中國古代洞穴民居的空間位置與溫度、濕度、風(fēng)速

從洞穴和樹木居住區(qū)到住房建設(shè)的發(fā)展過程經(jīng)歷了一個(gè)漫長(zhǎng)的發(fā)展過程。在古代生產(chǎn)力條件下,穴居的采光照明、通風(fēng)的問題,居所的構(gòu)筑受力條件、舒適程度等問題都難于解決,因而穴居沒有發(fā)展,但窯洞是個(gè)例外。中國的窯洞民居歷時(shí)幾千年而盛久不衰的原因在于:窯洞建在黃土高原的坡邊或臺(tái)階地,是在天然黃土中的穴居形式。窯洞冬暖夏涼,不破壞生態(tài),不占用良田,施工簡(jiǎn)便,用材極少,造價(jià)低廉。雖然窯洞還算不上穴居,但窯洞的盛久不衰在一定程度上證明了穴居的優(yōu)越性,從持續(xù)發(fā)展、人類節(jié)省有限資源觀點(diǎn)看,都是有意義的。很久以來,城市有不少防空工程因閑置日久,出現(xiàn)了頹敗、塌陷的趨勢(shì),若不及時(shí)采取措施,不僅數(shù)十年辛苦和投資付之東流,且將對(duì)相應(yīng)的地表建筑的安全穩(wěn)定性構(gòu)成威脅,其后果難以想象。對(duì)這種情況,最好的措施就是加以利用。這樣可以用較少的投資取得較好的經(jīng)濟(jì)效果和社會(huì)效益,尤其能消除塌陷的隱患。現(xiàn)就有關(guān)問題談一點(diǎn)看法。1地下防空工程的氣候條件1.1舒適程度的測(cè)定溫度、濕度、風(fēng)速三者的綜合狀態(tài)稱為氣候條件,雖然其中溫度起主導(dǎo)作用,但三者是相輔相成的。參見表1。由上表可見,不同溫度、不同風(fēng)速、不同濕度可以得到基本相同的舒適程度。為了便于衡量、比較,引入實(shí)效溫度的概念:在不同的濕度和風(fēng)速條件下,人們的感覺與相對(duì)濕度為100%、空氣靜止時(shí)的感覺一樣,此時(shí)的溫度即被稱為此條件下的實(shí)效溫度。1.2土壤溫度振幅的傳播深度z處溫度的振幅地面建筑中的氣溫完全由氣候條件所決定。地下則不然,隨著地下防空工程所處深度的增加,其氣溫的變化受地溫的影響越來越大。地表氣溫每日、每年都在發(fā)生周期性變化,分別稱之為氣溫的短周期和長(zhǎng)周期變化。其變化的幅度稱振幅。由于受深部地溫的影響和地表溫度振幅在土壤中傳播的阻尼作用,地下一定深度處溫度變化的周期滯后,振幅減弱。土壤中任意深度處溫度變化與地表氣溫的關(guān)系遵循以下規(guī)律:tz=t0+A0exp(-αz)sin(ωT-αz+δ)(1)式中tz——任意深度處的溫度;t0——地表平均氣溫;A0——地表溫度的振幅;z——任意深度;α——導(dǎo)溫系數(shù),α=(π/kτ)0.5;k——土壤的導(dǎo)溫率;ω——相位,ω=2π/τ;τ——周期,d或a;T——時(shí)間,零點(diǎn)可任意選取;δ——當(dāng)T=0,z=0時(shí)的相角。可見,A0exp(-αz)是深度z處溫度的振幅,δ-αz代表相,αz是落后的相位。由上面方程可以證明,土壤中溫度的傳播情形符合下面幾條規(guī)律:(1)深度如按算術(shù)級(jí)數(shù)增加,則地溫振幅按幾何級(jí)數(shù)減少。在深度z處溫度的振幅為:Az=t0+A0exp(-αz)=A0exp[-(π/kτ)0.5z](2)設(shè)地面溫度日振幅為16℃,若取土壤導(dǎo)溫率k=0.0076cm2/s,周期τ=24×3600=86400(s),在z=10cm時(shí),計(jì)算的溫度日振幅約減少一半,則在40cm深度減少1/16即1℃,在1m深處僅15/1000℃。