火炕及农村建筑集成采暖系统热工性能及传热模型研究

火炕在中国有着悠久的历史，是北方农村必不可少的采暖设施。将其发扬光大，对农村建筑节能、改善室内环境和生物质燃料的利用具有重要的意义。但迄今为止，火炕主要依照民间的经验来搭建，极少进行过深入的理论研究，因此，阻碍了火炕的创新与推广应用。此外，火炕只能加热其所在房间、不能顾及整幢建筑热环境的弊端，也难以满足农村生活水平日益提高的需要。本项目从流体力学和传热学基本理论出发，探索火炕传热与蓄热的本质，建立火炕蓄热和放热模型，通过深入的实验研究和数值分析，探讨火炕结构、材料、燃烧速率等因素对火炕蓄放热和房间环境温度的影响，剖析火炕热量传递的方式和比例；并进一步结合农村建筑的热负荷特性，构建基于生物质燃料的火炕-火墙-土暖气集成采暖系统，研究系统中各个部分的热流特性和运行调节特性，提高火炕的蓄热性能、集成采暖系统的调节性能以及房间的即热性能。研究成果有望为火炕采暖方式的新突破打下理论基础。

作为传统的供暖措施，火炕已在北方农村被广泛使用。然而目前火炕的深入理论研究较少，妨碍了火炕的创新和推广；而且在单独使用火炕的条件下，室内热环境差，不能满足人们的热舒适要求。因此，亟需研究相应的集成采暖系统来满足农村建筑的供暖需求。本项目在对生物质燃料放热模型研究的基础上，以集总参数法建立了传统火炕的传热模型，并开发了计算软件。建立了炕面温度不均匀的火炕传热模型，并考虑了烟道内高温烟气的辐射及土灰层的蓄热作用，从而对火炕内部的传热过程和热量分配有了深入的理解，并利用该模型优化了火炕结构。建立了火墙式火炕在三种运行工况下的传热模型，进行了实验验证并优化了火墙式火炕结构。分别构建了柴灶和火炕内置换热器模型，并在上述计算软件中增加了这两个模块。为了改善整栋建筑的室内热环境，提出了柴灶-火炕-热水的集成采暖系统。搭建了火炕-火墙-热水、火炕-热水以及柴灶-火炕-热水的集成采暖系统的实验平台，实验结果表明集成采暖系统可有效提高室内热环境。建立了集成采暖系统传热模型，分析结果表明，该系统可有效提高能源利用效率。