中國傳統(tǒng)火炕非均質(zhì)設(shè)計與性能優(yōu)化

李洪強 ，畢名達 ，陽小華 ，劉麗芳 ，周彥 ，徐峰 ，張國強

［1.湖南大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 長沙 410082；2.建筑安全與節(jié)能教育部重點實驗室（湖南大學(xué)），湖南 長沙 410082；3.湖南大學(xué) 國家級建筑安全與環(huán)境國際聯(lián)合研究中心，湖南 長沙 410082；4.湖南大學(xué)設(shè)計研究院有限公司，湖南 長沙 410082；5.湖南科技大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 湘潭 411201；6.湖南大學(xué) 建筑與規(guī)劃學(xué)院，湖南 長沙 410082］

隨著人民生活水平的提高，人們對建筑室內(nèi)環(huán)境的要求越來越高，極大地增加了建筑能源消耗.其中，全國建筑業(yè)一次能源消耗占全國能源消耗的36%，而城市居民住房和農(nóng)村住房占到了總建筑的1/4［1］.根據(jù)中國居住建筑采暖規(guī)范相關(guān)說明，集中采暖主要在北方地區(qū)，截至2020 年城市集中供熱面積已達98.82 億m2［2］，集中供熱大幅度改善了城市居民的生活、工作環(huán)境，但并未完全覆蓋農(nóng)村地區(qū).

農(nóng)村居民分布具有人口密度低、居住分散等特點.南方部分地區(qū)冬季室內(nèi)溫度低，使用火桶等取暖設(shè)備［3-4］.北方農(nóng)村地區(qū)主要采用分散式的局部供暖形式——火炕、土暖氣等，此類供暖方式存在能效低、污染嚴(yán)重等諸多問題.如：土暖氣主要使用煤炭作為能源，而農(nóng)村居民所獲得的煤炭大多是劣質(zhì)散煤，使用低質(zhì)量的散煤被認(rèn)為是北方農(nóng)村大氣污染的主要原因之一［5-6］.

中國北方農(nóng)村供暖應(yīng)用范圍更廣的是傳統(tǒng)火炕，該種供暖方式具有較多優(yōu)勢：傳統(tǒng)火炕的制作簡單，可以就地取材，且主要由土質(zhì)構(gòu)成，熱惰性好，擁有一定的熱舒適性［7］；傳統(tǒng)火炕及其配套爐灶可以滿足烹飪、就寢、供暖的多重需求［8］.當(dāng)前，我國農(nóng)村建筑雖然有多種采暖方式，傳統(tǒng)火炕依然是中國北方鄉(xiāng)村重要的文化符號，發(fā)揮著不可替代的作用［9］.

相關(guān)學(xué)者對傳統(tǒng)火炕進行了大量研究工作.He等［10］優(yōu)化太陽能炕的性能，并基于預(yù)測平均投票對太陽能炕的睡眠熱舒適環(huán)境進行了評估.戴天釗［11］提出一種相變蓄熱式太陽能炕，并運用Fluent 對炕進行優(yōu)化，通過試驗得出合理的太陽能炕運行參數(shù).Gao 等［12］運用熱力學(xué)理論建立炕供暖房間的動態(tài)熱數(shù)學(xué)模型，并運用其預(yù)測房間溫度.Bian［13］基于Fluent 建模獲得不同外界條件下，炕供暖室內(nèi)的溫度場變化情況.

但目前傳統(tǒng)火炕應(yīng)用尚存一定問題［14］，如：熱效率低、環(huán)境污染大、炕面溫度分布不均［15］.其中，炕面溫度的均衡度是直接影響農(nóng)村居民生活的關(guān)鍵因素.由于傳統(tǒng)火炕結(jié)構(gòu)、煙氣溫度、制作材料等因素的限制，炕頭溫度可達60～70 ℃，炕尾溫度又過低，使人產(chǎn)生極大的不舒適感，農(nóng)村的圍護結(jié)構(gòu)保溫性能不佳，在這樣的情況下，傳統(tǒng)火炕的供暖效果進一步降低［8］.

