基于太陽能沼氣池的陜北窯洞供暖系統研究

史俊杰，李林翰，葉思琪

（蘭州石化職業技術學院，甘肅蘭州 730060）

窯洞建筑建造簡便，建材取用便捷，但目前傳統窯洞由于冬季供暖存在很多問題，已無法滿足人們對物質文化生活的追求。本文從節省能源消耗、減輕農民經濟負擔的角度出 發，研究出更能受農民歡迎的綠色宜居型窯洞，改善陜北地區窯洞的觀賞性和適宜居住性。

1 傳統窯洞供暖效果測試

本文中以陜西省榆林市地區高原地帶一處成分為黃土與白灰的磚窯民居作為測試對象，在使用FLUENT進行模擬之前，首先要使用SOLIDWORKS進行窯洞結構的模型的建立。

建模基礎數據：寬度設為3 100mm，長度設為8 000mm，窯洞地面與窯洞拱形頂層交接高度設為2 350mm，該位置與窯頂最高處距離為800mm。

網格劃分：為了便于計算，在劃分網格式使用的是結構化網格，網格尺寸劃分為0.5mm。

邊界條件：傳統火炕供暖主要依靠其表面對流與輻射共同作用來起到供暖的效果，因此在選擇溫度場模擬時的模型時，選擇k-epsilon湍流模型和Discrete Ordinate輻射模型。

經查閱顯示榆林市橫山縣地區冬季平均溫度在-7℃，在進行邊界條件的設定時，作為熱源的兩個炕面設置為第三類邊界條件，除門窗所在的壁面外的其他三個壁面和拱形頂部以及地面等圍護結構設定為第一類邊界條件，初始溫度設置為8℃，墻壁的傳熱系數為1.21W/（m2·K），木門的對流換熱系數為2.8W/（m2·K），窗戶的對流換熱系數為4W/（m2·K），墻體厚度設定為440mm，傳統火炕炕面溫度變化范圍在25～32℃，本文中取值為26℃和32℃。

對傳統窯洞溫度場的模擬主要是為得到以傳統火炕作為供暖條件時窯洞室內溫度分布情況，故為了能夠獲得更明顯的模擬結果，將窯壁材料分布理想化設置，按照其分布情況均勻、厚度規則考慮。

本文主要目的是對于傳統陜北窯洞的供暖方式進行基于可再生能源為基礎的優化，故需要進行兩次模擬，分別是對在窯洞中使用傳統火炕以及改用沼氣池作為能量來源的地暖及水暖炕結合的方式的溫度場模擬。火炕文化是傳統農村文化的一個載體，因此在設計新型供暖方式時將傳統火炕的建筑形式進行保留，但是燃燒煤炭以及柴火秸稈具有環境污染性，所以在結合地暖供暖的同時，將其改造為新式的水暖炕。因此雖然要進行兩次模擬，但是兩次模擬中需要的建筑模型外觀形式一致，僅在邊界條件上的設置有所區別，在此就只體現出一組建模的基本構造。

2 新型供暖系統的設計及模擬

經文獻查閱得到寒冷地區的建筑節能設計標準，計算出窯洞供暖時的耗熱量。

式中：Q0為窯洞供暖耗熱量，W；Q1為窯洞圍護結構傳熱耗熱量，W；Q2為窯居內部所得熱量，W。

離地高約2m處的室內空間內，人體最佳熱舒適溫度范圍在17～26℃，本文中設計的基于可再生能源的新型供暖系統達到的目標室內溫度設定為20℃，陜北地區室外溫度設定為-7℃。

其中，通過窯洞圍護結構和地面傳熱造成的耗熱量Q1如式（2）所示。

式中：Q1為窯洞圍護結構傳熱耗熱量，W；t1為采暖時室內空氣溫度，20 ℃；t0為采暖時窯洞壁外溫度，-7 ℃；εi為窯洞各壁面傳熱系數的修正系數；

Ki為窯洞各壁面及門窗的傳熱系數，W/（m2·K）；Ai為窯洞各壁面及門窗的面積大小，m2。

多壁面的總導傳熱系數K的運算公式如式（3）所示。

式中：h1為外界溫度與墻壁對流換熱系數，W/（m2·℃）；σi為窯壁厚度，m；γi為窯洞圍護結構導熱系數，W/（m·K）；h2為室內溫度與窯壁對流換熱系數，W/（m2·℃）。

