中的循环呼吸柱。建筑内部贯穿其中的6根呼吸柱是建筑与环境交流融合的核心。在建筑底部直通室外空间的下部区域设置地热箱，夏季室外炎热的空气经过地热箱自然降温冷却，再通过呼吸柱的底部导入室内，并利用其拔风效果上升向室内送风，直接降低了夏季室内的温度和空调系统的新风负荷，展厅内聚集热空气，则利用温升作用通过呼吸柱顶端的开口直接向室外排出，形成循环气流，营造出室内舒适的温湿环境和适宜的气流组织。
参考文献：
[1]周庆华.黄土高原传统窑居空间形态更新模式初探.新建筑，2005（12）：26-28.
[2]唐相龙.庆阳窑洞民居在城镇增长过程中的保护与再生初步研究.兰州：西北师范大学，2004.
[3]王江丽，曹峰.豫西下沉式窑洞的发展前景.科技信息，2008（11）：174-175.
[4]杨启容，杜威，张金翠.建筑一体化太阳能烟囱的通风性能研究.太阳能学报，2010（7）：89-94.
[5]荆其敏，张丽安.覆土建筑，华中科技大学出版社.
[6]戴云倩，陈永明.从概念到设计：上海世博会场馆解读EXPO2010，海洋出版社，2011
关键词：山西窑洞;热压通风;通风;建筑设计
1.现象发现
在我的印象中窑洞建筑是借助自然条件达到冬暖夏凉的室内环境的建筑形式，在采光和通风方面有它的局限性。但是事实却不是这样，虽然目前建筑技术、材料和形式都日趋多样化，但很多居民仍选择居住在窑洞中，这就表明窑洞建筑也在不断改进。在保持其原有经济性、区域性、简易性、舒适性、生态性的前提下，窑洞建筑在采光和通风上也有了一些新的技术。我们在窑洞里待了一段时间，发现并没有发生通风方面的问题，并没有觉得很不舒适。我们推测是现代窑洞在通风上采取了一定的措施加强了室内空气的流通。查阅相关资料了解到一些关于新型窑洞加强通风的措施，推测可能是用了热压来加强室内通风。使部分空气在阳光的加热下膨胀，产生一定的压强，对空气有外力的作用，促使空气流通，得到通风。
2.理论
现代窑洞建筑采取了热压来加强室内通风。使部分空气在阳光的加热下膨胀，产生一定的压强，对空气有外力的作用，促使空气流通，得到通风。
3.原理阐述
3.1国内窑洞发展现状
目前国内的窑洞建筑按形式可划为传统窑洞和新型窑洞两类。传统窑洞建造工艺简单，主要借助自然条件达到冬暖夏凉的室内环境。其主要形式有靠崖式、下沉式和独立式。最常见的是靠山式窑洞，约占总数的70%以上。
3.2传统窑洞的优点
①良好的节能性：窑洞顶部一般有至少1.5m厚的覆土，夏季的热气和冬季的冷气都不易渗透，因此制冷和采暖的耗能与费用会相对较低。
②就地取材，造价低廉，施工简便：靠崖式窑洞窑是运用“减法”建造，直接在崖壁上挖掘而成，既节省了材料费用，又降低了工程造价。
③节省耕地：陕北地区耕地十分有限，近年来随着西部大开发的推进，耕地被侵占的现象日益严重，而靠崖式窑洞是在崖壁上创造居住空间，不会占用耕地。
④窑洞四壁由生土包围，具有很好的防火、防漏和防噪效果，而且经久耐用。
3.3传统窑洞的缺点
①通风不佳：靠崖式窑洞只能在一侧设置门窗，其他三面及屋顶均是封闭的，因此只能在门窗处形成小范围的空气循环，通风状况极其不好。夏季时室内空气不能及时更新，极易滋生细菌;而冬季时由于灶台的使用，室内部分空气从烟囱排出，造成室外冷空气从门窗缝隙出渗入，降低室内热舒适度。
②采光有限：只能单侧采光，采光量有限，只有在阳光充足时才能获得部分阳光，造成室内后部长时间无阳光照射。
③阴雨天气易受潮：窑洞是以生土为建筑材料，易受水份影响，尤其遇上连续阴雨，生土的含水量增加，无法及时蒸发就会渗入室内;而且由于通风不佳，空气无法快速循环更新，造成室内空气湿度过大，令人不适。
3.4新型窑洞的通风措施
①利用太阳能烟囱加强室内自然通风结合当地的生活方式，夏季时在传统窑洞原有的烟囱上端附加玻璃罩，组合成太阳能烟囱，利用阳光加热烟囱上端空气，增大烟囱内空气温差，利用热压通风来加强空气流动;研究测试表明：当烟囱的长宽比约为12∶1，出风口向下倾斜4°时，通风效果最佳。冬季时将玻璃罩取下，烟囱正常使用，操作简单、使用方便。
②利用附加阳光间加强室内自然通风在传统窑洞原有山墙外侧增置阳光间，夏季时通过植物及可调百叶，阻挡直射阳光。冬季则利用阳光间对入室新风进行预热，同时还可以为居民提供一个休憩娱乐和暂存物品的空间，造价较低，实用性强。
③利用水井和地面土层调节入室空气温度。结合当地的自然条件，在地下增设室内与水井的连通管道，利用水井和地面土层对入室新风进行预热和冷却，减小新风与室内空气的温差，提高室内舒适度。
3.5运行原理
①夏季运行原理