針對火炕炕面溫度均衡性問題，王丹等［16］提出采用傾斜炕板來改善炕面溫度的不均勻性，并對不同傾斜度炕板的落地炕和吊炕進行數(shù)值模擬研究，結(jié)果表明：炕頭黏土厚度80 mm，炕梢黏土厚度20 mm 時具有相對最優(yōu)的換熱性能與采暖效果.蘆欣［17］通過試驗得出節(jié)能型吊炕的熱工性能，建立數(shù)值模型并對節(jié)能型吊炕的性能進行研究.結(jié)果表明，炕板傾斜放置、炕頭炕尾不同的蓄熱層厚度均可以降低炕面溫度的不均勻性.張茜［18］對東北傳統(tǒng)民居少數(shù)民族彎曲炕、滿屋炕建模并進行數(shù)值模擬，研究得到滿屋炕、彎曲炕的合理運行參數(shù).Yu等［9，19］對目前的炕的形式、煙道結(jié)構(gòu)、換熱性能進行總結(jié)分析，客觀評價近年來新提出的炕形式，并提出若干研究點.盡管很多學(xué)者對傳統(tǒng)火炕的傳熱過程［20-22］分析建模，但并未定量地對傳統(tǒng)火炕的內(nèi)部結(jié)構(gòu)與上散熱面進行研究，傳統(tǒng)火炕還存在炕面溫度不均、熱舒適性差等問題［23］.

為此，本文提出中國傳統(tǒng)火炕非均質(zhì)設(shè)計方法，通過傳統(tǒng)火炕內(nèi)部結(jié)構(gòu)與炕板蓄熱層的非均質(zhì)設(shè)計與煙氣流場的優(yōu)化，使傳統(tǒng)火炕的炕面溫度更加均勻，以提高傳統(tǒng)火炕供暖的舒適性.借助計算流體力學(xué)（Computational Fluid Dynamics，CFD）分析平臺，對非均質(zhì)設(shè)計中國傳統(tǒng)火炕進行建模，分析關(guān)鍵設(shè)計參數(shù)——豎洞率、炕板蓄熱層厚度、入口煙氣溫度、煙氣出入口位置對煙氣流動和傳統(tǒng)火炕熱性能的影響規(guī)律.本文對傳統(tǒng)火炕的改進提出了定量分析方法，為中國傳統(tǒng)火炕供暖改進提供了新思路.

1 中國傳統(tǒng)火炕非均質(zhì)設(shè)計方法

1.1 傳統(tǒng)火炕溫度場失衡影響因素

傳統(tǒng)火炕內(nèi)部煙氣流動的同時向炕體傳熱，使火炕溫度升高，煙氣溫度降低.由基本傳熱規(guī)律可知，炕板表面溫度場必然出現(xiàn)炕頭溫度高、炕尾溫度低的情況.由此可以分析，傳統(tǒng)火炕的失衡因素有以下幾點：

1）火炕內(nèi)部結(jié)構(gòu)不合理，導(dǎo)致煙氣局部滯留，炕面產(chǎn)生局部的高溫區(qū).

2）火炕上散熱面厚度不合理，合適厚度的散熱面有助于降低炕頭的高溫，提高炕尾的溫度，提高炕面溫度均衡性.

3）火炕蓄熱能力不強，加熱后很快冷卻，無法長時間供熱.

本文針對上述問題提出兩種優(yōu)化方法：傳統(tǒng)火炕內(nèi)部結(jié)構(gòu)非均質(zhì)設(shè)計和傳統(tǒng)火炕上散熱面非均質(zhì)設(shè)計.并運用統(tǒng)計學(xué)原理，使用炕面溫度標(biāo)準(zhǔn)差來評價炕面溫度的均勻程度［15］：

式中：D為炕面溫度標(biāo)準(zhǔn)差，℃；xi為炕面測點溫度，℃為炕面溫度平均值，℃；n為炕面測點個數(shù).

1.2 傳統(tǒng)火炕溫度場優(yōu)化——非均質(zhì)設(shè)計方法

1.2.1 傳統(tǒng)火炕非均質(zhì)設(shè)計——內(nèi)部結(jié)構(gòu)非均質(zhì)設(shè)計

傳統(tǒng)火炕具有豎洞、橫洞、花洞等內(nèi)部結(jié)構(gòu)形式，如圖1 所示.傳統(tǒng)火炕的內(nèi)部支柱具有支撐炕板、蓄熱、改變煙氣流場的作用.其中，改變煙氣流場可以進一步影響火炕的熱過程，因此合理安排支柱的擺放位置，可以改善火炕的溫度場.

