燃池采暖建筑的室內(nèi)熱環(huán)境分析

張寶剛，袁鵬麗，劉鳴，樊新穎，郝文剛

(1.大連理工大學(xué)建筑環(huán)境與新能源研究所，遼寧大連116024;2.大連理工大學(xué)建筑與藝術(shù)學(xué)院，遼寧大連116024)

在我國北方地區(qū)最突出的建筑用能為冬季采暖。據(jù)調(diào)查結(jié)果顯示，北方農(nóng)村能源消耗占全國農(nóng)村總能源消耗量的56%，且超過80%的農(nóng)村能源消耗用于采暖［1］。人們生活水平的不斷改善使農(nóng)村居民對室內(nèi)環(huán)境要求提高，商品能的使用比例明顯增加。然而北方農(nóng)村每年都會產(chǎn)生大量的農(nóng)作物廢棄物，如秸稈、玉米芯等，生物質(zhì)材料一般的處理方式為田間焚燒，不僅造成大氣污染，還導(dǎo)致能源的浪費。為充分利用農(nóng)村地區(qū)特有的資源，燃池在北方地區(qū)應(yīng)運而生，它主要應(yīng)用于學(xué)校、住宅、大棚種植等需要冬季增溫的場合。關(guān)于燃池采暖的研究主要集中于:1)燃池內(nèi)部陰燃燃燒規(guī)律研究;2)燃池采暖效果及室內(nèi)環(huán)境的研究［2］;3)燃池優(yōu)化方案的研究［3-5］，而以燃池為采暖裝置的建筑室內(nèi)熱環(huán)境的穩(wěn)定性和熱舒適性研究不多，且文獻［2］中從定性上判定燃池采暖效果較火炕相對穩(wěn)定，并沒有通過定量分析。因此本文根據(jù)實測數(shù)據(jù)定量分析熱環(huán)境的穩(wěn)定性及熱舒適性，對燃池采暖系統(tǒng)進行深入了解。

1 燃池采暖系統(tǒng)實驗概況

1.1 實驗對象

本次實驗地點位于遼寧省阜新市阜蒙縣東陽鎮(zhèn)，該地區(qū)位于嚴(yán)寒B區(qū)，每年需持續(xù)采暖6個月，最低溫度達到－23.2℃。實測對象分別為燃池和炕為采暖方式的2棟農(nóng)宅(如圖1)。燃池采暖住宅為主要測試房，炕采暖住宅為對比房。燃池采暖房為兩層建筑，其中燃池位于一層地面以下，測試期間以一層房間為主，該建筑的一層平面圖見圖2。一層建筑面積為130 m2(13 m ×10 m)，在房間1和房間2內(nèi)分別設(shè)置尺寸不同的燃池，位于房間1下部的燃池尺寸為2 m×10 m×2 m(寬×長×高)，燃池與采暖面積之比為1∶3.77，房間2下部的燃池尺寸為1.8 m×10 m×2 m，燃池與采暖面積之比為1∶3.03，與傳統(tǒng)的面積比1∶6不同。

圖1 測試實驗房Fig.1 Test room

圖2 燃池采暖住宅一層平面圖Fig.2 First floor plan of fire pit heating house

1.2 測試系統(tǒng)

本實驗的測試參數(shù)包括燃池和炕采暖住宅室內(nèi)外溫濕度、燃池采暖地板溫度、圍護結(jié)構(gòu)壁面溫度。記錄室內(nèi)外溫濕度的儀器為德圖Testo溫濕度自動記錄儀，測試間隔均為10 min，室內(nèi)溫濕度的測點布置于離地面1.5 m處，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)［6］的測點布置原則對房間1和房間2分別設(shè)置2個和1個溫濕度測點見圖3，其中房間1溫度取各點檢測結(jié)果的平均值;燃池采暖地板溫度、圍護結(jié)構(gòu)壁面溫度采用JTNT-A多通道溫度熱流測試儀，地板、壁面溫度測試間隔均為10 min，燃池地板溫度測點布置圖見圖4。

圖3 室內(nèi)空氣溫濕度測點布置圖Fig.3 Measuring-point arrangement of indoor air temperature and humidty

圖4 燃池地板溫度測點布置圖Fig.4 Measuring-point arrangement of floor temperature of fire pit

1.3 實驗條件

實驗測試于2014年1月15日～17日完成，開始測試時間為1月15日上午10∶00，停止測試時間為1月17日上午10∶00。

2 實驗結(jié)果與分析

2.1 室內(nèi)地板溫度分布

燃池采暖住宅主要是利用被加熱的燃池地板通過對流和輻射的換熱方式來提高室內(nèi)溫度的，燃池地板的溫度分布影響著室內(nèi)空氣溫度，進而影響著室內(nèi)熱環(huán)境的穩(wěn)定性。通過實測得地板溫度分布見圖5，其中T1為圖4中1點溫度，以此類推。

