炕的節(jié)能布局及其系統(tǒng)組合優(yōu)化設(shè)計(jì)＊

李世芬 王佳林

在熱工設(shè)計(jì)分區(qū)中，我國華北、西北、東北等地區(qū)屬于寒冷及嚴(yán)寒地區(qū)，該地區(qū)的居民常以火炕取暖來適應(yīng)寒冷的氣候。據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前農(nóng)村地區(qū)采暖能耗占中國建筑能耗總量的25%[1]，而北方農(nóng)宅冬季采暖能耗則占到農(nóng)村用能總量的40%[2]?；鹂粴v史悠久，最早的記錄可以追溯到唐代[3]，其文化內(nèi)涵豐富，是種種民間藝術(shù)的發(fā)源地。因此，火炕系統(tǒng)仍有其研究的必要性和價(jià)值意義。從節(jié)能潛力和文化價(jià)值考慮，有必要對(duì)火炕進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

近年來，學(xué)者從民俗文化、農(nóng)學(xué)、建筑物理等多個(gè)學(xué)科角度對(duì)傳統(tǒng)火炕做了深入研究。周小花、李德生[3-4]從歷史文化的角度探討了炕字的來源和炕頭文化的內(nèi)涵；何萍[5]從類型學(xué)角度對(duì)比中國西北與東北地區(qū)傳統(tǒng)火炕的類型、構(gòu)造做法及材料裝飾，得出兩地火炕及其炕文化的演進(jìn)互動(dòng)關(guān)系和地域特征；郭繼業(yè)、徐洪波等[6-7]對(duì)火炕內(nèi)部構(gòu)造進(jìn)行了詳細(xì)介紹，通過設(shè)置炕梢分煙墻和煙插板來改變煙氣的流動(dòng)速度和流動(dòng)方式，提高了火炕的傳熱性能；閆樹睿等從設(shè)計(jì)角度對(duì)傳統(tǒng)炕灶體系供暖的唐山鄉(xiāng)村住宅平面進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，改善了住宅的供暖、私密性和舒適性；竟峰等[8]從節(jié)能角度設(shè)計(jì)了一種太陽能炕供暖系統(tǒng)，將蓄熱池與火炕結(jié)合，利用太陽能和炊事余熱，達(dá)到節(jié)能效果；陳月、馬秀琴、賀曉楊等[9]從材料優(yōu)化角度利用多孔鋁介質(zhì)良好的導(dǎo)熱性，與石蠟組成復(fù)合相變材料，改善了石蠟導(dǎo)熱系數(shù)小、熱阻大的缺點(diǎn)，減緩了熱量損失速度；崔玉清、季杰、何偉等[10]從系統(tǒng)組合優(yōu)化角度提出Trombe墻與太陽能炕相結(jié)合的新型太陽能采暖系統(tǒng)并建立理論模型，提高了太陽能利用率和室內(nèi)熱舒適的穩(wěn)定性。

本文通過梳理傳統(tǒng)火炕平面布局、節(jié)能優(yōu)化及系統(tǒng)組合演進(jìn)，從建筑布局、供能模式、炕體構(gòu)造三個(gè)層面進(jìn)行綜合優(yōu)化，提出復(fù)合型太陽能吊炕系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)主被動(dòng)結(jié)合的采暖模式及炕系統(tǒng)與建筑的一體化設(shè)計(jì)，吸取傳統(tǒng)火炕的采暖形式，克服單一太陽能采暖系統(tǒng)運(yùn)行的缺陷，改善室內(nèi)生活起居環(huán)境，滿足鄉(xiāng)村居民的現(xiàn)代生活需求。

1 傳統(tǒng)火炕類型及特征

1.1 漢族一字炕

一字炕（圖1）在我國北方漢族民居中廣泛使用，炕體直接建造在地面上，由灶臺(tái)、炕體、煙囪三部分構(gòu)成。一字炕常設(shè)在居室南側(cè)，其大小取決于房間的幾何形狀?？惑w內(nèi)部構(gòu)造依據(jù)煙道形態(tài)可分為垂直煙道、水平煙道、花洞煙道和回轉(zhuǎn)煙道（圖2）。一字炕在使用中常與火墻結(jié)合設(shè)置，火墻為內(nèi)部中空的走煙墻體，可充分利用煙氣余熱。