由理論計(jì)算可見,地表氣溫的變化僅影響地表一層,大約在1m深度溫度的日變化基本可以忽略。但在實(shí)際上由于受土壤中的含水量不同,土壤的密度不同,土壤的結(jié)構(gòu)、顏色不同,地表的植被和覆蓋條件不同等多方面因素的影響,地溫隨深度的日變化差異是比較大的。(2)由式⑵可得,不同周期溫度振動(dòng)按相同比例減弱所達(dá)到的深度與振動(dòng)周期的平方根成正比,即:z1∶z2=τ10.5∶τ20.5將此關(guān)系式運(yùn)用于年振和日振動(dòng),即令τ1=1d,τ2=365d,則:z1∶z2=10.5∶3650.5=1∶19此結(jié)果說明,土壤溫度日振幅的減弱和年振幅的減弱程度相等時(shí),年振幅減弱所發(fā)生的深度理論上應(yīng)是日振幅減弱相同振幅所需深度的19倍。前面已知,在10cm深處日振幅減至一半,則年振幅減至一半要在10cm×19=1.9m深處。可見,土壤(或巖石)對(duì)溫度傳播的阻尼作用使溫度的短周期變化在土壤中減弱很快,而長(zhǎng)周期的振動(dòng)能向更深處傳播。(3)溫度振動(dòng)的相時(shí)(如最高、最低溫度出現(xiàn)的時(shí)間)隨溫度的增加而線性的落后,且落后的程度與周期的平方根成反比。溫度振動(dòng)的周期愈長(zhǎng),最高或最低溫度出現(xiàn)的時(shí)間隨深度的增加愈落后。按大多數(shù)土壤導(dǎo)溫率計(jì)算,在土壤溫度日變化中,大約在深度每增加1cm,峰值溫度出現(xiàn)的時(shí)間落后25min,在年變化中,深度每增加1m,峰值溫度出現(xiàn)的時(shí)間落后約一個(gè)月。圖1是某城市土壤溫度年變化及其隨深度的變化情況。顯然,土壤溫度振幅隨深度增加而遞減和相時(shí)隨深度增加而落后都很有規(guī)律。這說明,以上理論推導(dǎo)與實(shí)際情況符合。從圖上還可以看出,地面溫度最高出現(xiàn)在7-8月,而3m深處的最高溫度落后了兩個(gè)月,5m深處的溫度幾乎與地面相反,具有冬暖夏涼的氣候特征。1.3空氣含濕量、濕度空氣中含有大量的水分。空氣中實(shí)際水蒸汽含量稱為空氣的絕對(duì)濕度,某溫度下空氣的實(shí)際水蒸汽含量與同溫度下空氣飽和水蒸汽含量的百分比稱為此溫度下空氣的相對(duì)濕度。由圖2可見,空氣的溫度不同,其飽和能力不同。若空氣的含濕量不變,隨著氣溫的變化,空氣的相對(duì)濕度發(fā)生變化。氣溫升高,相對(duì)濕度降低;氣溫降低,相對(duì)濕度升高。相對(duì)濕度的變化將對(duì)環(huán)境的溫度、濕度造成較大的影響。例如,夏季地面氣溫較高,空氣進(jìn)入地下以后,由于氣溫下降,在含濕量不變的情況下,空氣的飽和能力降低造成相對(duì)濕度升高,溫差大時(shí)甚至可能達(dá)到露點(diǎn),使空氣中的水汽凝結(jié)成水珠附著在入風(fēng)道的幫壁上。所以,夏季地下建筑的入風(fēng)口比較潮濕。冬季正好相反,地下建筑的入風(fēng)口比較干燥。雖然不同溫度的水的汽化潛熱略有不同,但1g水的汽化潛熱約為585卡(1卡=4.189J)。所以,水的汽化或水汽的凝結(jié)對(duì)氣溫的影響不容忽視。1.4防空洞的供氣量和流量通風(fēng)的作用就在于保持場(chǎng)所的空氣新鮮、排除異味。