基于溫度場模擬的大花洞火炕煙道構(gòu)造形式優(yōu)化設(shè)計

張 杰，陳麗珠，王偉棟

基于溫度場模擬的大花洞火炕煙道構(gòu)造形式優(yōu)化設(shè)計

張 杰，陳麗珠，王偉棟

（內(nèi)蒙古科技大學建筑學院，包頭 014010）

針對內(nèi)蒙古東部農(nóng)牧區(qū)居住建筑中廣泛使用的大花洞火炕普遍存在的炕面溫度極不均勻、熱效率低的問題，以流體力學和建筑熱工知識為指導，遵循前引后導原則對火炕煙道形式進行改進設(shè)計。通過對大量新建火炕模型溫度場的模擬，精選出改進火炕I和改進火炕II 2種優(yōu)化方案。利用ANSYS模擬技術(shù)對現(xiàn)狀大花洞火炕和改進火炕模型的煙氣流場、溫度分布狀況進行模擬分析，結(jié)果表明：相比現(xiàn)狀火炕，改進火炕I的排煙溫度降低了10 ℃左右且接近炕板處高溫煙氣覆蓋面增加了約55%，改進火炕II的排煙溫度降低了20 ℃左右且接近炕板處高溫煙氣覆蓋面增加了約40%，改進后的大花洞火炕的煙氣流場分布和熱效率較現(xiàn)狀火炕有明顯改善和提升。

溫度；流場；優(yōu)化；大花洞火炕；煙道形式優(yōu)化；熱效率；ANSYS流場模擬

0 引 言

提高農(nóng)牧民居住環(huán)境質(zhì)量和燃料的使用效率是鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略的重要內(nèi)容之一。作為北方農(nóng)牧民居住建筑冬季使用的供暖設(shè)施之一，其火炕熱效率的高低直接影響著燃料的消耗量和居住環(huán)境的生活質(zhì)量。隨著人們生活水平的提高和對室內(nèi)人居環(huán)境的重視，國內(nèi)許多學者對火炕的熱效率及其熱工性能評價指標進行了大量的試驗和研究[1-12]。但針對大花洞火炕這一研究對象，在不改變原有材料和砌筑技術(shù)的前提下，通過對炕洞內(nèi)不同煙道形式對于煙氣流場的影響進行ANSYS模擬對比分析溫度場、優(yōu)化煙道構(gòu)造設(shè)計改善煙氣流場分布，進而提高火炕熱效率的研究還很少。

ANSYS軟件具有強大的流體計算分析功能，包括可以求解流體溫度分布等問題，并能夠直觀顯示流體的溫度變化情況。本文創(chuàng)新地將其用于火炕炕體內(nèi)部高溫煙氣的流場分析及熱效率研究。

對火炕煙道進行優(yōu)化設(shè)計，利用ANSYS模擬技術(shù)模擬，目的是改善火炕煙氣流場分布，使接近炕板處的高溫煙氣分布更加均勻，以提高人們睡覺時的熱舒適度，提高火炕的熱效率，進而也提高能源利用率。

1 現(xiàn)狀火炕模型的建立及熱舒適度評價

1.1 現(xiàn)狀火炕模型的建立

內(nèi)蒙古東部屬于嚴寒地區(qū)，冬季寒冷且漫長。通過對內(nèi)蒙古東部地區(qū)的熱環(huán)境參數(shù)及部分農(nóng)村牧區(qū)居住建筑火炕使用情況進行的大量調(diào)研（表 1）可知，絕大多數(shù)家庭使用大花洞落地炕進行室內(nèi)供暖?；鹂恢饕商峁嵩吹臓t灶、蓄熱散熱的炕體和用于排煙的煙囪3部分組成，一般由磚砌筑，火炕的爐灶和煙囪位置一般根據(jù)居室的平面布局、以符合人們生活習慣且方便使用而確定。

燒灶時，高溫煙氣從進煙口進入炕體內(nèi)部，與炕板、支柱、四周炕墻和墊土層進行熱量交換后，通過出煙口和煙囪排到室外。現(xiàn)狀大花洞火炕模型及內(nèi)部煙氣流動示意如圖1所示，調(diào)研火炕實體照片見圖2。