1.2 朝鮮族滿鋪炕

1.3 滿族萬字炕

滿族臥室布局最大的特點(diǎn)是環(huán)室三面筑火炕（圖5），南北炕通過西炕相連，俗稱萬字炕。一般南、北炕為大炕，西炕為窄炕，下通煙道。滿族文化以西為尊，居民將西炕看作最神圣的地方，作祭祀、信仰之用，日?；顒?dòng)在南炕進(jìn)行，北炕用來干燥谷物。萬字炕擁有較大的炕板面積，煙道較難布置，形式可分為平行煙道和回轉(zhuǎn)煙道（圖6）。萬字炕由火爐、炕體、跨海煙囪共同構(gòu)成，其中跨海煙囪是滿族民居的典型特征。

1.4 蒙古族半圓炕

蒙古族火炕的構(gòu)造元素有：炕面、炕洞、煙道、焚火口、火爐盤、煙囪等，火炕正對(duì)房門。由于蒙古包平面呈圓形，其火炕形態(tài)為半圓狀，煙道做成弧形并環(huán)繞蒙古包（圖7，8）。蒙古族文化中，包內(nèi)正對(duì)大門的方向最為尊貴，稱為上首，作為供奉和祭祀之用[5]。

2 炕系統(tǒng)組合模式演進(jìn)

傳統(tǒng)火炕雖具備防潮御寒的生態(tài)優(yōu)勢(shì)，但傳熱效率低，無法有效改善室內(nèi)整體熱環(huán)境，而且存在炕面溫度分布不均、污染重的缺點(diǎn)，通過不斷優(yōu)化火炕系統(tǒng)組合模式，可以滿足居民的現(xiàn)代生活需求。

2.1 火墻式火炕系統(tǒng)組合

火墻式火炕在炕體側(cè)墻內(nèi)置煙道和燃燒室，煙氣既能通過炕體向室內(nèi)傳遞熱量，又可直接加熱火墻向室內(nèi)輻射熱量（圖9，10）?；饓σ罁?jù)內(nèi)部構(gòu)造可分為橫洞火墻、吊洞火墻和花洞火墻，兩面散熱增加了散熱面積。值得注意的是，使用一段時(shí)間需掏出內(nèi)洞落灰，否則會(huì)降低傳熱效率，甚至引發(fā)爆炸。火墻可在灶臺(tái)間歇期獨(dú)立工作，有效提升室內(nèi)熱環(huán)境，但火墻式火炕雙煙道的工作方式，會(huì)導(dǎo)致其使用時(shí)溫度過高，煙氣熱量傳遞不充分，熱損失達(dá)26.3%[12]。

1 漢族一字炕布局

2 漢族一字炕煙道形式

3 朝鮮族滿鋪炕布局

2.2 高效預(yù)制吊炕和土暖氣熱水循環(huán)系統(tǒng)組合

為有效改善室內(nèi)熱環(huán)境，滿足人體的熱舒適需求，在采用預(yù)制組裝吊炕實(shí)現(xiàn)雙面散熱的基礎(chǔ)上，配合農(nóng)宅土暖氣熱水循環(huán)系統(tǒng)。在火爐爐膛處安裝鑄鐵拱形水套，內(nèi)接供回水管系統(tǒng)及室內(nèi)土暖氣，在爐膛內(nèi)增設(shè)爐箅子，將落地燃燒改為在爐箅子上燃燒，增大燃料與氧氣的接觸面積（圖11）。同時(shí)為應(yīng)對(duì)煙道流程短、散熱不充分的問題，將吊炕煙洞改為倒卷簾式，側(cè)壁紅磚替換成導(dǎo)熱系數(shù)大的散熱鋼板。

系統(tǒng)操作原理為：水箱向水管注水至漂浮閥自動(dòng)關(guān)閉，燃燒加熱拱形水套中的循環(huán)水，開啟水泵形成機(jī)械循環(huán)，使熱水通過水管進(jìn)入水暖氣，向室內(nèi)供暖（圖12）。爐膛上方的拱形水套能保護(hù)炕頭不被直接烘烤，改善了傳統(tǒng)火炕炕頭表面過熱問題。這種組合模式較傳統(tǒng)火炕能提高21.2%的供暖效率，室內(nèi)溫度提高5.7℃[13]，有效減少CO、SO2等有害氣體的排放。