人呼出的空氣中,約含有16.3%的氧氣、4%的二氧化碳、79.7%的氮?dú)夂推渌审w內(nèi)排出的氣體(主要為氨氣),此外還含有45g/m3的水氣(37℃的飽和氣)。可見,人員呼吸主要造成空氣成分中氧和二氧化碳含量的波動(dòng)。雖然空氣的質(zhì)量是多種要素的產(chǎn)物,但二氧化碳最易測(cè)定。所以可用二氧化碳含量作為衡量供氣量的標(biāo)準(zhǔn)。例如某地下防空洞辦公室有4人,若室外空氣中二氧化碳含量為0.05%,室內(nèi)最大允許濃度為0.2%。對(duì)于休息著的人,二氧化碳散發(fā)率平均為0.015m3/h。由此求得此防空洞的供氣量為;相當(dāng)于每人供氣量為10m3/h。實(shí)際上,通過窗縫、門縫、墻縫等處所滲漏的空氣足以滿足普通用途所需的空氣量。即使無風(fēng)時(shí),由于地表地下的溫度梯度所造成的空氣的自然壓差使每米長(zhǎng)度的縫隙得到約1.7m3/h的氣流量。按一套房間的可能縫隙,總氣流量可達(dá)250m3/h左右。這說明,在開發(fā)防空洞作一般用途時(shí),可以不專門考慮通風(fēng)問題,由此風(fēng)流引起的溫度遞減也可忽略不計(jì)。當(dāng)然,以上計(jì)算考慮到地下工程已基本形成了自然通風(fēng)系統(tǒng),且僅按二氧化碳的產(chǎn)生及容許濃度計(jì)算的結(jié)果。如果不符合以上設(shè)定條件,則應(yīng)專門進(jìn)行通風(fēng)換氣的設(shè)計(jì)。1.5地下防空洞施工的意義地下工程有很多地表建筑所不具備的優(yōu)越性,主要有以下幾點(diǎn):(1)地下工程具有良好的安全穩(wěn)定性。按照防空要求建立的這些地下工程整體性、穩(wěn)定性較高,不易受周圍振動(dòng)或其它災(zāi)害的干擾。(2)地下有良好的氣候條件。地下溫度恒定,風(fēng)速可以不予考慮。至于濕度,冬季適中,夏季需要適當(dāng)除濕。(3)可消除地下防空洞所對(duì)應(yīng)的地表建筑物沉陷、崩塌的潛在威脅。對(duì)建筑物來說,使用就是保護(hù),閑置必將頹敗。(4)投資少、見效快。一個(gè)時(shí)期“深挖洞、廣積糧”的決策使各城市地下建了不少地下工程,其中很多尚未開發(fā)。只要投入較少資金即可加以利用。(5)可以減輕地面負(fù)擔(dān)。充分利用地下工程、拓展人類活動(dòng)空間,促進(jìn)人類活動(dòng)分流。(6)可防止地面噪聲的干擾和污染空氣的危害,還有利于安全保衛(wèi)。2地下工程的使用2.1共活動(dòng)場(chǎng)所的利用現(xiàn)在,國內(nèi)不少城市的某些地下防空工程已作為公共活動(dòng)場(chǎng)所得到利用,如商場(chǎng)、游樂場(chǎng)、旅館等。這方面的開發(fā)值得重視,這將是未來城市發(fā)展和人員分流的有效途徑,其社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益都相當(dāng)可觀。2.2采空區(qū)的二次利用土壤的熱容量較大,而導(dǎo)溫系數(shù)較小(和空氣比),尤其是干土。防空洞獨(dú)特的位置使其具有良好的次級(jí)絕熱帶。這對(duì)于日益發(fā)展的城市儲(chǔ)備供應(yīng)系統(tǒng)是理想的待開發(fā)區(qū)。例如,美國堪斯市石灰石礦地下采空區(qū)的二次利用就是明證。