北方地区火炕供暖技术应用分析

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节能技术与应用

节能 ENERGY CONSERVATION

北方地区火炕供暖技术应用分析

金若妮 李旭林 刘家森 初诗凝

（沈阳建筑大学市政与环境工程学院，辽宁 沈阳 110168）

摘 要：我国北方冬季寒冷且漫长，为了使居住环境更加舒适，人们使用多种供暖设施来提高室内温度。火炕是北方地区农村应用最多的供暖设备，距今已有2 000多年的历史。随着农村居民生活水平的提高，现有的火炕供暖技术已经无法适应社会主义新农村建设的要求，为改变这一现状就要改进火炕供暖技术。从实际应用的角度出发，从内部构造和整体结构方面对传统火炕供暖技术应用进行了分析，从结合火墙采暖以及太阳能采暖对新式火炕供暖技术应用进行了分析，指出通过改进火炕内部结构及整体结构能改善火炕的供暖效果，新式火炕较传统火炕在舒适度和热效率等方面均有所提高，可提高我国北方农村地区农民的生活质量。

关键词：传统火炕；新式火炕；供暖技术

中图分类号：TU832 文献标识码：A 文章编号：1004-7948（2020）02-0079-04doi：10.3969/j.issn.1004-7948.2020.02.027

Application analysis of Kang heating technology in North China

JIN Ruo-ni LI Xu-lin LIU Jia-sen et al

Abstract：In order to make the living environment more comfortable，people use a variety of heating facilities to improve the indoor temperature. The Kang is the most widely used heating equipment in the northern rural areas，which has a history of more than 2 000 years. With the improvement of the living standard of rural residents，the existing Kang heating technology has been unable to meet the requirements of the new socialist rural construction. In order to change this situation，it is necessary to improve the Kang heating technology. From the point of practical application，this paper studies the heating effect and application value of traditional and new-style Kang，analyzes the application of traditional Kang heating technology from the internal structure and overall structure，analyzes the application of new-style Kang heating technology from the combination of wall heating and solar heating，and points out that through improving the internal structure and finishing of Kang The body structure can improve the heating effect of the Kang. Compared with the traditional Kang，the new-style Kang has improved the comfort and thermal efficiency. The improvement of Kang heating technology is of great significance to improve the quality of life of rural residents in northern China.Key words：the traditional Kang；the new-style Kang；heating technology引言

对于北方寒冷地区和严寒地区来说，在冬季为了确保室内温度的舒适性不仅消耗了大量的不可再生能源，也使环境遭到了严重的污染，此外农村供暖的能源利用效率低、空气品质也较差。

随着社会进步和农村生活水平的提高，解决农村供暖问题和改善农村住宅室内的热舒适性迫在眉睫。据大量调查研究显示，火炕供暖技术有着十分广泛的应用。如何进一步提高北方农村火炕供暖的能源利用效率、加速开发推广可再生能源的应用，如何改善寒冷地区农村

的室内居住热环境以满足广大农村居民的需求，是一个值得人类社会高度关注的话题。以农村住宅室内热环境达标为前提，在不牺牲居民生活舒适性的条件下，研究一种或多种农村居民经济条件能够承受的且节能环保、运行维护简单的火炕供暖技术尤为重要。完善火炕供暖技术对于改善农村住宅的宜居性、减少能源消耗有着巨大的推动意义，同时对国家的可持续发展有着长远意义。1 传统火炕

在20世纪就已经有学者开始对中国的火炕进行初步实验研究，证明了火炕具有良好的供暖效果，但火炕本身存在着炕体构造不合理，炕面温度分布不均匀，室内

作者简介：金若妮，硕士，研究方向为联合供暖系统。基金项目：“十三五”国家支撑计划项目（项目编号：2018YFD1100705—02）收稿日期：2019-12-26

空气品质差等问题[1-2]。1.1 火炕内部构造

火炕内部构造决定了烟气的流动速度与流动方式，同时也影响火炕的供暖性能。文献[3]~文献[5]对火炕内

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部构造进行了详细的介绍，对炕内烟气的流动和传热过程进行分析，通过对烟气流动方式的分类来划分火炕形式，并对火炕的构造特点与传热性能进行了深入研究。其中文献[4]对预制组装架空炕的炕连灶的结构形式进行了研究，从材料选择、技术改进方面做出了详细的介绍，同时对改进后的火炕进行测试，发现火炕热效率可达70%以上，且具有很高的节能率（约为57%）。

