李金平，李紅博，鄭 健，關(guān)文靜，文小兵，王 磊

（1. 蘭州理工大學(xué)西部能源與環(huán)境研究中心，蘭州 730050；2. 西北低碳城鎮(zhèn)支撐技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心，蘭州 730050；3. 甘肅省生物質(zhì)能與太陽(yáng)能互補(bǔ)供能系統(tǒng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，蘭州 730050；4. 蘭州理工大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，蘭州 730050；5. 甘肅省臨洮縣農(nóng)村能源管理辦公室，定西 743000）

·農(nóng)業(yè)生物環(huán)境與能源工程·

架空炕與傳統(tǒng)落地炕熱性能對(duì)比試驗(yàn)

李金平1,2,3,4，李紅博1,2,3,4，鄭 健1,2,3,4，關(guān)文靜1,2,3,4，文小兵5，王 磊1,2,3,4

（1. 蘭州理工大學(xué)西部能源與環(huán)境研究中心，蘭州 730050；2. 西北低碳城鎮(zhèn)支撐技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心，蘭州 730050；3. 甘肅省生物質(zhì)能與太陽(yáng)能互補(bǔ)供能系統(tǒng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，蘭州 730050；4. 蘭州理工大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，蘭州 730050；5. 甘肅省臨洮縣農(nóng)村能源管理辦公室，定西 743000）

為了解架空炕與落地火炕升溫特性、熱效率等方面的特性，依據(jù)國(guó)家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)甘肅省臨洮縣傳統(tǒng)落地火炕與2016年新推廣的架空炕進(jìn)行了熱性能的對(duì)比試驗(yàn)，研究了炕面溫度分布、炕面升溫降溫速率、排放煙氣溫度、炕溫對(duì)室內(nèi)溫度的影響以及架空炕的節(jié)能減排等性能，研究結(jié)果表明：架空炕和落地火炕炕面平均升溫速率分別為2.2和0.9 ℃/h；煙氣熱量能被架空炕充分地吸收利用，架空炕煙氣排放平均溫度較落地火炕煙氣排放平均溫度低 36.1℃；架空炕和落地火炕的熱效率分別為 66.8%和 37.1%，相比傳統(tǒng)炕架空炕節(jié)柴率達(dá)到 45%；有架空炕和落地火炕室內(nèi)日平均溫度分別為 12.6和 10.8 ℃，架空炕對(duì)室內(nèi)有較好的增溫效果；與落地火坑相比，架空炕有明顯的節(jié)能減排效果，每鋪架空炕每年節(jié)省945 kg薪柴，減排CO21 069.17 kg，減排SO20.45 kg，減排NOx1.01 kg，減排PM107.4 kg，減排PM2.5為6.8 kg，架空炕的推廣應(yīng)用對(duì)中國(guó)農(nóng)村節(jié)能減排具有重要意義。

熱效應(yīng)；溫度；采暖；架空炕；落地炕；升溫特性

0 引 言

冬季采暖是中國(guó)北方農(nóng)村基本的用能需求，秸稈燒火炕是北方農(nóng)民冬季最普遍的采暖方式。目前，北方農(nóng)村地區(qū)使用落地火炕較多，然而其在結(jié)構(gòu)上存在有效煙道短、室內(nèi)換熱面積小、密封性能差、換熱熱阻大等缺點(diǎn)，導(dǎo)致其熱效率低，燃料消耗量大等問題。因此，立足中國(guó)農(nóng)村實(shí)際經(jīng)濟(jì)狀況和能源利用特點(diǎn)，對(duì)炕的結(jié)構(gòu)和性能進(jìn)行改進(jìn)或創(chuàng)新，是提高農(nóng)村居民生活質(zhì)量和保護(hù)生態(tài)環(huán)境的重要途徑[1-3]。