1.2 炕面板的體感溫度及評價

根據(jù)《農(nóng)村火炕系統(tǒng)通用技術(shù)規(guī)程》（JGJ/T358-2015）中火炕熱工性能檢測方法，在冬季最冷的1月，選擇在下午進行完炊事或單獨對火炕進行加熱后的六點到九點的時間段內(nèi)，在火炕的炕頭、炕中和炕梢區(qū)平均分布9個測點（圖3）進行測量，采用溫度自動記錄儀對炕板外表面溫度進行檢測記錄，時間步長為3 min。對測量溫度數(shù)據(jù)進行每隔30 min的整理，使檢測結(jié)果能夠直觀的觀察并對比炕頭、炕中和炕梢各區(qū)域的炕面溫度。

測量結(jié)果顯示，在整個炕面板上，測點1、2、3所處的炕頭部分溫度普遍偏高，其中測點2位于炕洞的進煙口，所以炕板溫度最高；而炕中的測點4、5、6所在位置相對炕頭溫度大幅度下降，而中間的測點5的溫度比兩側(cè)測點4、6的溫度高；因炕梢距離炕頭較遠，測點7、8、9的溫度普遍偏低。整體來看，炕沿和炕里區(qū)域相對炕中部位普遍偏低，給人呈現(xiàn)的體感即為腰部中間熱、頭腳兩頭涼；炕頭和炕梢區(qū)域的溫差較大，即為“炕頭熱、炕梢冷”（圖4）。

表1 內(nèi)蒙古東部部分農(nóng)村牧區(qū)熱環(huán)境參數(shù)及火炕使用情況

注：內(nèi)蒙古地區(qū)建筑熱工設(shè)計分區(qū)：以采暖度日數(shù)為依據(jù)，6 000≤HDD18為嚴寒A區(qū)（1A），5 000≤HDD18＜6 000為嚴寒B區(qū)（1B），HDD18＜5 000為嚴寒C區(qū)（1C）。

Note: Inner Mongolia thermal design zone: based on heating days, 6 000≤HDD18 is severe cold zone A (1A), 5 000≤HDD18 < 6 000 is severe cold zone B (1B), and HDD18 < 5 000 is severe cold zone C (1C).

a. 大花洞火炕平面圖

a. Floor plan of large complexity kang cave

b. 剖面圖

圖2 大花洞落地炕實體照片

圖3 火炕炕面溫度測點布置圖

圖4 火炕3個區(qū)域各個測點的溫度

根據(jù)人們對熱效率最常規(guī)的理解，火炕內(nèi)部吸收的高溫煙氣熱量占總輸入熱量的百分比即為火炕的熱效率，所以通過進出煙口煙氣的溫度差值可計算出炕體的熱效率為

為了重點研究改進大花洞火炕煙道構(gòu)造形式對煙氣流場、溫度分布變化的影響規(guī)律，只對炕體內(nèi)煙道布局進行優(yōu)化設(shè)計，不改變?nèi)藗円呀?jīng)習慣的爐灶和煙囪位置。在不考慮隨機影響因素的前提下，炕洞內(nèi)煙氣的擴散程度和火炕進出口處的煙氣溫度差反映了火炕內(nèi)吸收熱量的多少，進而反映了火炕熱效率的高低。

模擬炕洞內(nèi)部的溫度變化，對三維計算模型進行布爾運算，對模擬的溫度、壓強的邊界條件進行設(shè)置，將進出煙口煙氣壓強差值設(shè)置在10 Pa左右[13-14]，進煙口溫度設(shè)置為350 ℃[15]。在此工況下分別對改進前后模型進行模擬分析。

