中國炕的煙氣流動與傳熱性能研究.pdf

1、炕作為中國最古老的供暖方式至今仍被廣泛使用。2004年底全國約有6700萬鋪炕，使用人口達(dá)1.75億。在建筑中使用炕供暖可利用生物質(zhì)能源來改善室內(nèi)熱環(huán)境并減少商品能源消耗。目前，炕的設(shè)計(jì)主要基于民間經(jīng)驗(yàn)，缺少理論基礎(chǔ)支持?？辉趯?shí)際應(yīng)用中仍存在室內(nèi)空氣污染嚴(yán)重、炕表面熱舒適性差等問題，導(dǎo)致炕有逐漸被使用商品能的供暖方式(如土暖氣、家用鍋爐等)替代的趨勢，長此下去這將加重我國農(nóng)村能源供應(yīng)負(fù)擔(dān)。目前北方農(nóng)村能源消耗占全國農(nóng)村總能源消耗量的56

2、％，且超過80％的農(nóng)村能源消耗用于采暖需求。考慮到炕的地域分布廣、應(yīng)用數(shù)量大、使用時間長、搭建經(jīng)驗(yàn)豐富、文化底蘊(yùn)深厚等特點(diǎn)，對炕進(jìn)行改進(jìn)或創(chuàng)新是我國北方農(nóng)村建筑供暖技術(shù)轉(zhuǎn)換和更新的關(guān)鍵。如何合理地設(shè)計(jì)和使用炕以提高其熱性能需要深入地研究和探討，從而為炕的工程設(shè)計(jì)提供科學(xué)依據(jù)。本文對此進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究和理論分析，其主要的學(xué)術(shù)貢獻(xiàn)如下： 首先，設(shè)計(jì)和搭建炕實(shí)驗(yàn)平臺，對典型炕的熱性能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，科學(xué)地認(rèn)識了炕的傳熱機(jī)理及煙氣流動特性，

3、系統(tǒng)地分析了炕的得熱、蓄熱和散熱性能。研究發(fā)現(xiàn)，炕煙道內(nèi)煙氣流動狀態(tài)為紊流，炕體外表面散熱以輻射方式為主，炕表面溫度隨著時間變化波動大，在空間分布上存在炕頭表面溫度過熱和炕梢表面溫度過冷問題。 其次，針對炕在實(shí)際使用過程中常出現(xiàn)的倒煙回流問題，建立了炕的傳熱與煙氣流動宏觀描述模型，探究了在風(fēng)壓和熱壓共同作用下炕的煙氣流動規(guī)律，討論了炕煙氣流量的多解性、穩(wěn)定性和跳躍性，從理論上解釋了炕在實(shí)際運(yùn)行過程中出現(xiàn)的倒煙回流現(xiàn)象，提出了炕煙

4、氣正向流的初步設(shè)計(jì)方法和解決煙氣倒流的措施。 再次，為了改善炕表面的熱舒適性，分析了在連續(xù)加熱和間歇加熱條件下炕的蓄熱特性，對影響炕板溫度的各因素進(jìn)行了敏感性分析，得出了炕板時間常數(shù)和加熱方式是影響炕表面溫度波動的主要因素，并提出了將炕表面溫度控制在舒適范圍內(nèi)的方法。同時，采用數(shù)值模擬方法研究了不同煙道布置形式對炕表面溫度分布均勻性的影響，對選定的煙道布置形式進(jìn)行了改進(jìn)。結(jié)果表明，調(diào)整煙道出口處擋煙板的高度比β=0.25和在煙道

5、進(jìn)口處增加平面尺寸為0.5m×0.5m、傾斜角γ=5°的擋煙板可以有效地改善炕表面溫度的均勻性。 最后，建立了炕建筑動態(tài)熱過程計(jì)算模型，分別開發(fā)出了面向研究分析用的炕建筑動態(tài)熱過程模擬程序和便于工程應(yīng)用的DeST-k軟件包。選取一典型炕住宅進(jìn)行案例分析，從炕的運(yùn)行方式、炕板熱容量、煙道布置形式等方面對炕的熱性能進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)；同時，在此基礎(chǔ)上定量分析了炕在不同氣候和建筑熱工特性等條件下的全年運(yùn)行效果。結(jié)果表明，通過合理地設(shè)計(jì)炕的結(jié)