圖1 傳統(tǒng)火炕內(nèi)部結(jié)構(gòu)［18］Fig.1 Internal structure models of traditional heated Kang

本文提出內(nèi)部結(jié)構(gòu)非均質(zhì)設(shè)計方法：在煙氣入口附近（炕體前端）降低煙氣流動阻力，煙氣快速地通過該區(qū)域，減少傳熱時間，可以降低炕頭溫度；在煙氣出口附近（炕體后端）適當(dāng)?shù)卦黾恿鲃幼枇?，增強傳熱，利用炕支柱的蓄熱特性，可以提高炕尾的溫?豎洞區(qū)域的支柱擺放方向與煙氣流動方向相同，阻力較小，橫洞區(qū)域的支柱擺放方向與煙氣流動方向垂直，阻力較大，所以將豎洞區(qū)域集中在煙氣入口，橫洞區(qū)域集中在煙氣出口，有效地控制煙氣在傳統(tǒng)火炕中的流動過程，改善火炕表面的溫度均衡性.

由圖1 可知，花洞形式為橫洞與豎洞以一定的比例組合而成，本研究將豎洞區(qū)域占火炕整體區(qū)域的比例稱為豎洞率，如圖2所示，計算公式見式（2）.

圖2 傳統(tǒng)火炕內(nèi)部結(jié)構(gòu)非均質(zhì)設(shè)計方法Fig.2 Heterogeneous design method for the internal structure of the traditional Kang

式中：S為火炕中豎洞區(qū)域的長度，m；L為火炕的總長度，m.

根據(jù)上散熱面分區(qū)和內(nèi)部結(jié)構(gòu)非均質(zhì)設(shè)計方法綜合考慮，本文對上述花洞火炕模型進行適當(dāng)?shù)暮喕?，圖3 為簡化后的新型多區(qū)花洞火炕模型，并且用作后續(xù)研究.

圖3 新型多區(qū)花洞火炕模型Fig.3 Models of the new mixed-mode flue Kang

1.2.2 傳統(tǒng)火炕非均質(zhì)設(shè)計——上散熱面非均質(zhì)設(shè)計

傳統(tǒng)火炕最大的散熱面是上散熱面，上散熱面也是直接與人體接觸、對人體影響最大的散熱面，因此本文優(yōu)先研究上散熱面的非均質(zhì)設(shè)計，權(quán)衡考慮火炕的經(jīng)濟性與施工的容易度，本文提出了將上散熱面分成三個區(qū)域進行非均質(zhì)設(shè)計.

圖4 為本文所提出的新型火炕上散熱面非均質(zhì)設(shè)計結(jié)構(gòu)示意圖.本文提出上散熱面非均質(zhì)設(shè)計方法：將火炕炕面分為三個區(qū)域，分別是距離煙氣入口較近的Ⅰ區(qū)、中間區(qū)域Ⅱ區(qū)和距離煙氣出口較近的Ⅲ區(qū).增加Ⅰ區(qū)的炕板蓄熱層厚度，減?、髤^(qū)的炕板蓄熱層厚度，使得Ⅰ區(qū)炕板具有更大的傳熱熱阻，降低Ⅰ區(qū)炕面溫度，Ⅲ區(qū)炕板具有更小的傳熱熱阻，提高Ⅲ區(qū)炕面溫度，最終達到控制炕面溫度均衡性的目的.

2 非均質(zhì)設(shè)計中國火炕模型建立及求解方法

2.1 物理模型

本文以中國典型火炕的尺寸為案例進行建模，非均質(zhì)設(shè)計中國火炕內(nèi)壁尺寸為長（L）×寬（W）×高（H）=5 m×2.1 m×0.5 m.

根據(jù)中國傳統(tǒng)火炕的使用情況，它與周圍環(huán)境的熱量交換主要是通過火炕與室內(nèi)空氣的自然對流、炕與炕內(nèi)煙氣的對流、炕與室內(nèi)外物體的熱輻射、炕與地面的導(dǎo)熱，因為中國火炕內(nèi)部的傳熱條件比較復(fù)雜，本文對火炕的熱過程進行如下假定：

1）忽略煙氣夾帶的雜質(zhì)固體顆粒；

2）煙氣入口流量相對固定；

3）忽略火炕的爐灶和煙囪部分；

4）火炕的傳熱過程為穩(wěn)態(tài)過程；

5）火炕下墊面為絕熱；

6）火炕圍護結(jié)構(gòu)的傳熱系數(shù)恒定；

7）忽略煙氣的輻射作用.

