内置挡板的火墙式火炕的模拟研究

摘要：设计了一种新型内置挡板的火墙式火炕，对比了是否在热工性能方面有显著作用。运用CFD技术，采用ICEMCFD建立物理模型，应用Fluent软件对两种工况进行了数值模拟。结果表明： 炕面温度上，单一的工况炕面温度炕头至炕尾呈递减趋势，新型的温度梯度更均匀。炕腔内部温度新型与单一的在室内温度并无差别。在室内温度上，新型具有显著优势。内置挡板的火墙式火炕在热工方面有显著提高，且发现新型火炕在蓄热能力方面占有显著优势。

关键词：火墙式火炕；内置挡板；数值模拟

中图分类号：TU833+.3

文献标识码：A文章编号：16749944（2017）12024303

1引言

随着城市经济的不断发展，人们更加关注城市住宅及公共建筑的节能环保问题，往往忽视了农村住宅的功能性与舒适性。我国北方农村地区通常以火炕作为主要采暖方式[1～4]，单一的火墙式火炕具有蓄热能力差、炕表面温度不均匀、室内温度较低、烟气热量利用率低等缺点。笔者设计了一种新型的火炕――内置挡板的火墙式火炕，此种设计将火墙式火炕分为冬季、夏季两种工况运行，通过在不同季节切换挡板位置来控制烟气的流动方向，使夏季烟气不经过炕下，解决炕面温度过高的问题，从而使人们的居住环境更为舒适。同时在夏季工况中增设烟气对流管束，利用对流管束内冷水吸收烟气的热量，将烟气热量进行二次利用，对流管束内被加热水循环导出后，用于夏季室内喷淋或者作为补偿热水使用。

2模型的建立

模拟房间长宽高尺寸为3000 mm×4150 mm×3000 mm，房屋坐北朝南，南外墙上窗的尺寸为2000 mm×1500 mm，窗户为单层双玻璃塑钢窗，房间的维护结构为37砖墙，总厚度为470 mm。火墙式火炕的物理模型见图1。

内置挡板工况的物理模型见图2、图3。初始条件见图4。

3数值模拟结果

应用Fluent进行数值模拟时，将所研究体系分为三个工况，如表1，结果见图5～图13。

4数值模拟结果分析

炕面温度上，对比图6内置挡板冬季工况与图7内置挡板夏季工况的数值模拟结果可知，冬季挡板封闭炕内墙空腔，此时为单一的火墙式火炕工况，炕面温度从炕头至炕尾呈递减趋势，炕头温度40℃，炕尾温度10℃，夏季工况中挡板封闭炕下炕腔，使烟气直接由灶内进入炕内墙，因此火炕与火墙侧炕面温度仅有10℃，即为夏季炕板的常温，但此时炕内墙入口温度41℃，出口温度30℃。夏季工况的炕面温度较冬季工况降低了30℃，解决了由于火炕表面温度过热，造成居民夜晚无法正常作息的问题。

数值模拟内置挡板的炕腔内部温度时，从图9内置挡板冬季工况中可以明显看出冬季工况的炕腔内部温度与单一的火墙式火炕并无差别，火炕下烟气入口温度405℃，炕腔内部温度大致在85～105℃之间，火墙侧烟气入口温度550℃，炕腔内温度在260～405℃之间，但冬季工况中烟气不经过炕内墙，炕内墙内空气的温升是由于炕侧的烟气热量经过内墙传递给炕内墙侧，因此炕内墙内温度仅有20℃；而图10内置挡板夏季工况中可知，此时烟气不经过炕下而直接进入炕内墙内，因而炕内墙内烟气的温度高达300℃，但对比炕腔内部温度可明显看出炕腔内温度仅为25℃，该种设置在夏季可使炕面温度有大幅度的降低，也可使室内温度舒适性更高。

对比内置挡板的两种工况可以发现，图12内置挡板冬季工况室内温度为18℃，炕上方及火墙前侧温度较高；图13内置挡板夏季工况室内温度为18℃。分析得出使室内温度升高的主要原因是炕面的散热，夏季工况的炕面温度整体呈绿色，说明夏季工况通过切换挡板位置控制烟气流动的方法，使得炕面温度维持在18℃，该温度即为炕板在夏季的正常温度，同时通过图像也可以看出此时炕板的温度低于室内温度，由此更加提高了居民生活的热舒适度。

5结语

通过数值模拟的方法，经过迭代模拟得到各个工况的温度分布图。在求得的模拟结果中，根据实际情况任意给定工况的初始条件，此时都可以得到一个可靠的模拟结果，将省去人工分工况测量的繁琐，具有一定的便捷性，也为后续的进一步研究提供了研究思路与方法。

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