改善火炕炕面溫度分布技術(shù)模擬

王 丹，徐聰智，李桂文，蔡洪彬

(1.哈爾濱工業(yè)大學(xué)建筑學(xué)院，150006哈爾濱;2.黑龍江大學(xué)建筑工程學(xué)院，150086哈爾濱;3.北京市建筑設(shè)計(jì)研究院，100045北京)

火炕是我國(guó)北方勞動(dòng)人民在長(zhǎng)期同寒冷氣候作斗爭(zhēng)的過(guò)程中創(chuàng)造出的一種供暖方式，而以此為供暖方式的住宅仍是北方地區(qū)農(nóng)村住宅的主要形式［1］.長(zhǎng)期以來(lái)，農(nóng)村住宅火炕的建設(shè)主要是居民自建自住、分散建設(shè)的模式，沿襲著傳統(tǒng)工藝與手工砌筑，磚混結(jié)構(gòu)，預(yù)制構(gòu)件很少，模塊化與裝配化成份低，工藝應(yīng)用水平很低.但對(duì)這類(lèi)簡(jiǎn)單的火炕結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，其采暖過(guò)程卻十分復(fù)雜，涉及到蓄熱、導(dǎo)熱、輻射、室內(nèi)熱環(huán)境以及室內(nèi)空氣品質(zhì)等多方面的知識(shí)［2］，目前對(duì)農(nóng)村火炕還缺乏科學(xué)的認(rèn)識(shí)和系統(tǒng)的研究，還處于以經(jīng)驗(yàn)為主的階段，沒(méi)有形成科學(xué)的搭建方法，更沒(méi)有形成統(tǒng)一的評(píng)價(jià)指標(biāo)和準(zhǔn)則，此外在搭建過(guò)程中由于經(jīng)驗(yàn)上的差異，火炕表面溫度分布不均勻.煙氣從炕頭的進(jìn)煙口進(jìn)入炕體，在炕體內(nèi)部一邊向前流動(dòng)一邊把熱量傳給炕板，而自身溫度不斷降低，與炕板溫度的溫差也不斷減小，釋放的熱量也越來(lái)越少，最終由排煙口進(jìn)入煙囪.由于進(jìn)煙口面積與炕體截面積相差懸殊，煙氣進(jìn)入炕體后往往分布不均勻，必然導(dǎo)致炕頭溫度高于炕梢溫度.炕面溫度不均勻，不僅熱舒適性差，也會(huì)影響熱量向室內(nèi)的傳遞，因此要求炕面整體溫度在一定范圍內(nèi).火炕采暖與地板輻射采暖系統(tǒng)原理相似，熱量從下向上傳遞，足熱頭涼，參考地板輻射采暖系統(tǒng)的地板溫度規(guī)定，炕面溫度均值為24～35℃適宜.為了更加科學(xué)地研究炕面溫度分布情況，本文將采用計(jì)算流體力學(xué)方法對(duì)北方冬季普通農(nóng)村住宅落地炕和吊炕的炕體傳熱和炕洞內(nèi)煙氣流動(dòng)過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬，分析2種炕的炕面溫度分布規(guī)律，提出改善炕面溫度分布不均的措施.

1 物理模型及數(shù)學(xué)模型建立

本文選用哈爾濱市某住宅的火炕采暖房間為研究對(duì)象，分別研究不同火炕的炕面溫度分布規(guī)律，并提出改善炕面溫度分布不均的措施.落地炕長(zhǎng)、寬、高分別為3.3、1.8、0.65 m，壟墻寬、厚分別為0.3、0.06 m，進(jìn)口寬、高分別為0.12、0.26 m，出口寬、高分別為0.2、0.2 m，炕面板蓄熱層厚為0.02 m、混凝土厚為0.05 m，靠墻隔熱層厚為0.12 m，炕底板隔熱層厚為0.1 m.落地炕長(zhǎng)、寬、高分別為3.3、1.8、0.65 m，支柱長(zhǎng)、寬、高分別為0.24、0.24、0.25 m，進(jìn)口寬、高分別為0.2、0.26 m，出口寬、高分別為0.2、0.2 m，炕面板蓄熱層厚為0.02 m、混凝土厚為0.05 m，靠墻隔熱層厚為0.12 m，炕底板混凝土厚為0.05 m.