2.2 數(shù)學(xué)模型及求解

2.2.1 控制方程

火炕煙氣的流動遵循著質(zhì)量、動量和能量守恒定律.

1）質(zhì)量守恒方程可以寫成如下形式：

式中：ρ為密度，kg/m3；v為速度向量，m/s；Sm為廣義源項，W/m3.

2）慣性參考系中的動量守恒方程可以寫成如下形式：

式中：p為靜壓力，Pa；τ為應(yīng)力張量，Pa；ρg與F分別為重力與外力，N.

式（4）中應(yīng)力張量τ為：

式中：μ為動力黏度，Pa?s；I是單位張量，Pa.

3）Fluent求解的能量方程為以下形式：

式中：T為溫度，K；λ為導(dǎo)熱系數(shù)，W/（m?K）；Sm為廣義源項，W/m3；u、v、w分別為煙氣在x、y、z方向上的速度，m/s；cp為定壓比熱，J/（kg?K）.

2.2.2 求解方法

采用限制較小的DO 輻射模型，采用Realizablek-ε湍流模型，選擇標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù).離散化方法為二階迎風(fēng)格式，壓力速度耦合算法為SIMPLE算法.

2.3 邊界條件及熱物性參數(shù)設(shè)置

2.3.1 邊界條件設(shè)置

火炕與外界環(huán)境的換熱主要由與圍護結(jié)構(gòu)的輻射和與空氣的對流傳熱兩部分組成.

火炕的對流換熱系數(shù)可以用公式（7）計算.

式中：Nu為火炕自然對流換熱的努謝爾特數(shù)；l為特征長度，m；λ為定性溫度下的空氣導(dǎo)熱系數(shù)，W/（m?K）.

式中：C和n為由實驗確定的常數(shù)；Gr為定性溫度下的格拉曉夫準(zhǔn)則數(shù)；Pr為定性溫度下空氣的普朗特準(zhǔn)則數(shù).

式中：g為重力加速度，m/s2；α為流體容積膨脹系數(shù)，1/K；Δt為流體與壁面溫度差，K；ν為定性溫度下空氣運動黏度，m2/s.

由牛頓冷卻公式可以得到火炕輻射換熱系數(shù)的計算公式：

式中：hr為輻射換熱系數(shù)，W/（m2·K）；Cb是黑體輻射系數(shù)，取5.67 W/（m2·K4）；ε為火炕體表面發(fā)射率；Tm為散熱面外表面溫度，K；Tam為環(huán)境中圍護結(jié)構(gòu)溫度，K；tm為散熱面外表面溫度，K；tf為室內(nèi)空氣溫度，K.

對流換熱系數(shù)與輻射換熱系數(shù)可以綜合為復(fù)合換熱系數(shù)：

經(jīng)上述過程計算，中國火炕的室內(nèi)側(cè)面復(fù)合換熱系數(shù)為9.18 W/（m2·K），室外側(cè)面復(fù)合換熱系數(shù)為8.26 W/（m2·K），炕面復(fù)合換熱系數(shù)為10.81 W/（m2·K）.入口邊界為速度入口，出口采用自由出流邊界，下墊面為絕熱表面.

2.3.2 材料物性參數(shù)設(shè)置

材料熱物性參數(shù)如表1所示.

2.3.3 網(wǎng)格劃分及無關(guān)性驗證

表2 為不同網(wǎng)格數(shù)下的炕面溫度情況.本研究劃分了網(wǎng)格數(shù)為136 896、286 740、903 900（網(wǎng)格尺寸分別為0.04 m、0.03 m、0.02 m）三套結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，相對誤差小于2%.經(jīng)計算，本文認(rèn)為模擬結(jié)果與網(wǎng)格尺寸無關(guān).

表2 網(wǎng)格無關(guān)性驗證Tab.2 Grid independence verification

3 計算結(jié)果與討論

3.1 煙道豎洞率與炕內(nèi)煙氣流動和炕面溫度關(guān)聯(lián)特性

圖5 為不同豎洞率下的炕面溫度云圖及高度為0.32 m 的平面上的煙氣流線圖.炕面高溫區(qū)主要集中在豎洞剛剛轉(zhuǎn)變?yōu)闄M洞的區(qū)域（以下稱為轉(zhuǎn)變區(qū)）以及炕頭煙氣入口附近的區(qū)域.轉(zhuǎn)變區(qū)炕面溫度較高是因為炕支柱的蓄熱特性，以及煙氣被橫洞區(qū)域的支柱阻擋、擾動，煙氣在轉(zhuǎn)變區(qū)堆積加強傳熱，最終導(dǎo)致轉(zhuǎn)變區(qū)炕面溫度升高.炕頭煙氣入口附近炕面溫度較高的原因是煙氣入口處煙氣溫度最高，換熱溫差最大.

