內(nèi)置擋板的火墻式火炕的模擬研究

王琳++王程++赫娜

摘要：設(shè)計(jì)了一種新型內(nèi)置擋板的火墻式火炕，對(duì)比了是否在熱工性能方面有顯著作用。運(yùn)用CFD技術(shù)，采用ICEMCFD建立物理模型，應(yīng)用Fluent軟件對(duì)兩種工況進(jìn)行了數(shù)值模擬。結(jié)果表明： 炕面溫度上，單一的工況炕面溫度炕頭至炕尾呈遞減趨勢，新型的溫度梯度更均勻。炕腔內(nèi)部溫度新型與單一的在室內(nèi)溫度并無差別。在室內(nèi)溫度上，新型具有顯著優(yōu)勢。內(nèi)置擋板的火墻式火炕在熱工方面有顯著提高，且發(fā)現(xiàn)新型火炕在蓄熱能力方面占有顯著優(yōu)勢。

關(guān)鍵詞：火墻式火炕；內(nèi)置擋板；數(shù)值模擬

中圖分類號(hào)：TU833+.3

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：16749944（2017）12024303

1引言

隨著城市經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，人們更加關(guān)注城市住宅及公共建筑的節(jié)能環(huán)保問題，往往忽視了農(nóng)村住宅的功能性與舒適性。我國北方農(nóng)村地區(qū)通常以火炕作為主要采暖方式[1～4]，單一的火墻式火炕具有蓄熱能力差、炕表面溫度不均勻、室內(nèi)溫度較低、煙氣熱量利用率低等缺點(diǎn)。筆者設(shè)計(jì)了一種新型的火炕——內(nèi)置擋板的火墻式火炕，此種設(shè)計(jì)將火墻式火炕分為冬季、夏季兩種工況運(yùn)行，通過在不同季節(jié)切換擋板位置來控制煙氣的流動(dòng)方向，使夏季煙氣不經(jīng)過炕下，解決炕面溫度過高的問題，從而使人們的居住環(huán)境更為舒適。同時(shí)在夏季工況中增設(shè)煙氣對(duì)流管束，利用對(duì)流管束內(nèi)冷水吸收煙氣的熱量，將煙氣熱量進(jìn)行二次利用，對(duì)流管束內(nèi)被加熱水循環(huán)導(dǎo)出后，用于夏季室內(nèi)噴淋或者作為補(bǔ)償熱水使用。

2模型的建立

模擬房間長寬高尺寸為3000 mm×4150 mm×3000 mm，房屋坐北朝南，南外墻上窗的尺寸為2000 mm×1500 mm，窗戶為單層雙玻璃塑鋼窗，房間的維護(hù)結(jié)構(gòu)為37磚墻，總厚度為470 mm。火墻式火炕的物理模型見圖1。

內(nèi)置擋板工況的物理模型見圖2、圖3。初始條件見圖4。

3數(shù)值模擬結(jié)果

應(yīng)用Fluent進(jìn)行數(shù)值模擬時(shí)，將所研究體系分為三個(gè)工況，如表1，結(jié)果見圖5～圖13。

4數(shù)值模擬結(jié)果分析

炕面溫度上，對(duì)比圖6內(nèi)置擋板冬季工況與圖7內(nèi)置擋板夏季工況的數(shù)值模擬結(jié)果可知，冬季擋板封閉炕內(nèi)墻空腔，此時(shí)為單一的火墻式火炕工況，炕面溫度從炕頭至炕尾呈遞減趨勢，炕頭溫度40℃，炕尾溫度10℃，夏季工況中擋板封閉炕下炕腔，使煙氣直接由灶內(nèi)進(jìn)入炕內(nèi)墻，因此火炕與火墻側(cè)炕面溫度僅有10℃，即為夏季炕板的常溫，但此時(shí)炕內(nèi)墻入口溫度41℃，出口溫度30℃。夏季工況的炕面溫度較冬季工況降低了30℃，解決了由于火炕表面溫度過熱，造成居民夜晚無法正常作息的問題。

數(shù)值模擬內(nèi)置擋板的炕腔內(nèi)部溫度時(shí)，從圖9內(nèi)置擋板冬季工況中可以明顯看出冬季工況的炕腔內(nèi)部溫度與單一的火墻式火炕并無差別，火炕下煙氣入口溫度405℃，炕腔內(nèi)部溫度大致在85～105℃之間，火墻側(cè)煙氣入口溫度550℃，炕腔內(nèi)溫度在260～405℃之間，但冬季工況中煙氣不經(jīng)過炕內(nèi)墻，炕內(nèi)墻內(nèi)空氣的溫升是由于炕側(cè)的煙氣熱量經(jīng)過內(nèi)墻傳遞給炕內(nèi)墻側(cè)，因此炕內(nèi)墻內(nèi)溫度僅有20℃；而圖10內(nèi)置擋板夏季工況中可知，此時(shí)煙氣不經(jīng)過炕下而直接進(jìn)入炕內(nèi)墻內(nèi)，因而炕內(nèi)墻內(nèi)煙氣的溫度高達(dá)300℃，但對(duì)比炕腔內(nèi)部溫度可明顯看出炕腔內(nèi)溫度僅為25℃，該種設(shè)置在夏季可使炕面溫度有大幅度的降低，也可使室內(nèi)溫度舒適性更高。

對(duì)比內(nèi)置擋板的兩種工況可以發(fā)現(xiàn)，圖12內(nèi)置擋板冬季工況室內(nèi)溫度為18℃，炕上方及火墻前側(cè)溫度較高；圖13內(nèi)置擋板夏季工況室內(nèi)溫度為18℃。分析得出使室內(nèi)溫度升高的主要原因是炕面的散熱，夏季工況的炕面溫度整體呈綠色，說明夏季工況通過切換擋板位置控制煙氣流動(dòng)的方法，使得炕面溫度維持在18℃，該溫度即為炕板在夏季的正常溫度，同時(shí)通過圖像也可以看出此時(shí)炕板的溫度低于室內(nèi)溫度，由此更加提高了居民生活的熱舒適度。

5結(jié)語

通過數(shù)值模擬的方法，經(jīng)過迭代模擬得到各個(gè)工況的溫度分布圖。在求得的模擬結(jié)果中，根據(jù)實(shí)際情況任意給定工況的初始條件，此時(shí)都可以得到一個(gè)可靠的模擬結(jié)果，將省去人工分工況測量的繁瑣，具有一定的便捷性，也為后續(xù)的進(jìn)一步研究提供了研究思路與方法。

參考文獻(xiàn)：

[1]

尚明瑞.農(nóng)業(yè)與農(nóng)村經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展理論研究述評(píng)[J].社會(huì)科學(xué)線，2005（4）：267～273.

[2]袁鵬麗，王宗山，端木琳.火炕系統(tǒng)流動(dòng)傳熱模型綜述[J].建筑熱能通風(fēng)空調(diào)，2015（8）：31～36.

[3]方修睦，王芳，李桂文.火炕熱工性能評(píng)價(jià)指標(biāo)及檢測方法研究[J].建筑科學(xué)， 2014：118～123.

[4]張培紅，夏福龍，符靖宇.火炕采暖效果影響因素的數(shù)值模擬和分析[J].沈陽建筑大學(xué)學(xué)報(bào)，2009（6）：342～346.