夏季，太阳能烟囱底部的吸热板吸收太阳能，使烟囱内空气温度升高，热空气上升形成负压区，室内上空热空气通过烟囱上端出风口（D）进入烟囱，同时新鲜空气通过水井与地面土层冷却后由室内地面新风入口（F）进入室内，如此促进室内空气循环，同时起到降温作用。在日照较为强烈时，调节阳光间百叶角度，结合庭院中的落叶乔木，阻挡直射光线。与此同时，阳光间顶部出风口（A）开启，利用热压原理带动阳光间内空气的流通（图1）。
图1 夏季运行原理示意图
②冬季运行原理
冬季，传统窑洞主要依靠取暖灶台来提高室内热舒适度。此时将太阳能烟囱取下，由于阳光间庭院乔木树叶脱落，调节阳光间天窗百叶角度，保证充足的阳光射入，对其内部空气进行加热;同时将其外侧风口关闭，窑洞山墙面风口打开（C）。煤炭燃烧时产生热量，使烟囱内空气温度升高，热空气上升形成负压区，室内底部冷空气通过灶台底部进风口（G）进入烟囱，新鲜空气通过水井和地面土层第一次预热后由阳光间内地面新风入口（E）进入其内，经阳光间第二次预热后通过山墙上部进风口（C）进入室内，如此促进室内空气循环，改善室内的空气质量（图2）。
图2 冬季运行原理示意图
4.验证
为了证明现代窑洞的通风措施是通过控制热压来实现的，我们找到了一类与窑洞相类似的建筑形式——覆土建筑。覆土建筑就是有土覆盖的建筑空间，是地下空间的一种。覆土建筑在南北方都有分布，无论是西北地区还是长江中下游地区都有覆土建筑的身影。高湿度是造成夏季湿热与冬季湿冷的最主要因素，而且位于土下的覆土建筑如果处理不好，土壤中的湿度会加剧这种潮湿的感觉，室内甚至会结露。自然通风是可以想到的最简单的方法。不同的地形地势会产生不同的气流和空气温度。 但是由于地形的影响，一般将建筑置于斜坡的迎风面，相对位置较高的山脊附近（图3）。如果是平坦地，整个区域会有相似的气候条件，利用地形构成自然通风不太容易办到，一般多采用捕风器或强制机械通风系统（图4）。
图3 地形地势影响气流
图4 平地上的捕风器
气压差与风是解决覆土建筑室内高湿度引起的种种问题的主要办法。在有条件利用自然通风的前提下，应尽量使建筑的进风口与出风口顺应主导风向，加强气压差，增大通风效果（图5）。另外种植植物应引导气流而不能阻碍气流流动（图6）。
图5 顺应主导风向的开口布置
图6 种植植物引导气流
用细高的热压通风竖井进行自然通风最为有效。风道的开口方向直接决定了能引入多少自然风，因此风道顶端垂直面的开口可以有两个、三个或四个风面或做成捕风器的形式，随风向改变可旋转的系统（图7）。一般说来，风道竖井越高，捕风效果越好。
也就是说，像窑洞覆土建筑这种依托于土壤的建筑通风一般有两种措施：其一是利用气压差的自然通风;其二是利用热压通风。考虑到当地气候的限制，黄土高原冬季的风不仅具有干冷和风力强大的特点，而且常常夹带着沙尘，因此要求建筑要具有良好的防风性能。靠山的窑居通常建于东南向的阳坡之上，很好的回避了黄土高原冬季寒冷的西北风的侵袭，下沉式窑居开敞的出入口通常背风设置，下沉的庭院内向型封闭的院落形成一个相对稳定的小气候，是躲避冬季强烈西北寒风侵袭的最好选择;独立式窑洞建筑物的入口、门窗、庭院背风设置;而北面迎风面尽量为实墙，即使开窗，窗户面积也应尽可能减小，冬季进行封堵。也就是说在西北地区的气候条件限制下，想要通过气压差形成自然通风会面对很多其他的问题，一般很少采用，所以得出结论现代窑洞采用的是热压通风。
图7 风道和可旋转的捕风器
5.一般化
从新型窑洞的热压通风，我们可以将此种方法普及到一般建筑中去，例如2010年上海世博会日本馆中的循环呼吸柱。建筑内部贯穿其中的6根呼吸柱是建筑与环境交流融合的核心。在建筑底部直通室外空间的下部区域设置地热箱，夏季室外炎热的空气经过地热箱自然降温冷却，再通过呼吸柱的底部导入室内，并利用其拔风效果上升向室内送风，直接降低了夏季室内的温度和空调系统的新风负荷，展厅内聚集热空气，则利用温升作用通过呼吸柱顶端的开口直接向室外排出，形成循环气流，营造出室内舒适的温湿环境和适宜的气流组织。
参考文献：
[1]周庆华.黄土高原传统窑居空间形态更新模式初探.新建筑，2005（12）：26-28.
[2]唐相龙.庆阳窑洞民居在城镇增长过程中的保护与再生初步研究.兰州：西北师范大学，2004.
[3]王江丽，曹峰.豫西下沉式窑洞的发展前景.科技信息，2008（11）：174-175.
[4]杨启容，杜威，张金翠.建筑一体化太阳能烟囱的通风性能研究.太阳能学报，2010（7）：89-94.
[5]荆其敏，张丽安.覆土建筑，华中科技大学出版社.
[6]戴云倩，陈永明.从概念到设计：上海世博会场馆解读EXPO2010，海洋出版社，2011