在豎洞率為0～50 %時，炕面的低溫區(qū)域集中在炕尾部分；而豎洞率為50%～100%時，炕面的低溫區(qū)域集中在炕頭部分，低溫區(qū)域在火炕長度方向上的分布剛好與轉(zhuǎn)變區(qū)的分布相反.

在煙氣入口、出口處具有較大流速，其余部分煙氣流速較小.在各個模型中的橫洞區(qū)域均具有旋渦，豎洞區(qū)域存在回流.結(jié)合溫度云圖與煙氣流線圖，可得Ⅱ區(qū)中間位置的炕支柱發(fā)揮較強的蓄熱作用，提高了Ⅱ區(qū)的炕面溫度.

圖6 為不同豎洞率情況下的炕面最低溫度與平均溫度情況.豎洞率從0～100%，炕面平均溫度從42.2 ℃降低到34.2 ℃，降幅為19%.炕面最低溫度先升后降，在豎洞率為33%時達到最大值24.1 ℃.豎洞率從0 增至33%，炕面最低溫度從21.5 ℃升高到24.1 ℃，增幅為12.1%；豎洞率從33%增至100%，炕面最低溫度從24.1 ℃降低到19 ℃，降幅為21.2%.

圖6 豎洞率與炕面平均溫度和炕面最低溫度的關(guān)聯(lián)特性Fig.6 Influence of VHR on average temperature and minimum temperature of Kang surface

結(jié)合圖5 和圖6，可得豎洞率較低時，炕面最低溫度出現(xiàn)在炕尾，豎洞率越低，炕面最低溫度越低.相反，豎洞率較高時，炕面最低溫度出現(xiàn)在炕頭，豎洞率越高，炕面最低溫度越低.

圖7 為不同豎洞率情況下，炕面溫度標(biāo)準(zhǔn)差和炕面最高溫度的變化圖.隨著豎洞率的增大，炕面最高溫度從74.9 ℃降低到52.9 ℃，降幅為29.4%；炕面溫度標(biāo)準(zhǔn)差從12.2 ℃先降低到最小的6 ℃，隨后升高到6.5 ℃，在豎洞率為83 %時達到最小值.

圖7 豎洞率與炕面溫度標(biāo)準(zhǔn)差和炕面最高溫度的關(guān)聯(lián)特性Fig.7 Effect of VHR on the standard deviation of Kang surface temperature and the maximum temperature of Kang surface

豎洞率為0～50%的情況下，炕內(nèi)的橫洞支柱會使煙氣在炕頭區(qū)域長時間停留，導(dǎo)致炕頭區(qū)域溫度過高，且炕面溫度標(biāo)準(zhǔn)差也會很高.而豎洞率為1 時，煙氣在煙道內(nèi)的滯留時間過短，導(dǎo)致炕尾溫度較低，炕面溫度不如83%豎洞率的情況均勻.83%豎洞率的情況炕面溫度均勻性最優(yōu)，本文采用83%豎洞率進行后續(xù)的研究.

3.2 入口煙氣溫度與炕面溫度關(guān)聯(lián)特性

圖8 為入口不同煙氣溫度下，炕面溫度標(biāo)準(zhǔn)差、炕面最高溫度和炕面最低溫度情況.隨著煙氣溫度升高，炕面溫度標(biāo)準(zhǔn)差、炕面最高溫度和炕面最低溫度均增加.煙氣溫度從200 ℃增加到350 ℃過程中，炕面溫度標(biāo)準(zhǔn)差從4.2 ℃增加到7.9℃，增幅為88.1%；炕面最高溫度從38.6 ℃增加到74 ℃，增幅為91.7%；炕面最低溫度從17.9 ℃增加到23.3 ℃，增幅為30.2%.綜合考慮炕面最高溫度與最低溫度，本文采用275 ℃的煙氣溫度，此時炕面最高溫度為54.1 ℃，最低溫度為20.7 ℃.