落地火炕在中國(guó)使用已有千百年的歷史，其搭建主要依靠民間工匠經(jīng)驗(yàn)。架空炕是近些年新興的一種節(jié)能環(huán)?？?，主要依靠建筑結(jié)構(gòu)學(xué)、流體力學(xué)及傳熱學(xué)等學(xué)科知識(shí)設(shè)計(jì)，具有熱效率高、好燒（不倒煙）、升溫快和外形美觀等優(yōu)點(diǎn)。架空炕搭建工藝不同于落地火炕，為了讓架空炕走進(jìn)千家萬戶，郭繼業(yè)等從架空炕的搭砌工藝流程到材料選型等對(duì)其進(jìn)行了詳細(xì)闡述[4]。為了探究落地炕經(jīng)常出現(xiàn)的不好燒（倒煙）現(xiàn)象，Zhuang等[5]從炕的煙氣流動(dòng)與傳熱性能方面入手，初步揭示了炕的煙氣流動(dòng)規(guī)律，解釋了炕的倒煙現(xiàn)象。為了探究炕對(duì)采暖室內(nèi)熱舒適度的影響，Cao等從理論上研究了炕采暖室內(nèi)熱環(huán)境[6-8]，以及不同建筑熱工特性條件下炕的運(yùn)行效果[9-10]，研究發(fā)現(xiàn)落地炕對(duì)室內(nèi)增溫效果有限，而架空炕能夠有效改善室內(nèi)熱環(huán)境。炕面溫度分布作為炕面熱舒適性的一個(gè)重要評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，Qian等研究了傳統(tǒng)落地火炕的表面溫度分布[11-12]、相變蓄能落地火炕炕面溫度分布的均勻性[13]及炕的蓄熱特性[14]?？坏臒嵝?、節(jié)能率和經(jīng)濟(jì)成本對(duì)農(nóng)戶來說至關(guān)重要，牛叔文等模擬研究了吊炕的熱效率[15]、燃料利用率[16]、農(nóng)村生活能源消費(fèi)的經(jīng)濟(jì)成本和環(huán)境經(jīng)濟(jì)效益[17-18]，發(fā)現(xiàn)架空炕的使用能夠有效提高燃料的利用率，具有顯著的環(huán)境經(jīng)濟(jì)效益，是現(xiàn)階段提高農(nóng)戶冬季取暖用能效率、降低經(jīng)濟(jì)支出的有效途徑。

綜上所述，專家學(xué)者關(guān)于架空炕與落地火炕的研究已經(jīng)很多，但至今還沒有關(guān)于它們熱效率、升溫降溫特性及對(duì)室內(nèi)熱環(huán)境影響等方面的對(duì)比試驗(yàn)研究，而該研究結(jié)果對(duì)于普及架空炕的優(yōu)勢(shì)性能、加速架空炕的應(yīng)用推廣、提高農(nóng)戶換炕積極性、促進(jìn)農(nóng)村采暖節(jié)能減排，減少農(nóng)民用能開支，保護(hù)生態(tài)環(huán)境具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。為此，本文對(duì)甘肅省臨洮縣落地火炕與2016年新推廣的架空炕進(jìn)行了熱性能對(duì)比試驗(yàn)研究。

1 試驗(yàn)研究

1.1 試驗(yàn)對(duì)象

本文選取了甘肅省臨洮縣龍門鎮(zhèn)三十鋪村（N35°21′，E103°57′）2棟結(jié)構(gòu)基本一樣的建筑作為研究對(duì)象。每棟建筑均 3間房屋，均坐北朝南，兩棟建筑的西側(cè)房分別建有大小均為2 m×2 m的架空炕和傳統(tǒng)落地火炕，試驗(yàn)前兩鋪炕均被農(nóng)戶正常使用。試驗(yàn)房間如圖1所示。

圖1 試驗(yàn)房屋結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure drawing of experiment houses

架空炕由炕倉(cāng)、炕底板、支柱、炕面板及煙道組成，炕倉(cāng)大小為1.5 m×0.8 m×0.5 m，炕倉(cāng)墻厚0.12 m。炕底板由4塊1 m×0.6 m×0.05 m和1塊0.5 m×0.6 m×0.05 m大小的混凝土炕板組成。炕面板由8塊0.5 m×0.6 m×0.05 m和4塊0.5 m×0.8 m×0.05 m混凝土炕板組成?？粌?nèi)煙氣循環(huán)通道長(zhǎng)×寬×高為5 m×0.36 m×0.16 m。架空炕內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖及毛坯圖，如圖2a和2b所示。傳統(tǒng)落地火炕由炕內(nèi)支柱、炕面板及炕側(cè)墻組成，其中炕內(nèi)支柱及炕面板均以土坯為建筑材料。落地火炕示意圖如圖2c所示。兩鋪炕建筑材料物性參數(shù)如表1所示。