窯洞圍護結構耗熱情況如表1所示。

表1 圍護結構明細

建筑圍護各結構在總的窯洞傳熱熱耗量中所占的比例如表2所示。

表2 圍護結構耗熱量

根據上表可知建筑圍護結構的傳熱總熱耗量Q1為3 208.89W。

居民在窯洞內的日常生活中會散熱，家電等運行過程中也會散熱。這些都是窯洞內部獲得的熱量，將其取值為3.8W/m2。

由Q0=Q1-Q2得Q0為3 205.09W。

除上述以外，由公式（4）可計算出窯洞內日均用水的熱消耗量。

式中：Q3為生活用水日耗熱量，W；

m為居民人數，2人；qr為人均用水量，35L/（人·d）；ρw為熱水密度，0.988kg/L；Cw為熱水比熱容，4 186J/（kg·℃）；t3為設定熱水溫度，60 ℃；t4為設定冷水溫度，年平均10 ℃。

經計算可得到窯洞居民日均用水的熱消耗量Q4為169.23W。

最終計算得此供暖系統日均能量輸出Q總為3 374.32W。

3 供暖系統建立

計算得到供暖系統平均日產能達到3 374.32W才能使得窯洞溫度達到最佳人體熱舒適溫度要求。傳統火炕供暖形式達不到標準，故選擇建立太陽能輔助恒溫沼氣池作為本文中供暖系統的供能源，其中太陽能僅起到給沼氣池提供恒溫條件的一個輔助作用。

3.1 沼氣池的建立

本文中選用四方體沼氣池，其墻體高1.5m，長2.6m，寬2.4m。沼氣池總容積為9.36m3。池體底部由上到下依次為水泥漿、混凝土、聚苯板保溫材料、抗壓網，墻體由內到外依次為水泥漿、磚、聚苯板保溫材料、抗壓網。其中作為輔助功能得太陽能集熱器將廢水加熱，并通過管道流通以維持沼氣池發酵溫度穩定。沼氣池選擇中溫發酵，溫度為30 ℃（中溫發酵溫度在28～38 ℃）。

3.2 沼氣池運行過程中的熱量損失

沼氣池在運行過程中不可避免地會發生熱量損失，維持池中穩定發酵溫度的工作由太陽能承擔，故沼氣池的熱量損失即為太陽能集熱器所需輸出的能量。生物質發酵時的發熱量與墻體散熱損失以及加熱新原料熱損失相比極小，可以忽略。

本文中選取有優質集熱效果的全玻璃真空集熱器。橫山地區全年日照時間長，能夠獲得足夠的太陽輻射，年均日光輻射量為為5 065MJ/m2，年日照時數2 623h，日照率約55%。

經計算可得QS=9.52MJ，本文中太陽能集熱器僅作為輔助功能使用，故經上文中的計算可知，其需供應的能量為528.97W。即可得到所需集熱器面積為4.7m2，全玻璃真空集熱器外徑為58mm，有效長度為1 800mm，管面面積約為0.104 4m2，則可得到該系統中太陽能集熱器需要45根集熱管。

4 新型供暖系統的模擬

本次模擬在建模與網格劃分上與傳統火炕供暖溫度場模擬時設定一致，在此處不再重復體現，在進行邊界條件劃分時，作為熱源的兩個炕面以及安裝了地暖管的地面部分設置為第三類邊界條件，除門窗所在的壁面外的其他三個壁面和拱形頂部等圍護結構設定為第一類邊界條件，初始溫度設置為8℃，墻壁的傳熱系數為1.21W/（m2·K），木門的對流換熱系數為2.8W/（m2·K），窗戶的對流換熱系數為4W/（m2·K），墻體厚度設定為440mm，本次模擬中地暖溫度及炕面溫度設定為26℃。

室內溫度基本維持在19～21℃，完全符合人體最佳熱舒適度17～26℃這一要求，各位置間溫度分布均勻，豎直面間靠近熱源部分溫度稍高但也僅存在有1℃溫差，靠近門窗區域溫度較低，但其室內溫度大體也在19℃，窯洞內部休息區域溫度則維持在20～21℃，滿足室內人體舒適溫度變化幅度在3℃之內的要求。

5 結束語

陜北窯洞是我國一種獨特的鄉村文化的載體，對傳統窯洞以火炕作為供暖系統進行了冬季供暖模擬分析與改進。國家發展進入新時期，國家也推出低能耗政策，基于此，設計了一種新型的基于可再生能源的窯洞供暖系統，以沼氣池作為供能系統，保留炕文化的建筑形式，以水暖炕與地暖相結合的形式進行窯洞冬季供暖。同時使用FLUENT軟件對新型的供暖系統運行時的室內溫度分布進行了模擬，可以看到本文設計的新型供暖系統運行時室內溫度得到提高同時溫度分布均勻，可以使住戶獲得最佳的環境熱舒適度。