文献[6]和文献[7]搭建了吊炕的实验模型，对吊炕的得热、蓄热、放热性能进行了研究，通过分析实验结果得出烟气与炕体的传热方式主要为自然对流传热，炕面板的温度具有显著的时间变化性且炕面板与室内环境之间的辐射换热起着重要的作用。值得一提的是，文献[7]中提出了一个多项式的回归模型，通过该模型对燃料的消耗随温度和时间变化的特性进行分析，并在此基础上分析了传统落地炕与架空炕的热效率，结果表明架空炕能提高冬季的燃油效率和室内舒适性。

文献[8]，文献[10]至文献[13]建立了火炕内部结构的模型，并利用不同的计算机模拟软件对火炕内部的烟气流场进行了模拟分析，并通过实际测试验证了模型的实用性，并在此基础上提出了火炕的内部结构的优化设计，从而改善炕内流场分布，使烟气与火炕面板之间的传热量增加，提高了炕面的温度，并指出经过改良后的火炕能有效提高室内温度，并能使室内空气品质得到改善。其中文献[11]考虑了炕内烟气辐射的传热过程，尤其是辐射传热过程，提出了传统落地炕的通用数学模型，对研究理论的创新有着重要意义。文献[10]中提出可以通过改变上部炕面板放置的倾斜角度来改善炕面温度分布的均匀性，同时文献[13]中指出提高下部炕面板距离地面的高度可以使室内温度增加。并通过实测分析可知，倾斜程度和距离地面的高度都具有使火炕供暖效果达到最佳的优选值，炕板倾斜程度值为80 mm，炕板距离地面高度值为36 cm。

文献[9]在对严寒地区的火炕供暖技术调研的基础上，综合考虑气候、资源、经济水平后对火炕的结构进行改进，并对改进后的火炕的节能性、经济性以及室内热舒适性进行评价，指出改进后的火炕极具推广价值。架空式火炕内部构造及落地式火炕内部构造分别如图1、图2所示。

靠外墙隔热层南墙

出口

西墙

炕板蓄热层

支柱

烟道

迎火石

钢混凝土

炕沿

进口

图1 架空式火炕内部构造

靠外墙隔热层

出口

西墙

炕板蓄热层

南墙

钢混凝土

支柱

烟道

进口

炕板隔热层

炕沿

东墙（部分）

迎火石

图2 落地式火炕内部构造

1.2 火炕整体结构的研究

一些学者认为火炕的供暖效果不仅取决于炕体自身的内部构造，还与农村住宅形式以及居民的生活习惯有很大的关系，故有学者将火炕看作为1个固定热源，对火炕整体如何影响室内供暖效果进行了研究。文献[14]至文献[16]，文献[19]和文献[20]分别对采用火炕供暖的农宅进行了研究，对火炕作用下的室内热环境进行了测试与分析，同时建立了室内传热过程的数学模型并对火炕整体进行了分析，提出了使火炕供暖效果增强的措施。文献[15]中采用模块化设计建立了简化的火炕供暖系统模型，并提出以炕面温度为基础的火炕评价方法。除此之外，文献[20]中结合农村建筑特点及居民生活习惯，分析了室内热环境影响因素，提出农村地区住宅的室内热环境指标。文献[19]中分别考虑了不同的供暖设备对房间供暖效果的影响，指出使用火炕供暖的房间室内温度更加均匀。

架空式火炕整体结构及落地式火炕整体结构分别如图3、图4所示。

图3 架空式火炕整体结构

图4 落地式火炕整体结构

文献[17]、文献[18]、文献[21]、文献[24]、文献[25]建立了火炕的传热蓄热模型，使用模拟技术对火炕供暖系统模型进行模拟研究，其中文献[17]中推导出了炕面温

度分布的近似解公式，并提出了一种基于炕面热量的炕板厚度设计方法，文献[18]同样对影响炕面板温度的多种因素进行测定与分析，并比较了改善炕面温度均匀程度的不同设计方法。而文献[24]中指出只依靠火炕供暖不能满足居民对舒适度的需求，要加强对围护结构的保温措施。文献[22]和文献[23]中所提到的供暖方式与火炕供暖十分相似，分别对韩国的温突以及罗马的浴池进行了研究，并对其供暖室内热环境做了详细分析。