2.3 太陽能吊炕和Trombe 墻系統(tǒng)組合

太陽能炕系統(tǒng)主要用于加熱炕體，保障炕面溫度在30.5～35.0℃范圍內(nèi)，滿足人體的熱舒適要求[14]，在炕底鋪設(shè)絕緣層和鋁箔反射層，使熱量向上輻射，以熱水為媒介，采暖加熱管采用回形鋪設(shè)，改善了傳統(tǒng)炕面溫度分布不均的問題。Trombe 墻用于加熱室內(nèi)空氣，兼具太陽能集熱器的功效，利用綠色能源調(diào)節(jié)房間的熱舒適性。墻體由玻璃層和蓄熱墻構(gòu)成，當(dāng)太陽光穿透玻璃，玻璃與蓄熱墻之間的空氣層被加熱產(chǎn)生對(duì)流，熱氣在夏季被釋放至室外，冬季則引入室內(nèi)（圖13）。由太陽能吊炕和Trombe 墻構(gòu)成的供暖系統(tǒng)可保證炕面溫度，室溫比單獨(dú)的太陽能炕提高4～5℃[10]。隨空氣集熱器的出現(xiàn)，集成平板集熱器和Trombe 墻的設(shè)計(jì)理念，提高了太陽能的利用率，更好地調(diào)節(jié)室內(nèi)熱環(huán)境（圖14）。

3 復(fù)合型太陽能吊炕系統(tǒng)設(shè)計(jì)

復(fù)合型太陽能吊炕是基于太陽能吊炕和Trombe墻系統(tǒng)的演進(jìn)，綜合現(xiàn)代農(nóng)宅布局、改良后炕體構(gòu)造和復(fù)合蓄能材料的優(yōu)勢(shì)，可以實(shí)現(xiàn)主被動(dòng)結(jié)合的采暖模式及炕系統(tǒng)與建筑的一體化設(shè)計(jì)。

信息技術(shù)教育教學(xué)應(yīng)用意識(shí)不夠強(qiáng) 很多青年教師沒有切實(shí)地把信息技術(shù)運(yùn)用到實(shí)際教學(xué)環(huán)境中，沒有引導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)利用信息技術(shù)工具進(jìn)行學(xué)習(xí)[2]，是因?yàn)樗麄儏⒓有畔⒓夹g(shù)教育應(yīng)用培訓(xùn)較少，對(duì)于信息技術(shù)認(rèn)識(shí)不足，從而導(dǎo)致教學(xué)應(yīng)用意識(shí)不強(qiáng)。

3.1 農(nóng)宅平面布局優(yōu)化

在農(nóng)村住宅中，炕灶的位置布局能滿足不同的使用需求。舊式住宅的灶臺(tái)位于正房堂屋里，烹飪過程在一定程度上影響了臥室和堂屋的空氣質(zhì)量，造成廚房與正房入口空間的功能嵌套。將吊炕設(shè)置在臥室北側(cè)（圖15），可使廚房獨(dú)立出來，既能有效避免廚房與堂屋的流線交叉，提供良好的室內(nèi)環(huán)境，又能充當(dāng)臥室保溫層抵御北風(fēng)[15]，達(dá)到被動(dòng)式采暖的效果。

3.2 主被動(dòng)供能模式結(jié)合

太陽能吊炕采暖系統(tǒng)由太陽能集熱器、空氣集熱器、水箱、水泵、炕體構(gòu)成，太陽能集熱器設(shè)置在屋頂，用于加熱水箱，間接加熱炕體；空氣集熱器安裝在農(nóng)宅南墻窗戶兩側(cè)，用于接收太陽輻射，加熱流道內(nèi)空氣，在熱虹吸作用下不斷置換室內(nèi)的冷空氣，達(dá)到室內(nèi)采暖的效果；同時(shí)在太陽能炕下設(shè)煙氣通道，綜合利用炊煙余熱。據(jù)測(cè)算，每套太陽能炕系統(tǒng)全年可節(jié)省標(biāo)準(zhǔn)煤近700kg，白天太陽能保證率高于65%，夜間高于90%，滿足采暖要求的時(shí)間占全部采暖期的95%以上[16]。

