基于熱效率的直洞式火炕煙道構造形式優(yōu)化設計

張 杰， 師國艷

(內蒙古科技大學建筑學院，包頭 014010)

隨著中國經濟的發(fā)展，農牧民的生活日益富裕，在居住環(huán)境方面，特別是對冬季室內熱舒適度方面也有了更高的要求。在內蒙古自治區(qū)中西部農村牧區(qū)，居住建筑的主要能耗來自冬季供暖能耗，火炕是農牧民普遍使用的供暖設施之一。目前火炕的搭建仍然以民間經驗為主，普遍存在室內溫度低、供暖能耗大、炕面溫度極不均勻、熱效率低等問題。中國學者針對火炕的熱效率和熱工性能進行了多方面實驗和研究。王丹等[1]通過數值模擬方法，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布置，在炕梢和火墻出口加設后擋煙板，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，有效延長了供暖時間并提高了室內溫度；張培紅等[5]利用數值模擬方法，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，提出東北嚴寒地區(qū)村鎮(zhèn)住宅火炕低能耗設計原則和設計方法，從而提高火炕的能源利用率；端木琳等[7]和郝亞芬等[8]以流體力學和傳熱學理論為基礎，提出了評價火炕熱工性能的5個指標；馮國會等[9]和李剛等[10]提出利用太陽能熱水系統加熱炕面板，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、在出煙口加設擋煙板、在炕面加入相變材料等技術方法改善炕面溫度的均勻性；有的是利用太陽能熱水系統為火炕供熱，提升火炕熱工性能。

現利用ANSYS模擬技術(一種高性能流體動力學數值模擬軟件)研究炕洞內煙道形式變化對煙氣流場分布以及溫度分布的影響，進而對直洞式火炕煙道形式進行優(yōu)化設計，以提升其熱效率和熱舒適度。

1 現狀火炕

通過對內蒙古自治區(qū)中西部部分農村牧區(qū)居住建筑現狀進行調研，調研結果(圖1、表1)表明，在內蒙古中西部地區(qū)，農牧民使用直洞式火炕較為普遍。根據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，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。兩種類型火炕其內部構造完全相同，都屬直洞式火炕，如圖3、圖4所示。

2 現狀火炕模擬分析

2.1 關于ANSYS軟件

ANSYS是一款多用途有限元法計算機設計分析軟件，主要包括三部分：①前處理模塊，提供了一個強大的實體建模及網格劃分工具；②分析計算模塊，可模擬多種物理介質的相互作用，具有靈敏度分析及優(yōu)化分析能力；③后處理模塊，可將計算結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(可看到結構內部)等圖形方式顯示出來，也可將計算結果以圖表、曲線形式顯示或輸出。軟件模擬參數設置包括：參數設定、分網劃分、運算求解等。

主要利用ANSYS流體動力學功能分析處理后可直觀顯示火炕內高溫煙氣的壓力、流率和溫度分布的優(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定

內蒙古中西部地區(qū)農牧民使用的直洞式火炕均采用磚砌筑。火炕模型的長×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。炕內煙道由磚砌筑，且均勻分布。火炕底部有300 mm厚爐渣混凝土做蓄熱墊層。進煙口寬為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，將進煙口與出煙口的煙氣壓強差設為10 Pa左右[11-12]。將室內空氣平均溫度設為15 ℃；炕體初始溫度為15 ℃；煙氣入口溫度設定為350 ℃；煙氣入口流速為3 m/s。為研究直洞火炕不同煙道構造形式對煙氣溫度分布、流場分布、進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、室內外空氣壓強、空氣溫度等影響因素不變。

圖1 部分調研照片

表1 調研情況匯總

注：HDD18為采暖度日數；內蒙古地區(qū)建筑熱工分區(qū)：以采暖度日數為依據，6 000≤HDD18為嚴寒A區(qū)(1A)，5 000≤HDD18<6 000為嚴寒B區(qū)(1B)，HDD18<5 000為嚴寒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 現狀火炕構造材料參數

