从黄土高原的土窑洞说开去

提起陕北的土窑洞，人们的说法都是“冬暖夏凉”，很是奇妙。可是为什么呢？这种情况是咋么产生的呢？这就要从土壤和空气的热力学性质说起。

土壤中粘土矿物的比热(J/g ℃)是0.75-0.96，空气的的比热(J/g ℃)是1.003，两者相差不大，空气的相对大一些；但是热容量(J/cm3℃)粘土矿物是2.048-2.424，而空气的热容量(J/cm3℃)是0.001，只有粘土矿物的2000~2400分之一。所以，有一条结论，空气中存放不住能量，粘土矿物储存能量的能力是空气的两千多倍。这就是窑洞冬暖夏凉的一个根本原因。再看导热系数(W/m℃），粘土矿物的导热系数(W/m℃）是0.1880，空气的导热系数(W/m℃）是0.0209，粘土矿物的导热系数(W/m℃）是空气的导热系数(W/m℃）的9倍正。就是说，其实土壤更容易散失热量，但是给人的感觉是空气似乎更能散失热量。错了，空气其实是比土壤更更好的保温材料，而真空的保温效果又比空气好得多，例如暖水瓶。但是空气的导温系数(cm2/s)却比粘土矿物高23倍，空气的导温系数(cm2/s)是0.1610，粘土矿物的导温系数(cm2/s)是0.0070。空气的导温系数高，说明在有温度差的地区，空气的温度降速很快，能量流失也很大，但是只要没有温度差，空气就是最好的保温材料。而土壤就是粘土矿物和空气的混合物，所以，真正的土壤具有许多热力学优点。

要把物质的比热、热容量、导热系数和导温系数这四个概念彻底搞清楚还真不是一个简单的工作，必须有大量的类比和原理思索。

什么地方没有温度差呢？地下没有温度差。地上温度差很高。

在炎热的夏季，据说沙漠中表面的温度可以高达70℃以上，可以把鸡蛋烤熟。但是有没有人想过沙漠的地下温度是多少呢？科学家们在不同的地方测量温度，往往测量土壤表面、地下5cm，地下10cm，地下20cm，地下30cm，地下40cm，地下50cm，地下60cm，地下70cm，地下80cm，甚至更深处。人们发现，虽然在沙漠表面中午温度可以达到70℃以上，裸土表面中午温度可以达到40℃以上，但是地下5cm的土壤最高也不过25℃，10cm深处在25℃以下，地下20cm深处在20℃以下，从地下30cm到地下1m的温度相差越来越小，小到什么程度呢，小到没有差异。这个深度大约在2m处。

但是有个问题，在冬季和夏季采取的数据，在同一个地方的不同时间的相同土壤深处是否相同呢？这真是一个很有趣的问题。科学家们发现，在土壤大约10m以下的深处没有春夏秋冬，一年四季没有任何温度差异，而是所谓的“恒温区”。在不同的纬度上，土壤恒温区的土壤深度是不一样的，土壤的恒温温度也是不一样的，它具有明显的随着纬度变化和随着海拔变化的特点。例如，马王堆出土的千年尸体没有腐烂，学者们在查找原因时发现马王堆处在长沙的土壤恒温区以下的地下18m，温度是15℃，粘土封闭墓室，杜绝氧化。

这就提出一个很有趣的问题，既然古代尸体封存到地下不会腐烂变质，那么新鲜的蔬菜、食品、果类、肉类利用地下封存会不会腐烂变质，或者保质保鲜？这其实就是冷库问题，或者叫保温库问题。

土壤恒温区意味着什么？实际上就是说在土壤深处“冬暖夏凉”，我们现在花费大量的金钱在夏季开空调调节温度，花费大量的石油、天然气和煤炭在冬天烧暖气，浪费大量的能源，但是在自然界中，这不过是个很小小的问题。所以，从人类应用角度去考虑，土壤恒温区对于人类有战略意义。