3.3 吊炕構(gòu)造和材料改良

4 朝鮮族滿鋪炕煙道形式

5 滿族萬字炕布局

6 萬字炕煙道形式

7 蒙古半圓炕8 蒙古半圓炕煙道

9 火墻式火炕平面圖

將煙氣進(jìn)氣口和流出口設(shè)置在同一側(cè)，并將兩口連通，部分高溫氣體直接流向出口，使煙囪出口端與外界空氣的壓差變大，形成被動(dòng)式抽煙效應(yīng)，有效防止傳統(tǒng)火炕煙氣倒流現(xiàn)象[17]。為避免煙道熱氣在灶爐?；鸷罂焖偕⑹?，需在排煙口和灶門處增設(shè)插板，在燃燒結(jié)束后，關(guān)上插板，使炕內(nèi)形成封閉系統(tǒng)，減緩熱量散失，同時(shí)在炕壁鋪設(shè)厚度為50mm的擠塑板保溫材料，提高炕體的綜合保溫性能。此外，減少炕洞的支撐立柱，充分釋放炕洞空間，在炕梢設(shè)置人字形緩流式分煙墻，既加快炕頭的排煙速度，又延長(zhǎng)煙氣在炕梢處的停留時(shí)間，改善炕頭炕梢溫差大的問題。

炕面和炕壁材料應(yīng)有效改善炕面溫度分布不均、升溫慢、降溫快等問題，具備蓄放熱性能高、儲(chǔ)熱密度大、化學(xué)穩(wěn)定性好、成本低等特性，可采用石蠟、混凝土組成的復(fù)合蓄熱材料作為填充層，內(nèi)置回型供暖水管[18]?？紤]到這兩種材料導(dǎo)熱系數(shù)小、熱阻大的缺陷，在上層鋪設(shè)高孔隙率的泡沫鋁和蜂窩鋁板作為導(dǎo)熱介質(zhì)，共同應(yīng)用到相變蓄能炕中（圖16）。該組合炕面平均溫度比純石蠟炕高3.27℃，升溫速率快16.5%[9]。

10 火墻式火炕剖面圖

4 結(jié)語

傳統(tǒng)火炕作為中國北方獨(dú)特的農(nóng)宅構(gòu)造，從唐代延續(xù)至今。中國農(nóng)業(yè)人口眾多，農(nóng)宅采暖耗能巨大，火炕有其存在的必要性，并具有節(jié)能潛力和歷史文化價(jià)值。本文通過梳理炕的相關(guān)文獻(xiàn)，從傳統(tǒng)類型、節(jié)能技術(shù)、布局形式和系統(tǒng)組合等方面進(jìn)行歸類整合，基于節(jié)能減排和布局優(yōu)化的原則，提出主被動(dòng)結(jié)合采暖的復(fù)合型太陽能吊炕系統(tǒng)設(shè)計(jì)，以期對(duì)未來炕系統(tǒng)的改進(jìn)提供一定的理論依據(jù)和設(shè)計(jì)借鑒。

11 高效預(yù)制吊炕平面圖

12 土暖氣工作原理圖

13 Trombe 墻冬季運(yùn)行工況

14 系統(tǒng)組合工作示意圖

15 優(yōu)化后農(nóng)宅平面圖

16 復(fù)合型吊炕結(jié)構(gòu)圖

圖片來源

2,4,6 根據(jù)文獻(xiàn)[11]改繪

7,8 根據(jù)文獻(xiàn)[5]改繪

9,10 根據(jù)文獻(xiàn)[3]改繪

11,12 根據(jù)文獻(xiàn)[13]改繪

13,14 根據(jù)文獻(xiàn)[10]、[16]改繪

15 根據(jù)文獻(xiàn)[15]改繪

16 根據(jù)文獻(xiàn)[9]、[18]改繪

1,3,5 作者自繪