基于太陽能沼氣池的陜北窯洞供暖系統(tǒng)研究

史俊杰，李林翰，葉思琪

（蘭州石化職業(yè)技術(shù)學(xué)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(tǒng)窯洞由于冬季供暖存在很多問題，已無法滿足人們對物質(zhì)文化生活的追求。本文從節(jié)省能源消耗、減輕農(nóng)民經(jīng)濟負擔(dān)的角度出 發(fā)，研究出更能受農(nóng)民歡迎的綠色宜居型窯洞，改善陜北地區(qū)窯洞的觀賞性和適宜居住性。

1 傳統(tǒng)窯洞供暖效果測試

本文中以陜西省榆林市地區(qū)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(jié)構(gòu)的模型的建立。

建?；A(chǔ)數(shù)據(jù)：寬度設(shè)為3 100mm，長度設(shè)為8 000mm，窯洞地面與窯洞拱形頂層交接高度設(shè)為2 350mm，該位置與窯頂最高處距離為800mm。

網(wǎng)格劃分：為了便于計算，在劃分網(wǎng)格式使用的是結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，網(wǎng)格尺寸劃分為0.5mm。

邊界條件：傳統(tǒng)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(jīng)查閱顯示榆林市橫山縣地區(qū)冬季平均溫度在-7℃，在進行邊界條件的設(shè)定時，作為熱源的兩個炕面設(shè)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(jié)構(gòu)設(shè)定為第一類邊界條件，初始溫度設(shè)置為8℃，墻壁的傳熱系數(shù)為1.21W/（m2·K），木門的對流換熱系數(shù)為2.8W/（m2·K），窗戶的對流換熱系數(shù)為4W/（m2·K），墻體厚度設(shè)定為440mm，傳統(tǒng)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(tǒng)窯洞溫度場的模擬主要是為得到以傳統(tǒng)火炕作為供暖條件時窯洞室內(nèi)溫度分布情況，故為了能夠獲得更明顯的模擬結(jié)果，將窯壁材料分布理想化設(shè)置，按照其分布情況均勻、厚度規(guī)則考慮。

本文主要目的是對于傳統(tǒng)陜北窯洞的供暖方式進行基于可再生能源為基礎(chǔ)的優(yōu)化，故需要進行兩次模擬，分別是對在窯洞中使用傳統(tǒng)火炕以及改用沼氣池作為能量來源的地暖及水暖炕結(jié)合的方式的溫度場模擬?；鹂晃幕莻鹘y(tǒng)農(nóng)村文化的一個載體，因此在設(shè)計新型供暖方式時將傳統(tǒng)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(huán)境污染性，所以在結(jié)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(shè)置有所區(qū)別，在此就只體現(xiàn)出一組建模的基本構(gòu)造。

2 新型供暖系統(tǒng)的設(shè)計及模擬

經(jīng)文獻查閱得到寒冷地區(qū)的建筑節(jié)能設(shè)計標(biāo)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(jié)構(gòu)傳熱耗熱量，W；Q2為窯居內(nèi)部所得熱量，W。

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

其中，通過窯洞圍護結(jié)構(gòu)和地面?zhèn)鳠嵩斐傻暮臒崃縌1如式（2）所示。

式中：Q1為窯洞圍護結(jié)構(gòu)傳熱耗熱量，W；t1為采暖時室內(nèi)空氣溫度，20 ℃；t0為采暖時窯洞壁外溫度，-7 ℃；εi為窯洞各壁面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的修正系數(shù)；

Ki為窯洞各壁面及門窗的傳熱系數(shù)，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(dǎo)傳熱系數(shù)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(shù)，W/（m2·℃）；σi為窯壁厚度，m；γi為窯洞圍護結(jié)構(gòu)導(dǎo)熱系數(shù)，W/（m·K）；h2為室內(nèi)溫度與窯壁對流換熱系數(shù)，W/（m2·℃）。

窯洞圍護結(jié)構(gòu)耗熱情況如表1所示。

表1 圍護結(jié)構(gòu)明細

建筑圍護各結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)耗熱量

根據(jù)上表可知建筑圍護結(jié)構(gòu)的傳熱總熱耗量Q1為3 208.89W。

居民在窯洞內(nèi)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(nèi)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(nèi)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(shù)，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(shè)定熱水溫度，60 ℃；t4為設(shè)定冷水溫度，年平均10 ℃。

經(jīng)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(tǒng)日均能量輸出Q總為3 374.32W。

3 供暖系統(tǒng)建立

計算得到供暖系統(tǒng)平均日產(chǎn)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(tǒng)火炕供暖形式達不到標(biāo)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(tǒng)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?cè)莘e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(wǎng)，墻體由內(nèi)到外依次為水泥漿、磚、聚苯板保溫材料、抗壓網(wǎng)。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(fā)酵溫度穩(wěn)定。沼氣池選擇中溫發(fā)酵，溫度為30 ℃（中溫發(fā)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(fā)生熱量損失，維持池中穩(wěn)定發(fā)酵溫度的工作由太陽能承擔(dān)，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(zhì)發(fā)酵時的發(fā)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(yōu)質(zhì)集熱效果的全玻璃真空集熱器。橫山地區(qū)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(shù)2 623h，日照率約55%。

經(jīng)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(jīng)上文中的計算可知，其需供應(yīng)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(tǒng)中太陽能集熱器需要45根集熱管。

4 新型供暖系統(tǒng)的模擬

本次模擬在建模與網(wǎng)格劃分上與傳統(tǒng)火炕供暖溫度場模擬時設(shè)定一致，在此處不再重復(fù)體現(xiàn)，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(shè)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(jié)構(gòu)設(shè)定為第一類邊界條件，初始溫度設(shè)置為8℃，墻壁的傳熱系數(shù)為1.21W/（m2·K），木門的對流換熱系數(shù)為2.8W/（m2·K），窗戶的對流換熱系數(shù)為4W/（m2·K），墻體厚度設(shè)定為440mm，本次模擬中地暖溫度及炕面溫度設(shè)定為26℃。

室內(nèi)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(qū)域溫度較低，但其室內(nèi)溫度大體也在19℃，窯洞內(nèi)部休息區(qū)域溫度則維持在20～21℃，滿足室內(nèi)人體舒適溫度變化幅度在3℃之內(nèi)的要求。

5 結(jié)束語

陜北窯洞是我國一種獨特的鄉(xiāng)村文化的載體，對傳統(tǒng)窯洞以火炕作為供暖系統(tǒng)進行了冬季供暖模擬分析與改進。國家發(fā)展進入新時期，國家也推出低能耗政策，基于此，設(shè)計了一種新型的基于可再生能源的窯洞供暖系統(tǒng)，以沼氣池作為供能系統(tǒng)，保留炕文化的建筑形式，以水暖炕與地暖相結(jié)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(tǒng)運行時的室內(nèi)溫度分布進行了模擬，可以看到本文設(shè)計的新型供暖系統(tǒng)運行時室內(nèi)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(huán)境熱舒適度。