农村住宅不同采暖方式的对比分析

随着经济的发展，人民生活水平的提高，我国采暖范围日益扩大，特别是农村地区，由于农村建筑围护结构的能耗增加，致使采暖能耗迅速增加。由于人们对室内环境的舒适度要求越来越高，相应的建筑能耗（空调、采暖能耗）也随之增高，造成能源消耗过快，环境污染加剧。因此在十一五期间，要实现全国节能的目标，首先要解决农村的采暖能耗问题。我国农村的主要采暖设备包括：各种形式的土暖气、火墙、火炕等。虽然火墙、火炕、土暖气的采暖方式存在污染环境的问题，但是在采暖季仍然能够满足人们对室内舒适度的要求。目前火墙这种农村住宅中最重要、最有效的供暖设施，逐渐被一些农民盲目地用土暖气来代替,造成空气污染明显加重,采暖支出大增。

本文以数值传热学理论为基础，应用计算流体力学软件模拟两种采暖方式对室内温度场的影响，并进行室内温度波动情况的对比分析。得到两种工况下的室内温度分布情况，为研究火炕和火墙联合供暖的优越性提供了数值模拟依据。

以北炕建筑中西侧的房间为研究对象，见图1给出了两种工况下的建筑平面图，基本条件相同：房间的建筑面积为3.0×5.0㎡；层高为2.8m；在南墙上有一扇双层木窗，其尺寸为1.5×1.2㎡；北墙、南墙、西墙为外 墙，东墙为内墙；火炕靠北侧，其尺寸为2.5m×2.0m×0.7m。工况一：火炕和火墙联合采暖方式；火墙位于东墙的内墙侧，尺寸为2.0m×0.24m×2.0m。工况二：火炕和土暖气的联合采暖方式；散热器位于南侧双层木窗下明装，采用四柱型散热器，长1.2m。

利用有限容积法将所计算的区域划分成一系列控制容积，每个控制容积都有一个节点作代表，通过守恒控制方程对控制容积做积分导出离散方程，给出离散方程的物理系数，进行计算。采用SIMPLEC算法和交错网格技术来实现压力和速度的解耦，以避免不合理压力及温度场的出现。

同时考虑对流和辐射，建立控制方程：

             （1）

 —对流换热系数；—辐射系数      

流体侧的换热方程为：                                                （2）

首先对房间的基本条件做出理想的假设：（1）室内空气流动不随密度的变化而变化；（2）假设供暖设施在供暖时刻是稳态的；（3）在门窗不开启的情况下，将门窗与墙体看作一个整体。

在不开启门窗的条件下，设该模拟房间的边界温度值分别为：东墙内表面290K，西墙内表面284K，南墙内表面290K，北墙内表面283K，顶棚内表面287K，地面285K。工况一：火炕的表面温度为303K，火墙的表面温度为310K。主要是辐射换热。工况二：火炕的表面温度为303K，散热器的表面温度为328K。由辐射换热和对流换热组成。并且分别给出辐射换热系数和对流换热系数。

对这两种采暖方式在采暖时刻分别采取三维稳态温度场模拟，获得有效采暖方式的数值根据。计划在两个房间内，分别取x=0.5m、y=1.5m、z=1.4m处的平面为讨论对象。如图2所示，得到不同工况下，同一平面内不同高度的温度值，分别统计温度值的变化，并绘制不同工况下同一平面内的温度场曲线。根据温度场分布的情况，分析采暖房间内的温度波动情况，并将两种工况进行对比分析。       

经Fluent计算流体力学软件模拟计算，得到以下结果如图所示：

图3 x=0.5m处的温度分布曲线

x=0.5m处，即与北墙相距0.5m且平行于北墙的平面（如图2）。由图3可以看出，同一平面内沿高度方向室内温度的变化情况。工况一的垂直平面内温度场分布较平缓，温度维持在289K到291K之间，温差仅为2℃。而工况二的垂直平面内温度场分布差异较大，在靠近西墙，地面以上垂直区域温度仅为286k，温差达到8℃，是工况一的4倍。在工况一中，所取平面是火炕和火墙联合供暖的纵平面，而在工况二中此平面仅是火炕供暖的纵平面。因此，在供热的时候，工况一有两个辐射换热面，共同维持室内温度的恒定，温度波动较小，并且能够达到人们对室内热舒适度的要求。

图4 y=1.5m处的温度分布曲线

y=1.5m处，即与西墙相距1.5m且平行于西墙的平面（如图2），两个工况下，所取平面均为室内某一竖直平面。由图4可以看出，工况一中，沿垂直方向的温度场几乎没有什么变化，温度维持在290K到291K之间，温差仅为1℃。而在工况二中的同一位置，温差波动较大，为10℃，且温度分布不均，靠近散热器的位置，温度较高为304K，而靠近北墙侧的室内温度较低为286K。虽然在工况二中有散热器与室内空气进行对流换热，但是并没有达到理想的效果，反而增加了温差，增大了温度波动。人们在这样的房间内活动并不感到舒适。

图5 z=1.4m处的温度分布曲线

z=1.4m处，即为高出地面1.4m的水平面（如图2）。由图5可以看出，在人们活动的中心区域，工况一的温差波动较小，仅为2℃。而工况二中的水平位置，温差大小与图4一样，也为10℃。在工况二的条件下，靠近西墙和北墙内侧的区域，温度极低，仅为285K。由于散热器散发的热量不能与此区域的冷空气进行热量交换，致使温度不能均匀分布。因此，采用火炕和暖气的采暖方式未能使室内的温度分布均匀。解决此问题的有效方法是在西墙温度低处另加一组散热器，调节室内温度。

根据本文所模拟的数据得出如下结论：

（1）采用火炕和火墙的联合供暖方式，能够使室内温度维持在一个比较稳定的范围内，温差波动较小，能够达到人们对室内热环境的要求。

（2）采用火炕和土暖气的供暖方式，室内温差波动较大，温度场分布不均匀，使人们只能集中在温度相对较高的区域活动。要解决局部温度较低的情况，可以在温度低的位置再加一组散热器，有利于室内热环境质量的提高；但是又增加了采暖的能耗。

（3）根据上述对比分析，一些农民用土暖气代替火墙取暖，是一种盲目的做法。分析表明，火墙是农村采暖设备中最有效的采暖方式之一。

（4）采用火墙采暖是一种符合可持续发展理念、能以较低的成本和可再生能源的消耗解决众多民众生存条件的采暖方式，对其进行深入研究和技术提升，将会具有重要的社会、环境和经济价值。

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