開發(fā)區(qū)的90%做冷庫,此冷庫面積占全美冷庫面積的10%,地下溫度在13～15℃之間,相當(dāng)穩(wěn)定。因此供熱、降溫都很便宜。據(jù)測(cè)定,做冷藏庫時(shí),冷藏室降到-22℃保持約2a時(shí)間就穩(wěn)定在這個(gè)溫度上;但升溫到0℃也需幾個(gè)月的時(shí)間。因此,停電時(shí)不會(huì)對(duì)冷凍貨物造成損失。其供熱、降溫和控制溫度三方面的費(fèi)用比相應(yīng)的地面費(fèi)用節(jié)省40%～90%。國內(nèi)也有很多城市利用防空洞做倉庫的實(shí)例。2.3生存是科學(xué)發(fā)展的需要,是科學(xué)進(jìn)步的結(jié)果人類從穴居到地面,現(xiàn)在再到地下居住絕不是退化,而是生存的需要,是科學(xué)發(fā)展和技術(shù)進(jìn)步的結(jié)果,也是地下工程的優(yōu)點(diǎn)所決定的。當(dāng)然,目前的經(jīng)濟(jì)實(shí)力和人們的觀念使這一設(shè)想尚難有大的發(fā)展。2.4改善地表建筑物的氣候條件把地下建筑物和地表建筑聯(lián)網(wǎng)調(diào)節(jié),利用地下溫度、濕度改善地表建筑物的氣候條件,世界上已有先例。如國內(nèi)在夏季利用防空洞的低溫空氣來調(diào)節(jié)地面建筑的溫度,當(dāng)然這需要一定的投資。2.5防空平戰(zhàn)結(jié)合,“防空”是初始的、基本的功能。除作為儲(chǔ)藏庫外,其它使用與防空功能是相容的。3地下工程維護(hù)3.1地下水位不穩(wěn)定水是土木工程的最大威脅。水會(huì)使土壤顆粒(或巖層)之間的膠結(jié)力大大降低,因而使地下工程處于不穩(wěn)定狀態(tài);水還可能增加空氣的濕度,惡化氣候條件等。當(dāng)?shù)叵滤贿^高時(shí),將對(duì)地下防空工程的穩(wěn)定性構(gòu)成威脅。可在地下防空工程基層面適當(dāng)位置向下方打一個(gè)水井抽水,以降低地下建筑物區(qū)域內(nèi)的地下水位,增強(qiáng)建筑物的穩(wěn)固性,同時(shí)改善氣候條件。3.2提高整體穩(wěn)定性不要讓地面建筑的重大荷載作用在地下洞室的頂板或拱頂上,這樣可增強(qiáng)其整體性和穩(wěn)定性。對(duì)于尚未利用、又缺少工程資料的地下工程,應(yīng)補(bǔ)充測(cè)量并繪制詳細(xì)準(zhǔn)確的地下工程構(gòu)造圖,作為地面工程設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)資料。3.3設(shè)備及建筑物使用的調(diào)整潮濕的空氣不僅惡化氣候條件,而且不利于設(shè)備及建筑物的使用,不利于它們的維護(hù)保養(yǎng)。這種調(diào)整主要在夏季進(jìn)行,在入風(fēng)口去除入風(fēng)流中的大部分水氣;冬季則不必。3.4地下建筑規(guī)劃的管理應(yīng)當(dāng)最大程度地減少資源消耗,避免后患對(duì)于暫時(shí)不能開發(fā)利用的地下工程,應(yīng)加強(qiáng)維護(hù)管理,防止承重結(jié)構(gòu)的損壞和塌陷。采用國防、鐵道、采礦工程中的先進(jìn)技術(shù)和裝備,應(yīng)用巖土力學(xué)的理論指導(dǎo),加強(qiáng)地下工程的建設(shè)。總之,人類為了持續(xù)發(fā)展、減少