為全面分析火炕內(nèi)高溫煙氣的流動狀態(tài)、溫度分布及溫度變化情況，選取了不同標高的3個水平截面進行研究：

1）煙道內(nèi)部距墊土層0.2 m的水平截面，以分析高溫煙氣通過進煙口進入炕洞內(nèi)部后的煙氣流場分布情況；

2）距墊土層0.3 m的出煙口中心水平截面，以研究高溫煙氣在炕洞內(nèi)的流動情況和出煙口的溫度分布；

3）距墊土層0.42 m的接近炕板底部水平截面，以分析高溫煙氣與炕板的熱交換效率，所選3個水平截面見圖5。

圖5 火炕內(nèi)部熱量截面示意圖

2 現(xiàn)狀火炕模擬及分析

圖6給出了現(xiàn)狀火炕內(nèi)部各水平截面煙氣的溫度分布模擬圖，從圖6a看出，高溫煙氣作為熱載體進入炕洞內(nèi)部，主要集中在炕洞入口附近，很少向其他區(qū)域擴散，這與試驗數(shù)據(jù)反映的結(jié)果相吻合，熱量主要集中在炕頭部分，被人們有效利用的熱量很少。圖6b顯示，出煙口溫度分布在280 ～300 ℃之間，說明在炕洞內(nèi)被炕體吸收了50 ～70 ℃的熱量，根據(jù)公式（1），現(xiàn)狀火炕的熱效率大約為14%～20%；將接近炕板處270 ℃以上的煙氣分布面積占整個炕板面積的比例作為評判流場均勻性和與炕板熱交換效率的指標之一。在圖6c中，其面積占炕板面積的25%左右，高溫煙氣在炕洞中即時向炕板傳遞的熱量較少，導致炕板整體升溫的速度偏低，要達到人們?nèi)粘５幕緶囟刃枨螅捅厝灰紵嗟娜剂稀?/p>

圖6 現(xiàn)狀火炕內(nèi)部不同截面煙溫分布圖

3 火炕煙道構(gòu)造的優(yōu)化設(shè)計及模擬

3.1 火炕煙道構(gòu)造的優(yōu)化設(shè)計

現(xiàn)狀火炕的炕洞內(nèi)支柱布置形式雖然較為規(guī)整，但存在煙氣過于集中，熱量很少向整個炕板的其他區(qū)域擴散，導致炕面板的溫度分布不均勻。從提高煙氣流場均勻性的目的出發(fā)對火炕進行改進，僅改進炕洞內(nèi)支柱的布置方式，使煙氣在整個炕洞內(nèi)均勻分布并向炕板傳遞熱。通過對大量改進火炕模型的溫度場對比分析，精選出圖7中a、b 2個火炕優(yōu)化模型，其煙氣流場分布有明顯的改善。在距進煙口內(nèi)側(cè)約900 mm且略偏上位置用磚砌尖形迎火墻（也是炕板支柱）對進入炕洞的煙氣起到引流或分流作用，目的是使煙氣的流場能分布于較大區(qū)域。在迎火墻后煙氣流經(jīng)路徑上設(shè)置傾斜式分煙墻和導煙墻，目的是對流動的煙氣起到導流作用，使高溫煙氣在炕洞內(nèi)盡可能流過更大區(qū)域、停留更長時間，使煙氣更加充分地與炕面板進行熱量的交換傳遞。

圖7 大花洞火炕優(yōu)化構(gòu)造設(shè)計模型

3.2 改進火炕模擬分析

在相同工況下，對改進火炕I進行模擬（圖8）。從圖8a中可以看出，高溫煙氣進入炕洞后，在三角形迎火墻、分煙墻和導煙墻的作用下，煙氣流場范圍不斷擴大；圖8b顯示，出煙口溫度分布在270 ～280 ℃之間，在炕洞內(nèi)被炕體吸收了70 ～80 ℃的熱量，由公式（1）計算得出，改進火炕I的熱效率大約為20%～22%；高溫煙氣在火炕內(nèi)明顯擴散且使炕板的溫度分布更加均勻，說明高溫煙氣即時向炕板傳遞的熱量（圖8c）較現(xiàn)狀火炕整體有了明顯的提高。接近炕板處270 ℃以上的煙氣分布面積占炕板面積的80%，說明改進火炕I在利用同等燃料的前提下，高溫煙氣能夠更好的被炕板有效吸收利用。

對圖7b火炕的模擬結(jié)果如圖9所示。設(shè)置尖劈形迎火墻、分煙墻和后導煙墻擴大煙氣流場（見圖9a），使高溫煙氣盡可能的分散于整體炕洞，增大煙氣與炕板的接觸面積。從圖9b可知，出煙口處溫度在265 ～280 ℃之間，計算求得，改進火炕II的熱效率約為20%～24%；圖9c中接近炕板處270 ℃以上的煙氣分布面積占炕板面積的65%。

表2 3種火炕熱工性能對比分析

圖8 改進火炕I內(nèi)部不同截面煙溫分布圖

圖9 改進火炕II內(nèi)部不同截面煙溫分布圖

通過分析可以看出低溫面積區(qū)大部分分布在炕沿區(qū)域，據(jù)人們?nèi)粘Ｋ呱盍晳T，炕沿區(qū)域是頭部所在位置，由人體熱工知識，頭涼腳熱對人體來講是較為熱舒適的狀態(tài)且有益于健康，相比現(xiàn)狀火炕，接近炕板的高溫煙氣有所提升且符合人們?nèi)粘Ｉ钏叩臒崾孢m需求。

