基于熱效率的直洞式火炕煙道構(gòu)造形式優(yōu)化設(shè)計(jì)

張 杰， 師國艷

(內(nèi)蒙古科技大學(xué)建筑學(xué)院，包頭 014010)

隨著中國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，農(nóng)牧民的生活日益富裕，在居住環(huán)境方面，特別是對冬季室內(nèi)熱舒適度方面也有了更高的要求。在內(nèi)蒙古自治區(qū)中西部農(nóng)村牧區(qū)，居住建筑的主要能耗來自冬季供暖能耗，火炕是農(nóng)牧民普遍使用的供暖設(shè)施之一。目前火炕的搭建仍然以民間經(jīng)驗(yàn)為主，普遍存在室內(nèi)溫度低、供暖能耗大、炕面溫度極不均勻、熱效率低等問題。中國學(xué)者針對火炕的熱效率和熱工性能進(jìn)行了多方面實(shí)驗(yàn)和研究。王丹等[1]通過數(shù)值模擬方法，將炕面板傾斜放置，且增加炕頭部材料的厚度，可以有效降低炕頭處溫度，改善炕面溫度不均勻；朱俊亮等[2-3]通過改變火炕炕洞內(nèi)布置，在炕梢和火墻出口加設(shè)后擋煙板，有效降低了煙囪的排煙溫度，提高了火炕對煙氣熱量的利用率；李剛等[4]通過在炕面加入相變材料——石蠟，改善炕面溫度分布的均勻性，有效延長了供暖時(shí)間并提高了室內(nèi)溫度；張培紅等[5]利用數(shù)值模擬方法，將吊炕的離地高度增加，可以有效提高炕面的散熱量；許景茗等[6]針對火炕熱效率低和炕面溫度分布不均等問題，提出東北嚴(yán)寒地區(qū)村鎮(zhèn)住宅火炕低能耗設(shè)計(jì)原則和設(shè)計(jì)方法，從而提高火炕的能源利用率；端木琳等[7]和郝亞芬等[8]以流體力學(xué)和傳熱學(xué)理論為基礎(chǔ)，提出了評價(jià)火炕熱工性能的5個(gè)指標(biāo)；馮國會等[9]和李剛等[10]提出利用太陽能熱水系統(tǒng)加熱炕面板，改善炕面溫度均勻性，提高火炕熱舒適性。在前人研究中，有些是通過改變火炕炕洞布置方式、在出煙口加設(shè)擋煙板、在炕面加入相變材料等技術(shù)方法改善炕面溫度的均勻性；有的是利用太陽能熱水系統(tǒng)為火炕供熱，提升火炕熱工性能。

現(xiàn)利用ANSYS模擬技術(shù)(一種高性能流體動力學(xué)數(shù)值模擬軟件)研究炕洞內(nèi)煙道形式變化對煙氣流場分布以及溫度分布的影響，進(jìn)而對直洞式火炕煙道形式進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以提升其熱效率和熱舒適度。

1 現(xiàn)狀火炕

通過對內(nèi)蒙古自治區(qū)中西部部分農(nóng)村牧區(qū)居住建筑現(xiàn)狀進(jìn)行調(diào)研，調(diào)研結(jié)果(圖1、表1)表明，在內(nèi)蒙古中西部地區(qū)，農(nóng)牧民使用直洞式火炕較為普遍。根據(jù)房間功能布局及爐灶、煙囪位置的不同，直洞式火炕又分為兩種類型(圖2)：火炕的爐灶和煙囪在炕體的同一側(cè)，記為類型I；火炕的爐灶和煙囪在炕體的對角線上，記為類型II。兩種類型火炕其內(nèi)部構(gòu)造完全相同，都屬直洞式火炕，如圖3、圖4所示。

