炕的节能布局及其系统组合优化设计＊

2021-03-09 02:17李世芬王佳林

建筑技艺 2021年12期

李世芬王佳林

在热工设计分区中，我国华北、西北、东北等地区属于寒冷及严寒地区，该地区的居民常以火炕取暖来适应寒冷的气候。据统计，目前农村地区采暖能耗占中国建筑能耗总量的25%[1]，而北方农宅冬季采暖能耗则占到农村用能总量的40%[2]。火炕历史悠久，最早的记录可以追溯到唐代[3]，其文化内涵丰富，是种种民间艺术的发源地。因此，火炕系统仍有其研究的必要性和价值意义。从节能潜力和文化价值考虑，有必要对火炕进行优化设计。

近年来，学者从民俗文化、农学、建筑物理等多个学科角度对传统火炕做了深入研究。周小花、李德生[3-4]从历史文化的角度探讨了炕字的来源和炕头文化的内涵；何萍[5]从类型学角度对比中国西北与东北地区传统火炕的类型、构造做法及材料装饰，得出两地火炕及其炕文化的演进互动关系和地域特征；郭继业、徐洪波等[6-7]对火炕内部构造进行了详细介绍，通过设置炕梢分烟墙和烟插板来改变烟气的流动速度和流动方式，提高了火炕的传热性能；闫树睿等从设计角度对传统炕灶体系供暖的唐山乡村住宅平面进行优化设计，改善了住宅的供暖、私密性和舒适性；竟峰等[8]从节能角度设计了一种太阳能炕供暖系统，将蓄热池与火炕结合，利用太阳能和炊事余热，达到节能效果；陈月、马秀琴、贺晓杨等[9]从材料优化角度利用多孔铝介质良好的导热性，与石蜡组成复合相变材料，改善了石蜡导热系数小、热阻大的缺点，减缓了热量损失速度；崔玉清、季杰、何伟等[10]从系统组合优化角度提出Trombe墙与太阳能炕相结合的新型太阳能采暖系统并建立理论模型，提高了太阳能利用率和室内热舒适的稳定性。

本文通过梳理传统火炕平面布局、节能优化及系统组合演进，从建筑布局、供能模式、炕体构造三个层面进行综合优化，提出复合型太阳能吊炕系统，实现主被动结合的采暖模式及炕系统与建筑的一体化设计，吸取传统火炕的采暖形式，克服单一太阳能采暖系统运行的缺陷，改善室内生活起居环境，满足乡村居民的现代生活需求。

1 传统火炕类型及特征

1.1 汉族一字炕

一字炕（图1）在我国北方汉族民居中广泛使用，炕体直接建造在地面上，由灶台、炕体、烟囱三部分构成。一字炕常设在居室南侧，其大小取决于房间的几何形状。炕体内部构造依据烟道形态可分为垂直烟道、水平烟道、花洞烟道和回转烟道（图2）。一字炕在使用中常与火墙结合设置，火墙为内部中空的走烟墙体，可充分利用烟气余热。

1.2 朝鲜族满铺炕

1.3 满族万字炕

满族卧室布局最大的特点是环室三面筑火炕（图5），南北炕通过西炕相连，俗称万字炕。一般南、北炕为大炕，西炕为窄炕，下通烟道。满族文化以西为尊，居民将西炕看作最神圣的地方，作祭祀、信仰之用，日常活动在南炕进行，北炕用来干燥谷物。万字炕拥有较大的炕板面积，烟道较难布置，形式可分为平行烟道和回转烟道（图6）。万字炕由火炉、炕体、跨海烟囱共同构成，其中跨海烟囱是满族民居的典型特征。

1.4 蒙古族半圆炕

蒙古族火炕的构造元素有：炕面、炕洞、烟道、焚火口、火炉盘、烟囱等，火炕正对房门。由于蒙古包平面呈圆形，其火炕形态为半圆状，烟道做成弧形并环绕蒙古包（图7，8）。蒙古族文化中，包内正对大门的方向最为尊贵，称为上首，作为供奉和祭祀之用[5]。

2 炕系统组合模式演进

传统火炕虽具备防潮御寒的生态优势，但传热效率低，无法有效改善室内整体热环境，而且存在炕面温度分布不均、污染重的缺点，通过不断优化火炕系统组合模式，可以满足居民的现代生活需求。

2.1 火墙式火炕系统组合

火墙式火炕在炕体侧墙内置烟道和燃烧室，烟气既能通过炕体向室内传递热量，又可直接加热火墙向室内辐射热量（图9，10）。火墙依据内部构造可分为横洞火墙、吊洞火墙和花洞火墙，两面散热增加了散热面积。值得注意的是，使用一段时间需掏出内洞落灰，否则会降低传热效率，甚至引发爆炸。火墙可在灶台间歇期独立工作，有效提升室内热环境，但火墙式火炕双烟道的工作方式，会导致其使用时温度过高，烟气热量传递不充分，热损失达26.3%[12]。

1 汉族一字炕布局

2 汉族一字炕烟道形式

3 朝鲜族满铺炕布局

2.2 高效预制吊炕和土暖气热水循环系统组合

为有效改善室内热环境，满足人体的热舒适需求，在采用预制组装吊炕实现双面散热的基础上，配合农宅土暖气热水循环系统。在火炉炉膛处安装铸铁拱形水套，内接供回水管系统及室内土暖气，在炉膛内增设炉箅子，将落地燃烧改为在炉箅子上燃烧，增大燃料与氧气的接触面积（图11）。同时为应对烟道流程短、散热不充分的问题，将吊炕烟洞改为倒卷帘式，侧壁红砖替换成导热系数大的散热钢板。

