改善火炕炕面溫度分布技術模擬

王 丹，徐聰智，李桂文，蔡洪彬

(1.哈爾濱工業大學建筑學院，150006哈爾濱;2.黑龍江大學建筑工程學院，150086哈爾濱;3.北京市建筑設計研究院，100045北京)

火炕是我國北方勞動人民在長期同寒冷氣候作斗爭的過程中創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農村住宅的主要形式［1］.長期以來，農村住宅火炕的建設主要是居民自建自住、分散建設的模式，沿襲著傳統工藝與手工砌筑，磚混結構，預制構件很少，模塊化與裝配化成份低，工藝應用水平很低.但對這類簡單的火炕結構來說，其采暖過程卻十分復雜，涉及到蓄熱、導熱、輻射、室內熱環境以及室內空氣品質等多方面的知識［2］，目前對農村火炕還缺乏科學的認識和系統的研究，還處于以經驗為主的階段，沒有形成科學的搭建方法，更沒有形成統一的評價指標和準則，此外在搭建過程中由于經驗上的差異，火炕表面溫度分布不均勻.煙氣從炕頭的進煙口進入炕體，在炕體內部一邊向前流動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，釋放的熱量也越來越少，最終由排煙口進入煙囪.由于進煙口面積與炕體截面積相差懸殊，煙氣進入炕體后往往分布不均勻，必然導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，也會影響熱量向室內的傳遞，因此要求炕面整體溫度在一定范圍內.火炕采暖與地板輻射采暖系統原理相似，熱量從下向上傳遞，足熱頭涼，參考地板輻射采暖系統的地板溫度規定，炕面溫度均值為24～35℃適宜.為了更加科學地研究炕面溫度分布情況，本文將采用計算流體力學方法對北方冬季普通農村住宅落地炕和吊炕的炕體傳熱和炕洞內煙氣流動過程進行數值模擬，分析2種炕的炕面溫度分布規律，提出改善炕面溫度分布不均的措施.

1 物理模型及數學模型建立

本文選用哈爾濱市某住宅的火炕采暖房間為研究對象，分別研究不同火炕的炕面溫度分布規律，并提出改善炕面溫度分布不均的措施.落地炕長、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、寬、高分別為3.3、1.8、0.65 m，支柱長、寬、高分別為0.24、0.24、0.25 m，進口寬、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煙氣流動特性受爐灶燃燒條件、炕體傳熱、室內對流、輻射換熱和室外環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構和材料、煙道布置形式、煙氣溫度及其分布等［3］.為了對炕面溫度的分布情況進行分析研究，本文將炕體部分從整個房間中分離出來，單獨進行數值模擬，落地炕和吊炕炕體部分結構分別如圖1，2所示.炕體材料物理參數見表1.

圖1 落地炕炕體部分結構

圖2 吊炕炕體部分結構

表1 炕體材料物理參數

炕體的傳熱過程是無內熱源的固體導熱問題，其能量控制方程為［4］

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

炕板和煙氣之間的換熱過程的能量控制方程為［4］

式中:E為流體微團的總能，J/kg，包含內能、動能和勢能之和;λeff=λt+λ為有效導熱系數，W/(m·K);Jj為組分j的擴散通量;對于不可壓縮氣體為組分j的質量分數;hj為組分j的焓，J/kg，定義為，其中Tref=298.15 K;Sh為包括化學反應熱和其他體積熱源項.

本文采用離散坐標輻射模型(DO)來進行輻射換熱過程的數值模擬［5］.

煙道進口邊界條件為速度入口邊界條件，速度大小為1 m/s，方向垂直于進口平面，進口煙氣溫度由前期實驗測得，設定為523 K.煙道出口設置為自由出流邊界條件.

2 炕面溫度標準差及火炕實驗數據

結合本文的研究內容和方法，文中選用炕面溫度標準差作為評價標準［6-8］.炕面溫度標準差為炕面各點溫度偏離炕面溫度平均值的平均數，其計算公式為

式中:t為炕面溫度標準差，℃;n為將炕面分成的份數;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的大小來表征炕面溫度分布的均勻性.t越小，則說明此刻炕面溫度分布越均勻，t隨時間變化的曲線越平緩;t越大，則炕面溫度均勻性越差，其相應的變化曲線越陡直［6］.

以本文原型落地炕為基礎，在哈爾濱城郊某民居內搭建一火炕，具體尺寸見圖1.實驗時室外溫度為-20℃，從早晨8:00加煤5 kg，后在9:00～17:00每隔1 h加煤1 kg.監測到的炕頭最高溫度、炕中平均溫度及炕梢最低溫度分布見表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律

根據數值模擬結果發現，在煙氣進口速度1 m/s，煙氣溫度523 K的工況下，普通農村住宅落地炕的炕面面積加權平均溫度為324.6 K，炕面溫度標準差為7.44 K.炕面最高溫度為357.31 K，位于炕頭靠煙氣進口處;炕面最低溫度為310.20 K，位于炕梢靠墻區域.此模擬結果與上述實驗所得數據基本一致.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，炕頭煙氣進口區域溫度過高，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

在煙氣進口速度1 m/s，煙氣溫度523 K的工況下，普通農村住宅吊炕炕面的溫度分布如圖4所示.根據數值模擬結果發現，吊炕上炕面的面積加權平均溫度為325.10 K，炕面溫度標準差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構不變的情況下，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值模擬計算模型是在原有炕面溫度分布的計算模型基礎上，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，其余結構均與原型相同.對于吊炕雖然吊炕具有上下2個炕面，但下炕面溫度較低且均勻性較好，同時考慮炕洞內粉塵堆積等問題，因此不進行傾斜布置.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構示意圖

圖6 傾斜布置炕板吊炕結構示意圖

考慮到今后生產實際情況，以炕頭處加草粘土蓄熱層的厚度H為參考量，通過不同的H確定不同的炕板傾斜角度，為了便于計算同時受實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工況進行計算.