圖5 房間1與房間2地板溫度曲線圖Fig.5 Floor temperature curves of room 1 and room 2

由圖5可知房間2地板溫度低于房間1，房間1地板溫度變化范圍為21℃～29.3℃，該范圍符合標(biāo)準(zhǔn)［7］中的規(guī)定:人員經(jīng)常停留區(qū)適宜溫度范圍在24～26℃為宜的要求，未出現(xiàn)文獻［2］局部超過40℃的現(xiàn)象，分析原因為該房間面積與燃池面積之比為1∶3.77，與一般面積比1∶6不同。房間2地板溫度變化為12.7～20.4℃，相對于房間1低3～8℃，由于房間2煙囪出口被塞住，與室外空氣之間的交換量較少，導(dǎo)致燃池內(nèi)部空氣量少，使燃池內(nèi)部的燃燒溫度低，由此可知燃池的燃燒溫度與進氣量有關(guān)。圖5顯示房間1與房間2地板溫度均在12∶ 00～15∶00之間形成波峰，由于此時段太陽輻射通過門、窗戶進入室內(nèi)照射到地板上導(dǎo)致溫度升高，并且隨著太陽高度角的變化形成了波峰。

2.2 室內(nèi)空氣溫度和平均輻射溫度分布

由于人體對圍護結(jié)構(gòu)的角系數(shù)計算較復(fù)雜，為進一步簡化，可用所有內(nèi)表面的面積加權(quán)平均溫度代替平均輻射溫度［8］:

式中:Fi為圍護結(jié)構(gòu)的面積，m2;ti為圍護結(jié)構(gòu)壁面溫度，℃。

在燃池采暖運行期間，燃池采暖房的室內(nèi)空氣溫度變化范圍在11.4℃～15.7℃，炕采暖房的溫度變化范圍為4.9～12.4℃。2種采暖房的溫度范圍均低于城市冬季供暖所需達到的室內(nèi)計算溫度16～22℃。由于城市居民不經(jīng)常外出的生活習(xí)慣使得居民在室內(nèi)的衣服熱阻較小，一般為1 clo左右。由于農(nóng)村地區(qū)人們經(jīng)常在室內(nèi)外走動的生活習(xí)慣與城市居民有所不同，農(nóng)戶通常穿著冬季較厚衣物，衣服熱阻一般為1.5～2.0 clo左右。熱阻不同，室內(nèi)所需達到的溫度就隨之變化，對于農(nóng)村地區(qū)冬季室內(nèi)的舒適溫度范圍大概在12～16℃，因此燃池采暖房溫度滿足要求。

圖6 平均輻射溫度、室內(nèi)空氣溫度逐時曲線圖Fig.6 Mean radiant temperature and indoor air temperature hourly curves

由圖6可知燃池采暖房及炕采暖房的平均輻射溫度均大于室內(nèi)空氣溫度，其中燃池房平均高2.2℃，炕采暖房平均高1.7℃。這主要與燃池和炕的傳熱方式有關(guān)，2種采暖方式均以輻射散熱為主。

2.3 影響室內(nèi)空氣溫度的因素分析

選取房間1為主要分析對象。經(jīng)過相關(guān)性分析可得房間1室內(nèi)空氣溫度與地板、室外環(huán)境之間的相關(guān)性分析見下圖7。地板溫度對室內(nèi)空氣溫度的相關(guān)系數(shù)(R=0.90)比室外空氣對室內(nèi)空氣溫度的相關(guān)系數(shù)(R=0.78)高，說明地板溫度對室內(nèi)空氣的影響作用大于室外空氣溫度，通常認為R＞0.8時兩變量有很強的線性關(guān)系，可知地板溫度與室內(nèi)空氣溫度有著較強線性關(guān)系。

圖7 室內(nèi)空氣溫度與地板、室外溫度相關(guān)性分析Fig.7 Correlation analysis of indoor air temperature with floor and outdoor temperature

3 室內(nèi)熱環(huán)境穩(wěn)定性評價指標(biāo)

3.1 室內(nèi)外溫度波動比率

室內(nèi)外溫度波動比率是綜合采暖方式及建筑圍護結(jié)構(gòu)的室內(nèi)熱穩(wěn)定性的指標(biāo)。其計算方法為

式中:Δti為一天中室內(nèi)空氣溫度的波幅，Δto為一天中室外空氣溫度的波幅。選取2014年1月16日～17日期間燃池采暖房及炕采暖房的室內(nèi)外空氣溫度進行分析，得不同地點的溫度波幅，見表1。