圖8 入口煙氣溫度與炕面溫度標(biāo)準(zhǔn)差、炕面最高溫度、炕面最低溫度的關(guān)聯(lián)特性Fig.8 Influence of inlet flue gas temperature on the standard deviation，maximum temperature and minimum temperature of Kang surface

3.3 炕板蓄熱層厚度與炕面溫度關(guān)聯(lián)特性

本文將炕頭Ⅰ區(qū)的炕板蓄熱層厚度增加，炕尾Ⅲ區(qū)的炕板蓄熱層厚度減小.本文進行多組研究，在其中選擇最具有代表性的三組數(shù)據(jù)進行說明，為60-50-40 mm（Ⅰ區(qū)炕板蓄熱層厚度為60 mm，Ⅱ區(qū)炕板蓄熱層厚度50 mm，Ⅲ區(qū)炕板蓄熱層厚度為40 mm，簡稱60-50-40 mm）、70-50-30 mm（Ⅰ區(qū)炕板蓄熱層厚度為70 mm，Ⅱ區(qū)炕板蓄熱層厚度50 mm，Ⅲ區(qū)炕板蓄熱層厚度為30 mm，簡稱70-50-30 mm）、80-50-20 mm（Ⅰ區(qū)炕板蓄熱層厚度為80 mm，Ⅱ區(qū)炕板蓄熱層厚度50 mm，Ⅲ區(qū)炕板蓄熱層厚度為20 mm，簡稱80-50-20 mm）.

圖9 為不同炕板蓄熱層厚度情況下，炕面溫度標(biāo)準(zhǔn)差、炕面最高溫度和炕面最低溫度情況.隨著炕板蓄熱層厚度從50-50-50 mm變化到80-50-20 mm，炕面最高溫度從54.1 ℃降低到45.7 ℃，降幅為15.5%；炕面最低溫度從20.7 ℃降低到17.5 ℃，降幅為15.5%；炕面溫度標(biāo)準(zhǔn)差從6 ℃降低到5.8 ℃.隨著炕板蓄熱層厚度每次變化，炕面最高溫度的變化值為1.7～4.7 ℃，炕面最低溫度的變化值為0.1～2.8℃.

圖9 炕板蓄熱層厚度與炕面溫度標(biāo)準(zhǔn)差、炕面最高溫度、炕面最低溫度的關(guān)聯(lián)特性Fig.9 Influence of the thickness of the thermal storage layer on the standard deviation of Kang surface temperature，the maximum temperature of Kang surface and the minimum temperature of Kang surface

結(jié)果表明，炕板蓄熱層厚度對于炕面溫度標(biāo)準(zhǔn)差的影響較小，對炕面最高溫度與最低溫度的影響較大，本研究選擇80-50-20 mm 的炕板蓄熱層厚度進行后續(xù)研究.

圖10 為不同炕板蓄熱層厚度下的溫度云圖.圖中表明，不同的炕板蓄熱層厚度情況下，炕頭溫度最高.隨著Ⅰ區(qū)炕板蓄熱層厚度的增加與Ⅲ區(qū)炕板蓄熱層厚度的減小，炕頭溫度明顯降低，炕尾溫度明顯升高，炕尾高溫區(qū)增大.但炕面最低溫度出現(xiàn)于炕頭，因此炕面最低溫度也有所降低.

圖10 不同炕板蓄熱層厚度炕面溫度云圖Fig.10 Temperature cloud diagram of Kang surface with different thickness of thermal storage layer

3.4 煙氣出入口位置與炕內(nèi)煙氣流動和炕面溫度關(guān)聯(lián)特性

根據(jù)農(nóng)村居民火炕使用習(xí)慣，火炕出入口位置大致具有圖11所示的4種形式，本文計算中進中出、中進側(cè)出、側(cè)進側(cè)出、倒卷簾［18］四種形式并對炕面溫度進行分析.

圖11 煙氣出入口相對位置［18］Fig.11 Relative position of inlet and outlet

圖12 是四種出入口位置的炕面溫度分布云圖.側(cè)進側(cè)出形式的高溫區(qū)分布在炕的一側(cè)，而炕頭位置有很大的煙氣流通死角，導(dǎo)致炕頭低溫區(qū)域過大，最低溫度達15.3 ℃.中進側(cè)出形式的溫度分布與中進中出形式的相差不大，炕尾的高溫區(qū)偏向煙氣出口一側(cè).倒卷簾形式的炕面溫度整體更高，煙氣流通死角較少，高溫區(qū)集中在煙氣入口的一側(cè)，最高溫度為49.8 ℃，炕頭的低溫區(qū)也有24.4 ℃.