随着农村生活水平的提高，传统形式的火炕供暖技术已经不能满足人们对室内热舒适的追求，故广大学者进一步对火炕供暖技术进行研究，在传统火炕形式的基础上进行改良，提出了新形式的火炕。2 新式火炕

传统火炕供暖方式简便易行，成本低廉，但供暖效果不好，室内温度不达标且不均匀。为使火炕能更好地发挥其供暖作用，一些学者通过将火炕供暖与火墙采暖方式、太阳能采暖方式相结合，使火炕的供暖效果得到了极大的改善。

2.1 火炕与火墙采暖相结合

文献[26]、文献[30]、文献[33]对火炕和火墙的运行方式进行了研究，其中文献[26]对火墙式火炕的砌筑方法进行了改进，保证了燃料燃烧产生的热量能充分利用，解决了供热效率低的问题，同时提高了整个供暖系统散热的均匀性。文献[30]中建立了火墙式火炕的物理模型和数学模型，利用计算机模拟软件对其供暖效果进行模拟，指出火墙式火炕虽然在室内温度分布的均匀性方面有所提升且能满足人们对热舒适度的要求，但仍存在局部过热的问题。文献[33]针对该问题做了进一步研究，冯国会[32]等人将相变材料应用在火墙内部，通过模拟和实测的方法，指出添加了相变材料的火墙壁面的吸热量是传统火墙的1.38倍，且壁面温度分布更加均匀，表明相变材料在建筑供暖节能中具有良好的应用前景。

文献[27]至文献[29]对火墙式火炕做了详细介绍，并对其供暖效果进行了研究，其中文献[27]对各地的火炕搭建经验进行了总结，并以辽宁省大连市一农村住宅作为研究对象，对其进行了实地测试，测试结果表明增加火墙有助于提高火炕供暖的热效率；与此同时，文献[28]对实验房间的热舒适性及室内空气品质进行了测试，测试结果表明室内温度基本维持在15 ℃以上且室内空气品质良好。

基于上述实测结果，文献[29]中对新型火墙式火炕的结构进行了改进，主要措施包括增设挡板等，并对改进后的火墙式火炕进行测试，结果表明炕墙的温度能够提高20 ℃且炕面温度分布均匀。 火墙式火炕结构如图5所示。

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（a）火墙式火炕结构图 （b）火墙式火炕平面图注：1-烟气进口；2-火墙添柴口；3-火墙烟道；4-火炕炕洞；5-火墙出烟口；6-炕墙；7-分烟墙；8-柱子；9-挡灰垛；10-出烟口；11-烟囱。

图5 火墙式火炕结构

文献[31]和文献[32]都对传统火墙式火炕进行了改良，分别采用实际测试和模型模拟的方法对火墙式火炕的热工性能及供暖效果进行了研究，指出火墙式火炕有极大的推广价值并总结出新型火墙式火炕的多种优势。

以上研究均表明增设火墙有利于提升室内热舒适度和提高火炕供暖热效率，但随着我国逐步加强对可持续发展与清洁能源应用的要求，以不可再生能源，如煤炭等为燃料的供暖技术正逐渐被限制使用，所以要对火炕供暖技术进行进一步的改进，并保证火炕供暖的舒适性。2.2 火炕与太阳能采暖相结合

太阳能这一自然资源分布广泛且易于获取，在我国北方农村地区推广太阳能极具优势，将火炕供暖与太阳能采暖技术相结合可使太阳能得到有效利用。太阳能本身存在的间歇性和不稳定性使太阳能采暖具有周期性和不确定性，应采取有效手段将太阳能与火炕供暖技术更好地结合起来。有学者发现相变材料能充分利用不稳定、不持续的热量，将相变材料添加进火炕能够有效解决热量供应在时间和空间上不匹配的矛盾，实现对炕体以及室内环境的持续加热。