2 現(xiàn)狀火炕模擬分析

2.1 關(guān)于ANSYS軟件

ANSYS是一款多用途有限元法計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)分析軟件，主要包括三部分：①前處理模塊，提供了一個(gè)強(qiáng)大的實(shí)體建模及網(wǎng)格劃分工具；②分析計(jì)算模塊，可模擬多種物理介質(zhì)的相互作用，具有靈敏度分析及優(yōu)化分析能力；③后處理模塊，可將計(jì)算結(jié)果以彩色等值線顯示、梯度顯示、矢量顯示、粒子流跡顯示、立體切片顯示、透明及半透明顯示(可看到結(jié)構(gòu)內(nèi)部)等圖形方式顯示出來，也可將計(jì)算結(jié)果以圖表、曲線形式顯示或輸出。軟件模擬參數(shù)設(shè)置包括：參數(shù)設(shè)定、分網(wǎng)劃分、運(yùn)算求解等。

主要利用ANSYS流體動力學(xué)功能分析處理后可直觀顯示火炕內(nèi)高溫?zé)煔獾膲毫?、流率和溫度分布的?yōu)勢，研究直洞式火炕熱效率和熱舒適度。

2.2 火炕模型的建立及模擬條件設(shè)定

內(nèi)蒙古中西部地區(qū)農(nóng)牧民使用的直洞式火炕均采用磚砌筑?；鹂荒Ｐ偷拈L×寬×高=3 600 mm×2 100 mm×650 mm。80 mm厚炕面板上有60 mm厚炕面抹面泥和10 mm厚飾面層?？粌?nèi)煙道由磚砌筑，且均勻分布?；鹂坏撞坑?00 mm厚爐渣混凝土做蓄熱墊層。進(jìn)煙口寬為200 mm、高為150 mm；出煙口的寬為200 mm、高為160 mm，各種材料物理性能如表2所示。模擬分析過程中，將進(jìn)煙口與出煙口的煙氣壓強(qiáng)差設(shè)為10 Pa左右[11-12]。將室內(nèi)空氣平均溫度設(shè)為15 ℃；炕體初始溫度為15 ℃；煙氣入口溫度設(shè)定為350 ℃；煙氣入口流速為3 m/s。為研究直洞火炕不同煙道構(gòu)造形式對煙氣溫度分布、流場分布、進(jìn)出煙口溫差的影響規(guī)律，假定爐灶燃燒條件、爐灶和煙囪位置、室內(nèi)外空氣壓強(qiáng)、空氣溫度等影響因素不變。

圖1 部分調(diào)研照片

表1 調(diào)研情況匯總

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

圖2 直洞式火炕典型戶型平面圖

圖3 類型I火炕示意圖

圖4 類型II火炕示意圖

表2 現(xiàn)狀火炕構(gòu)造材料參數(shù)

2.3 網(wǎng)格劃分及收斂判斷依據(jù)

炕體內(nèi)部的煙道構(gòu)件基本規(guī)則不存在異形，所以ANSYS劃分網(wǎng)格時(shí)選用平行六面體網(wǎng)格。由于煙氣在煙道內(nèi)流動時(shí)會受煙道形式布局影響，從而改變其流動方向。因此在煙氣入口、出口及煙道壁面等煙氣流速快、流量大的區(qū)域?qū)W(wǎng)格進(jìn)行加密，而在在其他區(qū)域劃分較粗的網(wǎng)格，不僅能加快計(jì)算速度，而且能提升計(jì)算精度。

收斂依據(jù)是模型流場穩(wěn)定后，殘差曲線應(yīng)均能達(dá)到收斂精度；通過屬性(如壓力、流量、速度等)來判斷是否收斂，如果仿真已經(jīng)收斂，所模擬屬性曲線應(yīng)為一條波動幅值較小或者是周期性波動的曲線。