我们完全可以不花费大量能源资源达到冬天不受冻，夏季不酷热的目标。这个目标是多么诱人啊！

我们只要在技术上、结构上充分利用土壤的这些特性就足够了。完全可以避免亚洲或者欧洲每年都冻死几百几千人的历史悲剧重演。

具体怎么做呢？我们首先看看人民的发明。案例1、陕北窑洞，其实黄土高原及周边地区都有大量的窑洞。案例2、在热带的埃及，墙体的厚度大约在200cm以上，这样做的结果是能够挡住外界的酷热。案例3，在陕西的淳化、耀县等一带地区，有一种地下院子，在平坦的渭河台原上，人为地挖一个长30m，宽20m的大坑，坑的深度大约10m，这样的工程，取土量在6000立方以上，然后在这样一个地下院子里，打出几孔窑洞，里面还有水窖等。案例4、新疆的坎儿井。坎儿井的水温保持恒温，同时防止过分蒸发。案例5、土窖，在黄土高原上，土窖是储藏冬季蔬菜，土豆、白菜、红萝卜、白萝卜等的理想场所，藏到里面还要用沙土盖一下，这样做很简单，但是蔬菜往往能够保湿保鲜，保持活性。无论是沙区还是土壤区，都存在大量的土窖，有的土窖很考究，结构也合理。6、乡村冷库。乡村冷库是近几年发展起来的，但是是和规模化生产相适应的，乡村冷库远远比地上冷库节省电荷其它能源。7、地下空调。这是最近在新疆发明的。不用很多能量，在地下造一个水泥钢筋巨大的地下室，设计良好的风流路线，把水放进去，然后用鼓风机把风从水面上吹过去就产生了冷风，然后把冷风通过管道送到地上用户那里就可以了。

现在我们分析一下这些民间的存在基础和原理。黄土高原的窑洞是土壤的，它存在的先决条件是降水量不是很大，如果在降雨量大的南方是不行的，主要原因不是土壤的热力学性质，而是土壤没有刚性结构，很难抵抗水力侵蚀的危害。但是窑洞是完全附和热力学性质的，一旦克服了自身的缺点在全国可以推广。克服的第一点是实现良好的通风，这必须把进气通道和出气通道分开，实现通风的自动控制，和简单控制，这样做的结果是人类可以在更深的地下生活。克服的第二点是地下房子（窑洞）必须拥有自己的废物处理系统，包括粪便废水废料的处理设备，最好是实现废水自动净化设备，沼气设备等；第三个就是能够有良好的防止地上水分下渗的设施。例如防渗墙，水泥拱顶，防渗地板等等。第四点就是必须牢固。第五就是要设计更加合理的保温设施。做到了这五点，地下防空洞就是地下别墅了。例如在高寒地区的西藏高原，在寒温带的蒙古高原可以利用山体，甚至可以在平地上打出深度在10m左右的地下别墅，供人们越冬。现在的人们在地上建房，南方和关中人都是薄墙体24cm宽，单层窗户玻璃，而北方人则是宽墙体36cm，双层玻璃，所以北方人在冬季更加暖和，而且节省燃料，关中人则更加浪费煤炭。如果能住到地下，在高寒地区的人用不了许多能源也可以暖和的越冬。这完全附和自然要求。而淳化地区的地下院子更有意思，由于这里多少年很少有水害闹灾，所以，大坑里面很少积水，由于这里比较缺水，把雨水积攒起来，存到水窖里就解决了下雨雨水哪里去的问题。所以，地下院子里最少有一个水窖，可以有十几个立方的容积。淳化地下院子的缺点就是通风不好，CO2容易聚集在院子引起中毒，同时夏季闷热，但是却是越冬的好地方，冬天气压高通风好，也保暖。

所以，我主张农村人应该有两套住房一套夏季地上住房，一套冬季地下别墅，特别是牧区，有冬季牧场和夏季牧场的少数民族地区，应该去掉帐篷，修建起完全附和热力学性质的冬季地下别墅和牛羊房舍。修建起墙体很厚，房顶由轻质保温材料组成的牛羊房舍很有必要，牛羊房舍中应该有粪便的自动收集系统。

