我国北方农村多处于寒冷和严寒气候区,人们使用炕等传统供暖方式来改善室内热环境,据调研结果显示,截止到2004年,全国约有6700万铺炕。近年来,由于炕的热舒适性差、室内热状况差等原因,人们追求使用商品能代替炕等传统供暖方式。目前,我国北方农村的能源消耗量占全国农村能源的总消耗量的56%,其中超过80%的农村能源消耗用于冬季采暖需求。长此以往,我国农村的能源供应压力将进一步加大。对于炕进行合理化的改进设计,充分利用农村丰富的生物质资源,是缓解农村能源压力的关键。综上所述,本文在国家自然科学基金项目“豫西地区生土民居的热响应特性及再生设计评价研究”(课题编号:51608486)支持下,以窑炕为研究对象,进行了以下研究:(1)通过2018、2019连续两年的冬季实地测试,研究了窑炕的传热过程和热特性。结果表明:窑炕炕板外表面温度沿烟气流动方向逐渐降低,温度最大值出现在炕头位置,温度最小值出现在炕尾处。从时间上看,波峰的延迟进一步证明了窑炕具有良好的蓄热性能,可以长时间地向室内传递热量。窑炕对室内的热贡献主要以辐射散热的形式为主,对流散热为辅。(2)研究了窑炕对室内热湿环境的贡献。结果表明,即使在室外温度低于-1℃情况下,自然运行的窑洞室内温度仍然可稳定在10℃左右。同时,窑炕与自然运行的窑洞的结合,室内温度最高值可达到14.2℃。从空间上看,呈现近炕侧温度高、远炕侧温度低、空间上部温度高、空间下部温度低的规律。同时,窑炕的使用有效降低了室内空气的相对湿度。(3)分析了窑炕对室内空气品质的影响。结果表明:根据当地居民的生活习惯,每天烧两次炕的情况下,室内空气中CO2、PM2.5和CO的浓度符合室内卫生要求。然而,窑室内空气中VOCs含量短时间内超标。通过对室外干净空气的监测,结果显示VOCs含量高于相关卫生标准,因此室外大气对室内空气品质的影响不可忽略。(4)建立了窑炕的热过程模型,对窑炕的热工特性进行了优化设计。根据热力学理论,建立了热平衡方程,基于实测数据验证了模型的准确性。最后,利用该模型,从窑炕的热容量和运行方式两个角度对窑炕进行优化。基于本文的研究,可进一步改善窑炕的热工性能,使其更好的融入新农村来改善室内环境,满足人们的现代生活需要。如果加强关于窑炕可持续发展方面的相关研究,将符合国家倡导的“节能减排”政策。同时可为传统民居的保护和再生设计提供技术支撑。