由于炕體傳熱以及煙道中高溫?zé)煔饬鲃?dòng)特性受爐灶燃燒條件、炕體傳熱、室內(nèi)對(duì)流、輻射換熱和室外環(huán)境等多種因素的影響，而影響炕面溫度分布的主要因素包括炕體的結(jié)構(gòu)和材料、煙道布置形式、煙氣溫度及其分布等［3］.為了對(duì)炕面溫度的分布情況進(jìn)行分析研究，本文將炕體部分從整個(gè)房間中分離出來(lái)，單獨(dú)進(jìn)行數(shù)值模擬，落地炕和吊炕炕體部分結(jié)構(gòu)分別如圖1，2所示.炕體材料物理參數(shù)見(jiàn)表1.

圖1 落地炕炕體部分結(jié)構(gòu)

圖2 吊炕炕體部分結(jié)構(gòu)

表1 炕體材料物理參數(shù)

炕體的傳熱過(guò)程是無(wú)內(nèi)熱源的固體導(dǎo)熱問(wèn)題，其能量控制方程為［4］

式中:T為溫度，K;λ為導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K);cp為定壓比熱，J/(kg·K).

炕板和煙氣之間的換熱過(guò)程的能量控制方程為［4］

式中:E為流體微團(tuán)的總能，J/kg，包含內(nèi)能、動(dòng)能和勢(shì)能之和;λeff=λt+λ為有效導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K);Jj為組分j的擴(kuò)散通量;對(duì)于不可壓縮氣體為組分j的質(zhì)量分?jǐn)?shù);hj為組分j的焓，J/kg，定義為，其中Tref=298.15 K;Sh為包括化學(xué)反應(yīng)熱和其他體積熱源項(xiàng).

本文采用離散坐標(biāo)輻射模型(DO)來(lái)進(jìn)行輻射換熱過(guò)程的數(shù)值模擬［5］.

煙道進(jìn)口邊界條件為速度入口邊界條件，速度大小為1 m/s，方向垂直于進(jìn)口平面，進(jìn)口煙氣溫度由前期實(shí)驗(yàn)測(cè)得，設(shè)定為523 K.煙道出口設(shè)置為自由出流邊界條件.

2 炕面溫度標(biāo)準(zhǔn)差及火炕實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

結(jié)合本文的研究?jī)?nèi)容和方法，文中選用炕面溫度標(biāo)準(zhǔn)差作為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)［6-8］.炕面溫度標(biāo)準(zhǔn)差為炕面各點(diǎn)溫度偏離炕面溫度平均值的平均數(shù)，其計(jì)算公式為

式中:t為炕面溫度標(biāo)準(zhǔn)差，℃;n為將炕面分成的份數(shù);tix為炕面上各小分塊面積上的溫度平均值，℃;tp為炕面在τ時(shí)刻的溫度平均值，℃;Ai為炕面上各小分塊的面積，m2;A為炕面的總面積，m2.

通常用t的大小來(lái)表征炕面溫度分布的均勻性.t越小，則說(shuō)明此刻炕面溫度分布越均勻，t隨時(shí)間變化的曲線越平緩;t越大，則炕面溫度均勻性越差，其相應(yīng)的變化曲線越陡直［6］.

以本文原型落地炕為基礎(chǔ)，在哈爾濱城郊某民居內(nèi)搭建一火炕，具體尺寸見(jiàn)圖1.實(shí)驗(yàn)時(shí)室外溫度為-20℃，從早晨8:00加煤5 kg，后在9:00～17:00每隔1 h加煤1 kg.監(jiān)測(cè)到的炕頭最高溫度、炕中平均溫度及炕梢最低溫度分布見(jiàn)表2.