2.4 現(xiàn)狀火炕模擬結(jié)果分析

類型I火炕、類型II火炕的模擬結(jié)果如圖5、圖6所示。由圖5(a)、圖6(a)可知，炕洞內(nèi)進(jìn)煙口處高溫?zé)煔饩奂?，炕中、炕梢處溫度過低，排煙溫度高，整個(gè)炕洞內(nèi)高溫?zé)煔夥植挤秶^小，導(dǎo)致炕面溫度極不均勻。類型I火炕出煙口溫度約為279 ℃，溫度在277～350 ℃的高溫?zé)煔饷娣e分布范圍約占炕面板面積的20%，溫度在204～240 ℃的低溫?zé)煔饷娣e分布范圍約占炕面板面積的60%。類型II火炕出煙口溫度為277 ℃，溫度在277～350 ℃的高溫?zé)煔饷娣e分布范圍約占炕面板面積的40%，溫度在204～240 ℃的低溫?zé)煔饷娣e分布范圍約占炕面板面積的50%。從整體上看，類型I、類型II火炕高溫?zé)煔饷娣e分布范圍占炕面板面積??；而低溫?zé)煔饷娣e分布范圍占炕面板面積大，炕面板吸熱量少，火炕熱效率低。

由圖5(b)、圖6(b)可知，類型I火炕煙氣流速在0.40 m/s以上的分布面積約占炕面板面積的20%；類型II火炕煙氣流速在0.40 m/s以上的流場區(qū)域面積約占炕面板面積的25%。兩種火炕內(nèi)部煙氣流動不均勻且特別混亂，有煙氣回流現(xiàn)象，增大了煙氣流動阻力，導(dǎo)致煙氣流動不順暢，容易產(chǎn)生旋渦，從而導(dǎo)致?lián)Q熱不充分，火炕熱效率低。

圖5 類型I火炕模擬圖

圖6 類型II火炕模擬圖

3 直洞式火炕的優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.1 前引后導(dǎo)優(yōu)化思路

前引后導(dǎo)：即炕體內(nèi)喉眼附近不設(shè)置支柱，盡量減少阻礙，將高溫?zé)煔庖蚩坏闹小⒑蟛?。流場分布與接觸截面阻力有關(guān)，所以改變其煙道截面形式，使進(jìn)入炕內(nèi)的煙氣能夠均勻擴(kuò)散，這樣才能使炕面得熱均勻，使高溫?zé)煔馀c炕面板充分換熱，降低排煙溫度，提高火炕熱效率。

優(yōu)化設(shè)計(jì)中，改進(jìn)火炕在炕體尺寸、材料、砌筑方法等方面與現(xiàn)狀火炕模型相同，只通過改變煙道構(gòu)造形式來達(dá)到提高火炕熱效率和熱舒適度的目的。

通過對大量改進(jìn)火炕模擬的對比分析，優(yōu)選出圖7中的兩種火炕模型。類型I火炕優(yōu)化為圖7(a)的I(A)型；類型II火炕優(yōu)化為圖7(b)的II(A)型。圖7(a)中的I(A)型火炕在進(jìn)煙口處設(shè)置斜向的引煙墻，引導(dǎo)煙氣流向炕體中部，使煙氣流過更大的區(qū)域并充分與炕面板換熱，減少出煙口的氣流收縮效應(yīng)，保證煙氣擴(kuò)散至整個(gè)炕體內(nèi)部，使炕面溫度更均勻。斜向布置的煙道與煙氣接觸的位置是楔形，大大減少接觸面，同時(shí)減小了接觸阻力，使煙氣可以更順暢的由入口處流向炕體后部。圖7(b)中的II(A)型火炕整個(gè)炕洞走煙形式由原來的平行布置改為斜向上布置，整體趨勢順應(yīng)進(jìn)出煙口的方向，盡量減小對煙氣的阻擋，使煙氣的流場分布于更大區(qū)域。

圖7 改進(jìn)火炕煙道形式

3.2 I(A)型、II(A)型火炕模擬結(jié)果分析

利用ANSYS模擬技術(shù)對I(A)型、II(A)型兩種火炕進(jìn)行模擬，結(jié)果如圖8、圖9所示。由圖8(a)、圖9(a)煙氣靜態(tài)溫度等值線可知，高溫?zé)煔獗淮罅恳蚩恢?、炕梢，大大改善了流場不均勻的狀況。煙氣充分?jǐn)U散，擴(kuò)大了煙氣流場范圍，高溫?zé)煔馀c更大炕面板進(jìn)行充分換熱，煙氣熱量得以充分利用。I(A)型火炕出煙口溫度約265 ℃；II(A)型火炕出煙口溫度約為248 ℃，相比類型I、類型II火炕，出煙口溫度降低15～20 ℃，大幅提升了火炕的熱效率。