5 傾斜炕板后落地炕及吊炕模擬

根據數值模擬結果發現，在煙氣進口速度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，煙氣進口處的炕面對應的局部高溫明顯降低，高溫區面積減少;其次，炕面后半部分溫度明顯升高，甚至在炕面中間區域出現相對較高的溫度區;再次，炕面靠近炕沿和墻的邊緣區域溫度明顯升高.

圖7 不同傾斜度的落地炕的炕面溫度分布

傾斜布置炕板，導致了炕面前半部分的傳熱熱阻增大，高溫煙氣向炕面傳熱的阻力增大，傳熱量減少，炕頭的局部高溫區基本消失，取而代之的是溫度略低的高溫區面積的增大.高溫煙氣溫度降低的梯度減小，炕面后半部分所接觸到的煙氣溫度相應升高，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，炕面所得到的熱量增大，炕面溫度升高.同時，由于煙氣溫度降低較慢，向四周擴散的趨勢增大，因此邊緣處的低溫區的溫度升高.

原型落地炕的炕面溫度面積加權平均值為324.6 K，炕板傾斜度H=70 mm時炕面溫度面積加權平均值為321.74 K，炕板傾斜度H=80 mm時炕面溫度面積加權平均值為321.32 K，炕板傾斜度H=90 mm時炕面溫度面積加權平均值為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，導致炕面面積加權平均溫度有所降低，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，在炕面大部分區域溫度均為40～50℃，在人體感覺舒適的范圍內，局部的高溫區基本消失，使用的舒適性明顯增強.

根據上述各工況的數值計算結果，可以獲得炕板傾斜布置后落地炕炕面溫度分布規律.原型落地炕的炕面溫度標準差為7.44 K，炕板傾斜度H=70 mm時炕面溫度標準差為4.7 K，炕板傾斜度H=80 mm時炕面溫度標準差為4.41 K，炕板傾斜度H=90 mm時炕面溫度標準差為4.24 K.與原型落地炕相比，炕板傾斜布置后，炕面溫度標準差有了明顯下降，下降比例近一半，同時隨著H的增大即傾斜度的增大，炕面溫度標準差逐漸減小，但下降幅度不大，降低緩慢，這也與圖7觀察到的現象相一致.

通過比較3種不同傾斜度的炕板布置工況，炕面面積加權平均溫度和炕面溫度標準差的變化均不大，且均逐漸下降.考慮到熱效率和實際情況，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，炕頭部分的局部高溫區域基本消失，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平均值為325.1 K，炕板傾斜度H=70 mm時上炕面溫度面積加權平均值為321.67 K，炕板傾斜度H=80 mm時上炕面溫度面積加權平均值為321.05 K，炕板傾斜度為H=90 mm時上炕面溫度面積加權平均值為320.53 K.炕板傾斜布置后，炕面面積加權平均溫度下降約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準差為8.468 K，炕板傾斜度H=70 mm時上炕面溫度標準差為4.73 K，炕板傾斜度H=80 mm時上炕面溫度標準差為4.091 K，炕板傾斜度H=90 mm時上炕面溫度標準差為3.844 K.傾斜布置炕板后，炕面溫度標準差明顯下降，與落地炕相似，下降近一半.H=90 mm時，炕面溫度標準差為3.844℃，為所有計算工況中炕面溫度標準差的最小值.

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

6 結論

1)針對炕面溫度分布不均勻，提出一種操作簡單同時成本相對低廉的改善措施，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)對于落地炕，通過傾斜布置炕板導致炕面面積加權平均溫度有所下降，但下降幅度不大，炕面大部分區域溫度均為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，炕面溫度以及均勻性的綜合效果最好.

3)對于吊炕，將上炕板傾斜放置后，炕頭部分的局部高溫區域基本消失，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于炕面溫度的影響減少.炕頭處加草粘土層厚為80 mm時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，楊旭東.北方農村火炕的科學問題及火炕的現狀和未來［C］//第四屆全國制冷空調新技術研討會.南京:東南大學出版社，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值模擬和分析［J］.沈陽建筑大學學報:自然科學版，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價方法［J］.建筑科學，2009(12):30-38.

［7］蔡洪彬，李桂文.東北地區傳統火炕節能改造技術解析［J］.沈陽建筑大學學報，2007(11):36-39.

［8］徐聰智，李桂文.人居建筑與環境需要精準化設計［J］.哈爾濱工業大學學報，2003，35(5):594-596.