表2 炕不同位置的溫度 ℃

3 落地炕及吊炕炕面溫度分布規(guī)律

根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在煙氣進(jìn)口速度1 m/s，煙氣溫度523 K的工況下，普通農(nóng)村住宅落地炕的炕面面積加權(quán)平均溫度為324.6 K，炕面溫度標(biāo)準(zhǔn)差為7.44 K.炕面最高溫度為357.31 K，位于炕頭靠煙氣進(jìn)口處;炕面最低溫度為310.20 K，位于炕梢靠墻區(qū)域.此模擬結(jié)果與上述實(shí)驗(yàn)所得數(shù)據(jù)基本一致.綜合考慮人體能感觸的范圍，溫度為350～310 K.從炕面溫度分布圖3中可以看出，炕面溫度分布存在明顯的不均勻性，炕頭煙氣進(jìn)口區(qū)域溫度過(guò)高，接近353 K，而炕梢溫度僅有303 K左右.

圖3 落地炕炕面溫度分布

在煙氣進(jìn)口速度1 m/s，煙氣溫度523 K的工況下，普通農(nóng)村住宅吊炕炕面的溫度分布如圖4所示.根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn)，吊炕上炕面的面積加權(quán)平均溫度為325.10 K，炕面溫度標(biāo)準(zhǔn)差8.468 K.炕面最高溫度為370.17 K，位于炕頭煙氣入口處.炕面最低溫度為304.48 K，位于炕極邊緣處且面積極小，人體感覺(jué)不明顯，可忽略.上炕面最高溫度為350 K，最低溫度為310 K.

圖4 吊炕上、下炕面溫度分布

4 傾斜布置炕板改善炕面溫度分布

在保持原有炕洞下部結(jié)構(gòu)不變的情況下，將上炕板傾斜放置，炕頭略低，炕梢略高，炕面用加草粘土填平.傾斜布置炕板改善炕面溫度分布數(shù)值模擬計(jì)算模型是在原有炕面溫度分布的計(jì)算模型基礎(chǔ)上，在保證炕梢處加草粘土層厚度不變(20 mm)的情況下，增大炕頭炕板上面到炕面的距離，如圖5所示.炕頭加草粘土層厚度用H表示，炕體材料由上至下依次是加草粘土炕面、混凝土炕板、炕洞由磚砌壟墻支撐、爐渣隔熱層、夯土層，除粘土炕面的厚度以及炕板安放的角度改變外，其余結(jié)構(gòu)均與原型相同.對(duì)于吊炕雖然吊炕具有上下2個(gè)炕面，但下炕面溫度較低且均勻性較好，同時(shí)考慮炕洞內(nèi)粉塵堆積等問(wèn)題，因此不進(jìn)行傾斜布置.同落地炕一樣，吊炕炕梢處依然保持20 mm厚度的加草粘土層不變，炕頭粘土層增厚，如圖6所示.

圖5 傾斜布置炕板落地炕結(jié)構(gòu)示意圖

圖6 傾斜布置炕板吊炕結(jié)構(gòu)示意圖

考慮到今后生產(chǎn)實(shí)際情況，以炕頭處加草粘土蓄熱層的厚度H為參考量，通過(guò)不同的H確定不同的炕板傾斜角度，為了便于計(jì)算同時(shí)受實(shí)際尺寸的限制并考慮得到適宜的炕面溫度分布，本文取H分別為70、80、90 mm工況進(jìn)行計(jì)算.

5 傾斜炕板后落地炕及吊炕模擬

根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在煙氣進(jìn)口速度1 m/s，煙氣溫度523 K的工況下，傾斜炕板落地炕3種工況的炕面溫度分布如圖7所示.與水平布置炕板的原型落地炕相比較，首先，煙氣進(jìn)口處的炕面對(duì)應(yīng)的局部高溫明顯降低，高溫區(qū)面積減少;其次，炕面后半部分溫度明顯升高，甚至在炕面中間區(qū)域出現(xiàn)相對(duì)較高的溫度區(qū);再次，炕面靠近炕沿和墻的邊緣區(qū)域溫度明顯升高.