圖8 I(A)型火炕模擬圖

圖9 II(A)型火炕模擬圖

從圖8(a)煙氣靜態(tài)溫度等值線看出，I(A)型火炕中溫度在277～350 ℃的高溫?zé)煔饷娣e分布范圍約占炕面板面積的70%，相比類型I火炕擴(kuò)大了50%左右；溫度在204～240 ℃的低溫?zé)煔饷娣e分布范圍約占炕面板面積的15%，相比類型I火炕減少了45%左右。由圖9(a)可知，II(A)型火炕中溫度在277～350 ℃的高溫?zé)煔饷娣e分布范圍約占炕面板面積的75%，相比類型II火炕擴(kuò)大了35%左右；溫度在204～240 ℃的低溫?zé)煔饷娣e分布范圍約占炕面板面積的15%，相比類型II火炕減少了35%左右。說明改進(jìn)火炕對比現(xiàn)狀火炕，炕面板吸熱量增加，火炕熱效率明顯提升。

從圖8(b)中看出，煙氣流速在0.40 m/s以上的流場區(qū)域面積約占炕面板面積的45%，炕體的煙氣流場的均勻性明顯改善。由圖9(b)可知，煙氣流速在0.40 m/s以上的面積約占炕面面積的50%，明顯改善了煙氣流場過于集中的現(xiàn)象，使煙氣與炕面板更充分的換熱，提高了火炕對高溫?zé)煔鉄崂寐省?/p>

為進(jìn)一步研究火炕炕面溫度的變化和分布狀況，在炕面平均布置9個(gè)測點(diǎn)，如圖10所示。其瞬時(shí)溫度和平均溫度分布對比，如圖11、圖12所示。由圖11、圖12可知， I(A)型火炕、II(A)型火炕在引煙墻、導(dǎo)煙墻的作用下，煙氣流場范圍擴(kuò)大，流場均勻性明顯改善，高溫?zé)煔馀c炕面板充分換熱，出煙口溫度降低，熱量利用率提升，炕面平均溫度提高， I(A)型火炕比類型I火炕平均溫度約提升26 ℃、II(A)型火炕比類型II火炕平均溫度約提升21 ℃?；鹂粺嵝拭黠@改善，而且改進(jìn)火炕炕頭區(qū)溫度整體下降，炕梢區(qū)溫度整體上升，改善了“炕頭熱、炕梢冷”的弊端。火炕的熱工性能對比分析如表3所示。

1～9為濕度測點(diǎn)

表3 火炕熱工性能對比分析

圖11 類型I火炕與I(A)型火炕炕面溫度分析

圖12 類型II火炕與II(A)型火炕炕面溫度分析

4 結(jié)論

利用ANSYS模擬技術(shù)，對直洞式火炕和其改進(jìn)火炕的煙氣流場分布、溫度變化范圍、進(jìn)出煙口溫差進(jìn)行對比分析可知，改進(jìn)火炕多方面的熱工性能都有明顯改善。

(1)火炕內(nèi)部煙氣流場更加均勻，炕頭區(qū)溫度降低，炕梢區(qū)溫度提升，平均溫度提高了20 ℃左右,不僅增大了高溫?zé)煔馀c炕體的換熱面積且延長了煙氣在炕體內(nèi)的流動路徑和時(shí)間，火炕的供熱能力得到大幅提高。

(2)改進(jìn)火炕排煙溫度降低15～20 ℃,高溫?zé)煔庠跓煹纼?nèi)充分換熱后才排出煙囪，煙氣熱量得以充分利用?；鹂坏臒嵝拭黠@提升。

(3)ANSYS模擬技術(shù)為改進(jìn)火炕熱效率研究提供了一種新的模擬方法和技術(shù)支持，也為新型火炕砌筑提供了設(shè)計(jì)指導(dǎo)。