系统操作原理为：水箱向水管注水至漂浮阀自动关闭，燃烧加热拱形水套中的循环水，开启水泵形成机械循环，使热水通过水管进入水暖气，向室内供暖（图12）。炉膛上方的拱形水套能保护炕头不被直接烘烤，改善了传统火炕炕头表面过热问题。这种组合模式较传统火炕能提高21.2%的供暖效率，室内温度提高5.7℃[13]，有效减少CO、SO2等有害气体的排放。

2.3 太阳能吊炕和Trombe 墙系统组合

太阳能炕系统主要用于加热炕体，保障炕面温度在30.5～35.0℃范围内，满足人体的热舒适要求[14]，在炕底铺设绝缘层和铝箔反射层，使热量向上辐射，以热水为媒介，采暖加热管采用回形铺设，改善了传统炕面温度分布不均的问题。Trombe 墙用于加热室内空气，兼具太阳能集热器的功效，利用绿色能源调节房间的热舒适性。墙体由玻璃层和蓄热墙构成，当太阳光穿透玻璃，玻璃与蓄热墙之间的空气层被加热产生对流，热气在夏季被释放至室外，冬季则引入室内（图13）。由太阳能吊炕和Trombe 墙构成的供暖系统可保证炕面温度，室温比单独的太阳能炕提高4～5℃[10]。随空气集热器的出现，集成平板集热器和Trombe 墙的设计理念，提高了太阳能的利用率，更好地调节室内热环境（图14）。

3 复合型太阳能吊炕系统设计

复合型太阳能吊炕是基于太阳能吊炕和Trombe墙系统的演进，综合现代农宅布局、改良后炕体构造和复合蓄能材料的优势，可以实现主被动结合的采暖模式及炕系统与建筑的一体化设计。

信息技术教育教学应用意识不够强很多青年教师没有切实地把信息技术运用到实际教学环境中，没有引导学生主动利用信息技术工具进行学习[2]，是因为他们参加信息技术教育应用培训较少，对于信息技术认识不足，从而导致教学应用意识不强。

3.1 农宅平面布局优化

在农村住宅中，炕灶的位置布局能满足不同的使用需求。旧式住宅的灶台位于正房堂屋里，烹饪过程在一定程度上影响了卧室和堂屋的空气质量，造成厨房与正房入口空间的功能嵌套。将吊炕设置在卧室北侧（图15），可使厨房独立出来，既能有效避免厨房与堂屋的流线交叉，提供良好的室内环境，又能充当卧室保温层抵御北风[15]，达到被动式采暖的效果。

3.2 主被动供能模式结合

太阳能吊炕采暖系统由太阳能集热器、空气集热器、水箱、水泵、炕体构成，太阳能集热器设置在屋顶，用于加热水箱，间接加热炕体；空气集热器安装在农宅南墙窗户两侧，用于接收太阳辐射，加热流道内空气，在热虹吸作用下不断置换室内的冷空气，达到室内采暖的效果；同时在太阳能炕下设烟气通道，综合利用炊烟余热。据测算，每套太阳能炕系统全年可节省标准煤近700kg，白天太阳能保证率高于65%，夜间高于90%，满足采暖要求的时间占全部采暖期的95%以上[16]。

3.3 吊炕构造和材料改良

4 朝鲜族满铺炕烟道形式

5 满族万字炕布局

6 万字炕烟道形式

7 蒙古半圆炕8 蒙古半圆炕烟道

9 火墙式火炕平面图

将烟气进气口和流出口设置在同一侧，并将两口连通，部分高温气体直接流向出口，使烟囱出口端与外界空气的压差变大，形成被动式抽烟效应，有效防止传统火炕烟气倒流现象[17]。为避免烟道热气在灶炉停火后快速散失，需在排烟口和灶门处增设插板，在燃烧结束后，关上插板，使炕内形成封闭系统，减缓热量散失，同时在炕壁铺设厚度为50mm的挤塑板保温材料，提高炕体的综合保温性能。此外，减少炕洞的支撑立柱，充分释放炕洞空间，在炕梢设置人字形缓流式分烟墙，既加快炕头的排烟速度，又延长烟气在炕梢处的停留时间，改善炕头炕梢温差大的问题。

炕面和炕壁材料应有效改善炕面温度分布不均、升温慢、降温快等问题，具备蓄放热性能高、储热密度大、化学稳定性好、成本低等特性，可采用石蜡、混凝土组成的复合蓄热材料作为填充层，内置回型供暖水管[18]。考虑到这两种材料导热系数小、热阻大的缺陷，在上层铺设高孔隙率的泡沫铝和蜂窝铝板作为导热介质，共同应用到相变蓄能炕中（图16）。该组合炕面平均温度比纯石蜡炕高3.27℃，升温速率快16.5%[9]。

10 火墙式火炕剖面图

4 结语

传统火炕作为中国北方独特的农宅构造，从唐代延续至今。中国农业人口众多，农宅采暖耗能巨大，火炕有其存在的必要性，并具有节能潜力和历史文化价值。本文通过梳理炕的相关文献，从传统类型、节能技术、布局形式和系统组合等方面进行归类整合，基于节能减排和布局优化的原则，提出主被动结合采暖的复合型太阳能吊炕系统设计，以期对未来炕系统的改进提供一定的理论依据和设计借鉴。