圖12 不同出入口位置的炕面溫度云圖Fig.12 Temperature cloud diagram of Kang surface at different inlet and outlet positions

圖13 為不同煙氣出入口位置炕面溫度標(biāo)準(zhǔn)差和炕面平均溫度的對比情況.倒卷簾形式的炕面溫度標(biāo)準(zhǔn)差為4 種方式中最低的5.6 ℃，側(cè)進側(cè)出形式的炕面溫度標(biāo)準(zhǔn)差是最高的7.7 ℃，兩種形式炕面溫度標(biāo)準(zhǔn)差相差2.1 ℃，倒卷簾形式炕面溫度分布最均勻.倒卷簾形式的炕面平均溫度是四種情況中最高的36.4 ℃，中進中出形式為最低的32.6 ℃，兩種情況相差3.8 ℃，倒卷簾形式炕面平均溫度最高.

圖13 煙氣出入口位置與炕面溫度標(biāo)準(zhǔn)差和炕面平均溫度的關(guān)聯(lián)特性Fig.13 Influence of flue gas inlet and outlet positions on standard deviation and average temperature of Kang surface

圖14 是四種入口位置形式的炕面最高溫度與炕面最低溫度情況.四種形式中，倒卷簾形式炕面最高溫度最高，為49.8 ℃；中進中出形式炕面最高溫度最低，為45.7 ℃.倒卷簾形式炕面最低溫度最高，為24.4 ℃，側(cè)進側(cè)出形式炕面最低溫度最低，為15.3 ℃.

圖14 不同煙氣出入口位置的炕面最高溫度和炕面最低溫度情況Fig.14 Maximum temperature and minimum temperature of Kang surface at different inlet and outlet positions

綜合上述4 種形式，倒卷簾形式具有更高的炕面最高溫度、炕面最低溫度和炕面平均溫度，炕面溫度分布也更加均勻.

4 結(jié)論

本文提出了傳統(tǒng)火炕非均質(zhì)設(shè)計方法，采用CFD 軟件對中國傳統(tǒng)火炕建立了數(shù)值模型，分析不同的關(guān)鍵設(shè)計參數(shù)——豎洞率、炕板蓄熱層厚度、煙氣溫度、出入口相對位置對傳統(tǒng)火炕上散熱面溫度的影響特性，得出如下結(jié)論：

1）豎洞率從0 增至33%，炕面最低溫度增幅為12.1%；豎洞率從33%增至1，炕面最低溫度降幅為21.2%.隨著豎洞率的增大，炕面平均溫度、炕面最高溫度均降低，炕面平均溫度降幅為19%，炕面最高溫度降幅為29.4%；炕面溫度標(biāo)準(zhǔn)差先減小后小幅度增加，在豎洞率為83%時達到最小值6 ℃.綜合考慮選擇豎洞率取83%為最佳.

2）入口煙氣溫度從200 ℃增加到350 ℃，炕面溫度標(biāo)準(zhǔn)差、炕面最高溫度和炕面最低溫度均升高，炕面溫度標(biāo)準(zhǔn)差介于4.2～7.9 ℃，炕面最高溫度介于38.6～74 ℃，炕面最低溫度介于17.9～23.3 ℃.綜合考慮炕面最高溫度與最低溫度，本文采用275 ℃的煙氣溫度.

3）炕板蓄熱層厚度從50-50-50 mm 變化到80-50-20 mm，炕面最高溫度、炕面最低溫度、炕面溫度標(biāo)準(zhǔn)差均降低，炕面最高溫度介于54.1～45.7 ℃，炕面最低溫度介于20.7～17.5 ℃，炕面溫度標(biāo)準(zhǔn)差介于6～5.8 ℃.綜合考慮施工難度與炕面溫度標(biāo)準(zhǔn)差，炕板厚度取80-50-20 mm為最佳.

4）火炕出入口相對位置形式采用倒卷簾時，具有最合理的炕頭溫度與最高的炕尾溫度，炕面溫度最為均勻，炕面溫度標(biāo)準(zhǔn)差為最低的5.6 ℃，炕面平均溫度是四種形式中最高的36.4 ℃.倒卷簾為最佳形式.

本文為傳統(tǒng)火炕設(shè)計參數(shù)優(yōu)化、節(jié)能改造提供了新思路，對傳統(tǒng)火炕熱效率提高具有參考作用.