表1 室內(nèi)外空氣溫度波幅Table 1 Indoor and outdoor air temperature fluctuation

從表1可分別計算出燃池采暖房和炕采暖房的室內(nèi)外溫度波動比率ηburningcave=0.21＜ηkang=0.82。波動比率越大，說明該房間熱環(huán)境越不穩(wěn)定，通過計算分析可得燃池采暖房較炕采暖房穩(wěn)定。

針對燃池采暖和炕采暖房間，利用該指標(biāo)進行評價并不能夠全面的說明室內(nèi)熱環(huán)境的穩(wěn)定性。原因為燃池和炕的傳熱方式為輻射和對流，因此為了能更加準(zhǔn)確評判室內(nèi)熱穩(wěn)定性需綜合考慮室內(nèi)空氣溫度和平均輻射溫度。

3.2 綜合溫度波幅分析

對于燃池和炕采暖住宅建筑熱環(huán)境而言，燃池和炕采暖室內(nèi)的氣流速度相對穩(wěn)定。實驗測試得燃池室內(nèi)相對濕度的變化范圍33.5～44.45%，處于30～80%的濕度舒適范圍內(nèi)，對熱環(huán)境影響不大。因此影響熱環(huán)境的因素主要是室內(nèi)空氣溫度和平均輻射溫度。

由圖6可得燃池采暖房和炕采暖房內(nèi)的平均輻射溫度，以2014年1月16日～17日為例，計算燃池和炕室內(nèi)的平均輻射溫度波幅見表2。室內(nèi)空氣溫度ta和平均輻射溫度合成的室內(nèi)溫度環(huán)境可采用房間的操作溫度即綜合溫度t0表示［8］:

式中:t0為操作溫度，℃;hr為輻射換熱系數(shù)，W/ (m2·℃);hc為對流換熱系數(shù)為平均輻射溫度，℃;ta為室內(nèi)空氣溫度，℃。

表2 平均輻射溫度波幅Table 2 The average radiation temperature fluctuation℃

由圖6可得平均輻射溫度與室內(nèi)空氣溫度的相位基本相同，可忽略不計。利用室內(nèi)空氣溫度和平均輻射溫度的波幅通過式(4)可計算出在燃池房間內(nèi)操作溫度的波幅［9］:

式中:A0為操作溫度的波幅，℃;Ar為平均輻射溫度的波幅，℃;Aa為室內(nèi)空氣溫度的波幅，℃;

根據(jù)人體表面的對流換熱系數(shù)表查得［8］，在靜止空氣中和靜止人體的條件下，此時的對流換熱系數(shù)hc=3 W/(m2·℃)，文獻［10］提出米森納爾德曾證明了人在靜止空氣中輻射與對流換熱系數(shù)之比為1∶0.9，因此可得hr=3.33 W/(m2·℃)。計算得影響燃池和炕采暖室內(nèi)的綜合溫度的波幅A0burnigcave=3.03℃＜A0kang=7.82℃。綜合室內(nèi)外波動比率和綜合溫度波幅的分析，可以從定量上得出燃池采暖住宅的室內(nèi)穩(wěn)定性較炕采暖住宅好。

4 建筑室內(nèi)熱舒適性分析

4.1 北方農(nóng)村冬季PMV影響因素分析

我國北方地區(qū)農(nóng)村住宅大多以 370 mm或240 mm墻厚的紅磚房為主。受農(nóng)村地區(qū)的經(jīng)濟水平限制，建筑圍護結(jié)構(gòu)均未采取任何保溫措施。因此，在寒冷的冬季，室外空氣溫度的變化波動對室內(nèi)空氣溫度的影響大，農(nóng)村住宅可看作自然通風(fēng)建筑。

農(nóng)村居民的生活習(xí)慣與城市居民有所不同。農(nóng)村地區(qū)的居住條件決定了農(nóng)戶經(jīng)常出入室內(nèi)外，因此農(nóng)戶為了適應(yīng)頻繁的進出活動，需保持室內(nèi)外穿著衣物大致相同。

北方農(nóng)村地區(qū)居民在冬季長期生活在較惡劣的環(huán)境下，對于較低的室內(nèi)空氣溫度的承受能力要高于城市居民。因此農(nóng)戶對室內(nèi)熱環(huán)境要求不高。

4.2 燃池采暖住宅的PMV指標(biāo)