新疆的坎儿井和地下空调系统主要利用了这样几点：水的热容量(J/cm3℃)是4.18，是空气的4000倍，是粘土矿物的2倍，所以，可以利用水来存放大量的热量，水从这个意义上讲是最为便利的能源资源，有大力开发的潜力，只要形成温度差，就能把水里面的热能释放出来，这就是用水制造环保空调的热力学原理。但是水的导温率很低，导温系数(cm2/s)是0.0015，是粘土矿物的五分之一，就是说，只要没有温度差，储存在它里面的热能就不会释放出来，这为水能源的储存开辟了极为广阔的前景。地下空调就是充分地利用了土壤和水的性质。首先在地下利用水热容大的特点，储存大量的水就相当于储存了热量，冬季地上房屋内部的温度低于储存水温，这时候开动吹风机把水的热量带进房子相当于给房子加热，从而地下空调增加了地上室内温度，成为“加热机”；夏季，地上室内温度高于地下储藏的水温，这时候开动吹风机把水的低温带进房子和热空气混合，相当于给房子降温，成为“降温机”。所以，水就是空调。它不仅是地球空调，也是人类必须利用的室内空调。水空调子所以能够成功运行，主要的一点是水是容易蒸发的液体，它可以在风速增大和表面积增大的情况下增加蒸发量，而固体则不具有这样的特性。水的这个特性可以使我们在不增加能量供给的情况下，把水的液态能量变为气态能量，这样就出现可控制的流动性，从而把能量输送到目的地。

土窖和冷库则说明土壤有天然的储藏功能。研究表明，在低温下即零上1~3℃的活性植物可以保持在土壤中可以保持活性，不失水，不腐化，能够进行微弱的新陈代谢，这样既能保存又能保证生物化学性能良好。土壤在这里起到两个作用，一个是为植物提供水分和营养，另一个就是保持低温，做保护剂，后者就是依赖于土壤的热力学性质。

现在就来设计一下充分利用土壤的一些设施：

第一个，冰库。可以把冰库建在地下15m以下的土壤恒温层，为了充分发挥各种物质的性状，使得保温效果良好，可以做如下事情：第一，用钢筋混凝土结构现场制作墙体，在墙体上预留专用通风口道。第二，用发泡剂或者塑料薄膜把空气封存成许许多多小空间，然后把他们喷涂在墙壁上。第三，在冬天利用天然制冷环境在露天用干净的水冰冻冰块，然后移动进冷库。不需要用电冰箱制作冰块。第四，冰库的门应该有三个左右，门的壁要有保温材料，要加厚。第五，冰库内可以增加隔断，以减少内部对流，增加保温性能。第六，冰库保存的冰块应该能够保存8个月以上，其大小应该有足够空间。冰块保存到夏季会有多种用途，其经济价值是不言而喻的，用于食品保鲜，降温等。

第二个：冷藏保鲜库：做这种库和冰库的区别是要求更加严格，而且必须留出通风换气孔。由于热气往高处走，所以这种库的换气孔应该朝上，在地上应该有一个专用小房子，里面不要别的动物进入，不要让尘土污染，可以定期清洗，有空气过滤装置，有排气扇一类的自动化设备等。冷藏保鲜库应该修建在坡地上，方向在背阴面好一些。冷藏保鲜库应该有钢筋混凝土结构，但是墙体外面的土壤还应该做隔离水分的处理（水的热容大，导热率高，而且会引起侵蚀，流动性大，把热量带走），把墙体外面的土壤用凝胶固定，然后在冷库顶部打造混凝土地面，不要让水分下渗，具体可以三合土来密封，三合土就是石灰粘土和普通土壤的组合物，这些东西的保持干燥的能力很强。不要有空隙和鼠洞等。冷藏保鲜库应该是在冰库的基础上建造，所以应该有足够大的存放冰块的地方。现代社会修建存放上万立方的冷库不再费事，可以先用挖掘机挖出大坑来，等修建好了，把土壤处理回填回去。当然这样的土方量就非常大，但是这样修建的更加牢固耐用和先进。