圖7 不同傾斜度的落地炕的炕面溫度分布

傾斜布置炕板，導(dǎo)致了炕面前半部分的傳熱熱阻增大，高溫?zé)煔庀蚩幻鎮(zhèn)鳠岬淖枇υ龃?，傳熱量減少，炕頭的局部高溫區(qū)基本消失，取而代之的是溫度略低的高溫區(qū)面積的增大.高溫?zé)煔鉁囟冉档偷奶荻葴p小，炕面后半部分所接觸到的煙氣溫度相應(yīng)升高，由于炕板后半部分熱阻較前半部分小，二者綜合作用，使傳熱增強(qiáng)，炕面所得到的熱量增大，炕面溫度升高.同時(shí)，由于煙氣溫度降低較慢，向四周擴(kuò)散的趨勢(shì)增大，因此邊緣處的低溫區(qū)的溫度升高.

原型落地炕的炕面溫度面積加權(quán)平均值為324.6 K，炕板傾斜度H=70 mm時(shí)炕面溫度面積加權(quán)平均值為321.74 K，炕板傾斜度H=80 mm時(shí)炕面溫度面積加權(quán)平均值為321.32 K，炕板傾斜度H=90 mm時(shí)炕面溫度面積加權(quán)平均值為320.98 K.將炕板傾斜布置后，由于在炕頭處粘土層較厚，與原型相比傳熱熱阻增大，導(dǎo)致炕面面積加權(quán)平均溫度有所降低，約下降3℃，但其溫度仍滿足人員舒適性要求.且隨著H的增大，炕面面積加權(quán)平均溫度逐漸降低，但整體降低幅度很小.從圖7可以看出，炕面溫度分布的不均勻性得到了明顯的改善，在炕面大部分區(qū)域溫度均為40～50℃，在人體感覺(jué)舒適的范圍內(nèi)，局部的高溫區(qū)基本消失，使用的舒適性明顯增強(qiáng).

根據(jù)上述各工況的數(shù)值計(jì)算結(jié)果，可以獲得炕板傾斜布置后落地炕炕面溫度分布規(guī)律.原型落地炕的炕面溫度標(biāo)準(zhǔn)差為7.44 K，炕板傾斜度H=70 mm時(shí)炕面溫度標(biāo)準(zhǔn)差為4.7 K，炕板傾斜度H=80 mm時(shí)炕面溫度標(biāo)準(zhǔn)差為4.41 K，炕板傾斜度H=90 mm時(shí)炕面溫度標(biāo)準(zhǔn)差為4.24 K.與原型落地炕相比，炕板傾斜布置后，炕面溫度標(biāo)準(zhǔn)差有了明顯下降，下降比例近一半，同時(shí)隨著H的增大即傾斜度的增大，炕面溫度標(biāo)準(zhǔn)差逐漸減小，但下降幅度不大，降低緩慢，這也與圖7觀察到的現(xiàn)象相一致.

通過(guò)比較3種不同傾斜度的炕板布置工況，炕面面積加權(quán)平均溫度和炕面溫度標(biāo)準(zhǔn)差的變化均不大，且均逐漸下降.考慮到熱效率和實(shí)際情況，確定落地炕的炕頭加草粘土層最佳厚度為H=80 mm.

圖8給出了在煙氣進(jìn)口速度1 m/s，煙氣溫度523 K的工況下，3種不同炕板傾斜度工況下吊炕上炕面的溫度分布.從圖中可見(jiàn)，炕頭部分的局部高溫區(qū)域基本消失，吊炕后半部分炕面溫度得到了明顯的提高，炕體后半部分立柱對(duì)于炕面溫度的影響減少.由于傾斜布置炕板的傾斜度較大，粘土層厚度最大相差為70 mm，故炕梢溫度與炕頭溫度相差不多.