2.3 網格劃分及收斂判斷依據

炕體內部的煙道構件基本規(guī)則不存在異形，所以ANSYS劃分網格時選用平行六面體網格。由于煙氣在煙道內流動時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)域對網格進行加密，而在在其他區(qū)域劃分較粗的網格，不僅能加快計算速度，而且能提升計算精度。

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

2.4 現狀火炕模擬結果分析

類型I火炕、類型II火炕的模擬結果如圖5、圖6所示。由圖5(a)、圖6(a)可知，炕洞內進煙口處高溫煙氣聚集，炕中、炕梢處溫度過低，排煙溫度高，整個炕洞內高溫煙氣分布范圍較小，導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 ℃的高溫煙氣面積分布范圍約占炕面板面積的20%，溫度在204～240 ℃的低溫煙氣面積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 ℃的高溫煙氣面積分布范圍約占炕面板面積的40%，溫度在204～240 ℃的低溫煙氣面積分布范圍約占炕面板面積的50%。從整體上看，類型I、類型II火炕高溫煙氣面積分布范圍占炕面板面積小；而低溫煙氣面積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%。兩種火炕內部煙氣流動不均勻且特別混亂，有煙氣回流現象，增大了煙氣流動阻力，導致煙氣流動不順暢，容易產生旋渦，從而導致換熱不充分，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)化設計

3.1 前引后導優(yōu)化思路

前引后導：即炕體內喉眼附近不設置支柱，盡量減少阻礙，將高溫煙氣引向炕的中、后部。流場分布與接觸截面阻力有關，所以改變其煙道截面形式，使進入炕內的煙氣能夠均勻擴散，這樣才能使炕面得熱均勻，使高溫煙氣與炕面板充分換熱，降低排煙溫度，提高火炕熱效率。

優(yōu)化設計中，改進火炕在炕體尺寸、材料、砌筑方法等方面與現狀火炕模型相同，只通過改變煙道構造形式來達到提高火炕熱效率和熱舒適度的目的。

通過對大量改進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)型火炕在進煙口處設置斜向的引煙墻，引導煙氣流向炕體中部，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，保證煙氣擴散至整個炕體內部，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，整體趨勢順應進出煙口的方向，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 改進火炕煙道形式

3.2 I(A)型、II(A)型火炕模擬結果分析

利用ANSYS模擬技術對I(A)型、II(A)型兩種火炕進行模擬，結果如圖8、圖9所示。由圖8(a)、圖9(a)煙氣靜態(tài)溫度等值線可知，高溫煙氣被大量引向炕中、炕梢，大大改善了流場不均勻的狀況。煙氣充分擴散，擴大了煙氣流場范圍，高溫煙氣與更大炕面板進行充分換熱，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 ℃的高溫煙氣面積分布范圍約占炕面板面積的70%，相比類型I火炕擴大了50%左右；溫度在204～240 ℃的低溫煙氣面積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 ℃的高溫煙氣面積分布范圍約占炕面板面積的75%，相比類型II火炕擴大了35%左右；溫度在204～240 ℃的低溫煙氣面積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。說明改進火炕對比現狀火炕，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象，使煙氣與炕面板更充分的換熱，提高了火炕對高溫煙氣熱利用率。

為進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個測點，如圖10所示。其瞬時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、導煙墻的作用下，煙氣流場范圍擴大，流場均勻性明顯改善，高溫煙氣與炕面板充分換熱，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 ℃。火炕熱效率明顯改善，而且改進火炕炕頭區(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

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 結論

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

(1)火炕內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,不僅增大了高溫煙氣與炕體的換熱面積且延長了煙氣在炕體內的流動路徑和時間，火炕的供熱能力得到大幅提高。

(2)改進火炕排煙溫度降低15～20 ℃,高溫煙氣在煙道內充分換熱后才排出煙囪，煙氣熱量得以充分利用。火炕的熱效率明顯提升。

(3)ANSYS模擬技術為改進火炕熱效率研究提供了一種新的模擬方法和技術支持，也為新型火炕砌筑提供了設計指導。