文献[34]至文献[38]中将太阳能热水供暖技术和相变材料储热技术应用到火炕供暖系统中，详细说明了联合供暖系统的工作原理，通过搭建实验平台对该供暖系统进行了测试，并建立物理模型对其热工性能进行模拟分析，为太阳能供暖技术的应用提供了思路。其中文献[34]中将毛细管网热水系统引入火炕供暖系统中，通过实测说明该供暖系统的散热时间可较之前延长5 h。文献[35]中通过将混凝土炕、石蜡炕、混凝土石蜡复合炕进行对比，指出混凝土石蜡复合蓄能炕供暖效果比其余两者好，炕面平均温度能提高10 ℃且分布均匀，初投资低。文献[36]将太阳能蓄热池与火炕相结合，利用蓄热池散发的热量为房间供暖。文献[37]中搭建了实验平台并对炕体温度进行了测试，结果表明该太阳能相变火炕的温度基本保持在28~34 ℃且室内温度满足人们对热舒适的需求。

太阳能炕热水供暖系统示意图如图6所示。太阳能炕空气供暖系统示意图如图7所示。

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水箱

辅助热源

集热器

太阳能炕

图6 太阳能炕热水供暖系统示意图

太阳能空气集热器

风机

烟气烟囱

房间

炕面板

空气层

图7 太阳能炕空气供暖系统示意图

专家学者们发现将太阳能热水供暖系统应用到火炕供暖系统中虽然能使火炕供暖更清洁、更舒适，但水系统管路在冬天易破裂且运行维护管理十分复杂。故文献[39]至文献[43]将太阳能空气供暖应用到火炕供暖技术中，说明了太阳能空气供暖技术简单且易于操作，同时可以保证供暖的舒适性。其中文献[39]将太阳能集热墙与架空炕相结合组成了新型供暖系统，从供暖效果、经济性等方面对该系统进行评价分析，指出该系统可将室内温度维持在16 ℃以上且能节约50%的燃料。文献[40]至文献[43]中提出了结合太阳能空气集热的火炕供暖技术，并指出应用该供暖技术作为指导所设计出的联合供暖系统既能满足北方地区的供热需求又能减少污染，又能提高室内的热舒适度。3 结语

以传统火炕和新式火炕为研究对象，对现有的火炕供暖技术进行了总结，在此基础上对火炕供暖的技术应用进行了分析。通过对传统火炕供暖技术应用的分析表明：通过改进火炕内部结构及做好农宅围护结构保温措施能从一定程度上改善火炕的供暖效果。通过对新式火炕供暖技术应用的分析表明：新形式的火炕较传统火炕在室内热舒适度和火炕供暖热效率等方面均有所提高。

随着我国对可再生能源的开发利用程度逐渐扩大和农村经济的发展，将太阳能采暖应用到火炕供暖中是未来火炕供暖技术发展的方向。相比于太阳能热水采暖，太阳能空气采暖具有无与伦比的优点，在我国北方农村地区更为适用，故太阳能空气采暖与火炕供暖技术相结合是未来的主要研究方向。太阳能与火炕供暖相结合不仅能加强北方农村地区对清洁能源的使用，也能保证火

炕供暖的舒适性。

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烧结环冷机低热段烟气余热回收加热

除氧器补水分析及应用

张团庆 何 飞 

（山东省冶金设计院股份有限公司，山东 济南 250101）

摘 要：烧结机高温段烟气主要通过余热锅炉产生蒸汽或进一步进入汽轮机进行发电，而低温段烟气因温度较低，无法解决回收后用途，因此尚未有效利用。结合钢厂生产情况及热量需求性，锅炉除氧器补水通常为常温水，需要消耗除氧蒸汽进行加热。现通过回收烧结低温段余热，直接将补水加热到一定温度后再进入除氧器。一方面回收烟气余热，降低周围环境热污染，另一方面提高除氧器补水温度，降低蒸汽消耗。项目实施后，系统运行稳定，效果良好。

关键词：烧结；余热；回收；除氧器

中图分类号：TM617 文献标识码：B 文章编号：1004-7948（2020）02-0083-03doi：10.3969/j.issn.1004-7948.2020.02.028

Analysis and application of heating water supplement of deaerator by recovering the flue gas waste

heat in the low temperature section of the sintering ring cooler

ZHANG Tuan-qing HE Fei

Abstract：The flue gas in the high temperature section

作者简介：张团庆，硕士，工程师，研究方向为余热利用研究与设计。

收稿日期：2019-11-30

of the sintering machine has been effectively used，and the steam is generated by the waste heat boiler or further enters the steam turbine for power generation. The low

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