3 結(jié) 論

基于流體力學和熱工學知識，利用ANSYS模擬技術(shù)對大花洞火炕內(nèi)煙氣流場及火炕熱效率進行了模擬分析研究，得出如下結(jié)論：

1）傳統(tǒng)大花洞火炕煙氣流場主要集中于火炕中軸區(qū)域，流場范圍狹小，局部高溫導致對流換熱強度減小，對高溫煙氣熱量利用率低，排煙溫度較高。

2）對火炕的煙道構(gòu)造進行優(yōu)化設(shè)計，提高接近炕板處煙氣溫度，高溫煙氣的流場分布擴大，均勻性明顯改善，且使高溫煙氣更大范圍地接觸炕板使炕板充分吸熱，能降低出煙口的排煙溫度，大幅提升了火炕的熱效率。

3）改進火炕I的炕板溫度整體提高，更適合類似老年人睡眠時對整體炕面溫度有較高要求的人群；改進火炕II的炕板高溫覆蓋面提高，更適合睡眠時對炕面溫度均勻性有較高要求的人群。

4）ANSYS模擬技術(shù)為改進火炕的熱效率研究提供了一種新的模擬方法和技術(shù)支持，也為新型火炕的砌筑提供了指導。

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Flue form optimization design of large complexity kang based on temperature field simulation

Zhang Jie, Chen Lizhu, Wang Weidong

(,,014010,)

With economic development and living standard improving in China, the demand by people in rural areas for thermal conformity of indoor facilities in their homes has also increased. This has become one of the main targets in rural revitalization in the country. In rural grassland areas in northern China, brick-bed (Kang) has been widely used by farmers and herdsmen as an integrated system for sleeping and heating in winter. Different kangs exist in different areas, but most of them are built with experiences and lack of temperature uniformity, giving rise to uncomfortable sleeping and poor thermal efficiency. Effectively combining natural and existing conditions to make the kang more thermally comfortable and energy efficiency is hence a key issue but has been overlooked. This paper aims to address this gap by re-designing the pathways of the smoke and flue gas in the kang using CFD software ANSYS. The smoke wall and the guide were re-set based on the principle of “front and rear guide” in that the smoke walls should make the distribution of the smoke flow improve thermal conformity and thermal efficiency. We compared two re-designed kangs and simulated the distribution of the flue gas temperature in each using ANSYS. The results show that, compared with the traditional kang, the design I reduced the exhaust smoke temperature by about 10 ℃ and increased the coverage of high-temperature flue gas in the proximity of the kang plate by about 55%. These combine to improve the temperature uniformity. For the design II, the associated reduction in the temperature and increase in high temperature coverage was 20 ℃ and 40% respectively. In summary, the flue optimization in the both designed kangs improved the spatial distribution of the smoke flow and thermal efficiency, compared to the traditional one; they also increased the temperature of the flue gas in the vicinity of the raft and adsorbed more heat of the high-temperature flue gas to the slab, thereby increasing the temperature of the slab and reducing smoke loss. All these show that the new designs significantly improved the thermal efficiency of the kang, in which the flue gas can get into the chimney flue and the kang panel through thermal absorbing and storing. They also enhance the release of the flue gas heat to improve thermal conformity within a wide range of high temperature. ANSYS is a tool that can be used to improve design of thermal-efficient kang.

temperature; flow field; optimization; large complexity kang; flue form optimization;thermal efficiency; ANSYS flow field simulation

2019-05-24

2019-08-25

國家自然科學基金項目（51668051）；國家自然科學基金項目（51868060）

張 杰，教授，主要從事建筑節(jié)能、建筑物理教學與研究。Email：zhangjieav@163.com.

10.11975/j.issn.1002-6819.2019.17.028

TU832

A

1002-6819(2019)-17-0233-07

張 杰，陳麗珠，王偉棟.基于溫度場模擬的大花洞火炕煙道構(gòu)造形式優(yōu)化設(shè)計[J]. 農(nóng)業(yè)工程學報，2019，35(17)：233－239. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.17.028 http://www.tcsae.org

Zhang Jie, Chen Lizhu, Wang Weidong. Flue form optimization design of large complexity kang based on temperature field simulation[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2019, 35(17): 233－239. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.17.028 http://www.tcsae.org