圖8 不同傾斜度的吊炕的炕面溫度分布

原型吊炕的上炕面溫度面積加權(quán)平均值為325.1 K，炕板傾斜度H=70 mm時(shí)上炕面溫度面積加權(quán)平均值為321.67 K，炕板傾斜度H=80 mm時(shí)上炕面溫度面積加權(quán)平均值為321.05 K，炕板傾斜度為H=90 mm時(shí)上炕面溫度面積加權(quán)平均值為320.53 K.炕板傾斜布置后，炕面面積加權(quán)平均溫度下降約3℃，但炕面平均溫度仍滿足人員熱舒適要求.且隨著H的增大，溫度逐漸下降但下降幅度不大.原型吊炕的上炕面溫度標(biāo)準(zhǔn)差為8.468 K，炕板傾斜度H=70 mm時(shí)上炕面溫度標(biāo)準(zhǔn)差為4.73 K，炕板傾斜度H=80 mm時(shí)上炕面溫度標(biāo)準(zhǔn)差為4.091 K，炕板傾斜度H=90 mm時(shí)上炕面溫度標(biāo)準(zhǔn)差為3.844 K.傾斜布置炕板后，炕面溫度標(biāo)準(zhǔn)差明顯下降，與落地炕相似，下降近一半.H=90 mm時(shí)，炕面溫度標(biāo)準(zhǔn)差為3.844℃，為所有計(jì)算工況中炕面溫度標(biāo)準(zhǔn)差的最小值.

下炕面的面積加權(quán)平均溫度隨H增大而升高，原型吊炕下炕面溫度面積加權(quán)平均值為321.44 K，炕板傾斜度H=70 mm時(shí)下炕面溫度面積加權(quán)平均值為324.3 K，炕板傾斜度H=80 mm時(shí)下炕面溫度面積加權(quán)平均值為324.66 K，炕板傾斜度為H=90 mm時(shí)下炕面溫度面積加權(quán)平均值為325.09 K.比較炕板傾斜度不同的3種工況，無(wú)論是炕面面積加權(quán)平均溫度還是炕面溫度標(biāo)準(zhǔn)差，三者變化均不大，且均逐漸下降.考慮到實(shí)際應(yīng)用情況以及熱效率，吊炕炕頭加草粘土層最佳厚度H=80 mm.

6 結(jié)論

1)針對(duì)炕面溫度分布不均勻，提出一種操作簡(jiǎn)單同時(shí)成本相對(duì)低廉的改善措施，即將炕板傾斜布置，炕頭處略低，炕梢處略高，炕面用加草粘土填平.

2)對(duì)于落地炕，通過(guò)傾斜布置炕板導(dǎo)致炕面面積加權(quán)平均溫度有所下降，但下降幅度不大，炕面大部分區(qū)域溫度均為40～50℃，滿足人的舒適性要求，使得炕面溫度分布的不均勻性得到改善.炕頭處加草粘土層厚80 mm時(shí)，炕面溫度以及均勻性的綜合效果最好.

3)對(duì)于吊炕，將上炕板傾斜放置后，炕頭部分的局部高溫區(qū)域基本消失，吊炕后半部分炕面溫度得到了明顯的提高，炕體后半部分立柱對(duì)于炕面溫度的影響減少.炕頭處加草粘土層厚為80 mm時(shí)炕面溫度及均勻性的綜合效果最好.

［1］ZHUANG Z，LI Y G，CHEN B，et al.Chinese Kang as a domestic heating system in rural northern China:a review［J］.Energy and Building.2009，41(1):111-119.

［2］李玉國(guó)，楊旭東.北方農(nóng)村火炕的科學(xué)問(wèn)題及火炕的現(xiàn)狀和未來(lái)［C］//第四屆全國(guó)制冷空調(diào)新技術(shù)研討會(huì).南京:東南大學(xué)出版社，2006:82-87.

［3］張培紅，夏福龍，符靖宇.火炕采暖效果影響因素的數(shù)值模擬和分析［J］.沈陽(yáng)建筑大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2009，25(2):342-346.

［4］MOIN P.Progress in large eddy simulation of turbulent flows［J］.AIAA paper，1997:97(1):57-61.

［5］Fluent Inc.Fluent 6.3 user＇s guide［M］.New Hampshire:Lebanon，2003.

［6］端木琳，趙洋，王宗山，等.火炕熱工性能的研究及其評(píng)價(jià)方法［J］.建筑科學(xué)，2009(12):30-38.

［7］蔡洪彬，李桂文.東北地區(qū)傳統(tǒng)火炕節(jié)能改造技術(shù)解析［J］.沈陽(yáng)建筑大學(xué)學(xué)報(bào)，2007(11):36-39.

［8］徐聰智，李桂文.人居建筑與環(huán)境需要精準(zhǔn)化設(shè)計(jì)［J］.哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2003，35(5):594-596.