Fanger［11］于1982年提出了描述人體在穩(wěn)態(tài)條件下能量平衡的熱舒適方程，然而根據(jù)對農(nóng)村地區(qū)室內(nèi)熱舒適的影響因素分析可得完全利用PMV模型進行預(yù)測是不準(zhǔn)確的。為了使得PMV指標(biāo)適用于自然通風(fēng)建筑，F(xiàn)anger提出了擴展的PMV-PPD模型:根據(jù)不同地區(qū)的氣象條件、建筑形式，將PMV乘上一個熱期望因子e來修正基于穩(wěn)態(tài)熱平衡的PMV值，對于中國地區(qū)取e為0.7［11］。

在燃池采暖房內(nèi)，人們大多數(shù)穿著冬季衣物并且處于靜坐狀態(tài)，因此根據(jù)文獻［8］中得針對燃池采暖住宅人體的新陳代謝率M=58.2 W/m2，W=0，Icl=1.5 clo，fcl=1.45，hc=3 W/(m2·K)。選取2014年1月16日～1月17日期間的實驗數(shù)據(jù)，根據(jù)擴展的PMV模型可以得出室內(nèi)PMV-PPD指標(biāo)隨著時間的變化曲線圖見圖8、9。利用擴展的PMV模型對燃池采暖房的熱舒適進行預(yù)測，結(jié)果表明在最初選取服裝熱阻為1.5 clo時，室內(nèi)的PMV指標(biāo)在－1.24～－1.04范圍內(nèi)變化，即人體處于微涼與涼之間的熱感覺。由圖8可得室內(nèi)溫度升高時，PMV增加，因此燃池采暖與炕采暖房內(nèi)的室內(nèi)空氣溫度和平均輻射溫度的比較可得在其他相同條件下采用燃池房間的熱舒適要大于炕采暖，為農(nóng)民選擇不同的供暖方式提供依據(jù)。

圖8 燃池采暖室內(nèi)PMV逐時曲線圖Fig.8 PMV hourly curves of fire pit heating house

I為服裝熱阻，當(dāng)I=1.7 clo增加至 I=2.0 clo時，燃池室內(nèi)的PMV變化范圍為－0.56～－0.39，處于－1～0即微涼與適中之間，與I≥1.5 clo相比提高了0.65～0.68。由此可得服裝熱阻平均每增加0.1 clo，燃池室內(nèi)的PMV就提高0.13左右。

利用PMV與PPD之間的定量關(guān)系來預(yù)測人們對于燃池采暖房的不滿意率，綜合反應(yīng)出燃池采暖房的效果。由圖9可得隨著燃池室內(nèi)PMV的增加，不滿意百分比在不斷的減小。隨著服裝熱阻的增大，不滿意率不斷減少，從最初的最大不滿意率37.49%減小到11.8%。在不同服裝熱阻條件下，PPD在各個范圍內(nèi)所占的比例見圖10。

圖9 不同服裝熱阻下的PPD逐時變化圖Fig.9 PPD hourly variation under different clothing thermal resistance

由圖10可得在服裝熱阻為1.5 clo時，人們的不滿意率大部分處在30～40%，當(dāng)人們適當(dāng)添加衣物后，冬季人們穿著服裝熱阻為1.7 clo時有70%～80%的人滿意。然而在服裝熱阻達到2.0時，PPD均處在小于20%的范圍內(nèi)。這就說明針對農(nóng)村地區(qū)來說，在人們適當(dāng)添加衣物后，燃池采暖房能夠基本滿足人們的熱舒適要求。

圖10 不同服裝熱阻下PPD的頻率分布圖Fig.10 frequency distribution of PPD under different clothing thermal resistance

5 結(jié)論

本文通過對遼寧省阜蒙縣的兩棟農(nóng)宅進行實驗測試和理論分析可得以下結(jié)論:

1)該燃池采暖住宅的地板溫度分布較均勻，未出現(xiàn)局部過熱現(xiàn)象，原因在于燃池大小與傳統(tǒng)經(jīng)驗不同，因此通過比例調(diào)整以及控制可以實現(xiàn)室內(nèi)熱環(huán)境的調(diào)節(jié)。

2)對燃池和炕室內(nèi)的熱穩(wěn)定性進行了定量分析，對比了室內(nèi)外波動比率和綜合溫度波幅穩(wěn)定性評價指標(biāo)，得室內(nèi)外溫度波動比率 ηfirepit=0.21＜ηkang=0.82，綜合溫度的波幅A0firepit=3.03℃＜A0kang= 7.82℃。綜合反映燃池采暖住宅較炕采暖穩(wěn)定。

3)針對農(nóng)村住宅利用擴展的PMV模型對燃池室內(nèi)的熱舒適性進行評價，通過理論計算對PMV進行預(yù)測可為農(nóng)村居民選擇不同的供暖方式提供定量依據(jù)。

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