第三个：地下别墅。这个建筑在北方和西方非常重要，非常实用，非常必要。我觉得淳化的民俗地下院子甚至可以改造后推广，当然这太浪费劳动力。但是作为黄土高原和土壤深厚的北方地区作为越冬建筑是很好的。对于普通的房舍，可以直接在房子主体下面修建地下室，修建地下室必须注意：第一要设置良好的通风设施，最好有两个通风口道，一个专门负责进气，一个专门负责出气，在主要活动室设置进气口道，在不常去的地方，例如火房设置出气口道，这样，室内空气可以保证一直新鲜，而当新鲜空气进入后会把不干净的空气压出去。当然，当在出气口道排气时引起室内气压减小，外部的新鲜空气也会缓慢进入，保证室内温度不下降的情况下保证了空气新鲜。这一条很重要，冬季北方有许许多多的人在室内生火，因为怕冷风进入不设置出气口导致煤气中毒死亡。这个问题的关键实际就是如何在保温的条件下保证换气的问题，解决这个问题必须是设置两个口道，一个进气口道，一个出气口道，需要排出的空气温度高，向高处走，所以应该把口道设置在高处，外部的空气冷气压大，所以进气口道应该设置在低处，这样就能形成空气的自动循环。在各个口道上安装阀门，但是是否安装换气扇必须研究决定。另外如果在地下室里生火炉，那么应该把火炉排气口直接和排气口道用PVC管或者铁皮管直接相连，污染空气直接排出室内，同样为了保证室内温度高，火炉的进气口也用铁管子直接和外界相连接，并且封闭接口周围，这样产生的一氧化碳将直接排泄到大气中，只把热量留在室内。这个问题解决了，就解决了地下别墅的根本问题。同样，为了保持地下别墅的温暖，在地下别墅周围不能有水分存在，不能有流动空气，用三合土、凝胶或者混凝土做封闭水分处理十分必要。做到以上三点，一个安全、温暖、舒服的地下别墅就做好了。地下别墅应该大力推广，其作用可以节省大量的煤炭能源。

第四个，地下中央空调。农村也可以修建，城市也可以修建。地下空调系统只可以设置一个进出口，或者一个人员进出口，一个冷空气出口。平常人员不进去的时候，人员进出口必须完全封闭，而且要防锈，防水。所以，地下空调的密封性要好，防渗漏能力强，最好是钢筋混凝土结构。高度不需要太高，大约1m以上就可以，面积需要很大，大概中央空调得500M2以上。但是里面可以有很密集的支撑柱，所以不会影响牢固程度。可以在冬天把冷水注入，夏季用大型排气扇把冷空气从输气口道排出就可以，输气管可以用保温材料包扎，也可以用现有的暖气管道。空调制冷比较简单，只要有冷水就可以，蒸发本身还会吸收热量，起到制冷作用。有一个问题就是，这个空调到底可不可以在冬季增温当暖气用？能不能把夏季的热量通过一种途径或者通过一种煤质保存到冬季？如果用水，到从夏季到冬季那个时候恐怕热量早就散失没有了，即使有土壤恒温层也是不行的，主要是保存的热量不可能太大。

看来人类要将来彻底不用化学能源只能在将来利用“重力能源”——地热了。另外就是利用太阳能，把太阳能转化为温度，给冬季的地下室增温也是个好办法。在雪域高原，在边防站完全可以利用这些配套技术改善边防战士的生存条件。

第五个，是半地下或者地下蔬菜大棚。蔬菜自身会因为光合作用和呼吸作用增加温度，这和别的东西很不相同，所以，地下蔬菜大棚不需要加热。只需要有好的出气口道即可。例如在雪域高原，能不能修建蔬菜大棚，并且获得高产呢？完全可以。甚至可以完全封闭，不要太阳做光合作用的光源。在地上，利用最现代化的光能转化装置进行大面积大功率的太阳能发电，把发出的电输入蔬菜大棚，用红光灯、蓝光灯和热量灯等集中光源照射植物，促使它们进行光和作用。高原上的光中紫外线和其它短波射线的含量太多，所以不能产生热效应，不能直接照射在塑料薄膜上，所以通过发电，然后用电转化为可利用光源是雪域高原解决植物光和作用的一个根本办法。地下蔬菜大棚自身具有保温作用，而植物会产生热量，所以很明显，解决了光和作用，就等于解决了雪域高原农业的根本问题。现在，全国的光能企业如雨后春笋一样发展起来，正是高原农业沸腾的时候。其它，例如排气问题，室内湿度过大问题，棚内病虫害防治问题，等等，农业专家在最近20年的研究中早就解决了。

从以上的分析可以看出，土壤问题绝对不是简单的问题，单就土壤热力学方面就涉及到能源问题，环保问题，涉及到现代农业问题，高原开发问题等等。

所以，应该大力组织人力修建这些地下天堂！努力在十年之内使之成熟、普及，造福中国人民！