1.2 測(cè)試方案

測(cè)試儀器：測(cè)試中使用了生產(chǎn)廠家、型號(hào)、量程及精度均一致的2套儀器儀表，儀器參數(shù)如表2所示。

測(cè)試內(nèi)容：炕面溫度、煙氣溫度、室內(nèi)外溫濕度、圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)壁面溫度等參數(shù)。試驗(yàn)條件：試驗(yàn)房間和兩鋪炕大小布局均相同。燃料采用自然風(fēng)干的薪柴。試驗(yàn)前兩鋪炕均處于正常使用狀態(tài)，火炕各部分不漏煙。測(cè)點(diǎn)布置：炕面和煙氣溫度測(cè)量依照NY/T 58-2009《民用火炕性能試驗(yàn)方法》及JGT/T 358-2015《農(nóng)村火炕通用技術(shù)規(guī)程》實(shí)施，炕面共設(shè)9個(gè)測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)1～3、4～6、7～9所處位置分別為炕頭、炕中和炕梢位置，煙氣溫度的測(cè)點(diǎn)設(shè)置在火炕出煙口截面向內(nèi)10 cm中心處[19-20]?；鹂幻總€(gè)側(cè)壁溫度測(cè)量均選取 3個(gè)測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)位置為各個(gè)側(cè)壁對(duì)角線上四等分點(diǎn)處。現(xiàn)場(chǎng)測(cè)點(diǎn)布置照片如圖 2d和 2e所示。室內(nèi)濕度及風(fēng)速測(cè)點(diǎn)位置為測(cè)試房間的中心，室內(nèi)溫度測(cè)量設(shè)有 5個(gè)測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)位置為房間正中且距地面高度分別為0.1、0.6、1.1、1.7和2 m[21-22]。

試驗(yàn)采用對(duì)比分析的方法，落地炕與架空炕每次添加相同質(zhì)量的薪柴，試驗(yàn)所用燃料質(zhì)量根據(jù) NY/T 58-2009《民用火炕性能試驗(yàn)方法》[20]及當(dāng)?shù)剞r(nóng)戶經(jīng)驗(yàn)綜合確定。每次由同一試驗(yàn)人員將1.5 kg玉米葉和3 kg碎木屑均勻地鋪在兩鋪炕炕倉(cāng)內(nèi)。每天每鋪炕燒火 2次，為了確保兩鋪炕炕倉(cāng)內(nèi)燃料在同一時(shí)間點(diǎn)火燃燒，故兩名試驗(yàn)人員約定在09:45與16:30同時(shí)點(diǎn)火。試驗(yàn)中室內(nèi)外溫度、濕度、炕面溫度等參數(shù)均通過安捷倫34972A數(shù)據(jù)采集儀間隔10 s采集和存儲(chǔ)1次。

測(cè)試時(shí)間為2016年11月4日至2016年11月18日。本文選取11月10日系統(tǒng)運(yùn)行良好的數(shù)據(jù)對(duì)炕面溫度分布、排放煙氣溫度、炕側(cè)壁溫度以及室內(nèi)外溫濕度進(jìn)行了對(duì)比分析。

圖2 兩鋪炕示意圖及炕面測(cè)點(diǎn)布置Fig.2 Diagram of two types of kang and location of measured points

表1 材料物性參數(shù)Table 1 Material parameters

表2 儀器參數(shù)Table 2 Instrument parameter

1.3 火炕熱效率、炕面升溫及降溫速率計(jì)算方法

1.3.1 炕體熱效率定義

火炕有效利用的熱量（即從炕體散入室內(nèi)的熱量）占輸入炕內(nèi)的熱量的百分比[23]。計(jì)算公式

式中cQ和rQ分別為炕體以對(duì)流和輻射形式散入室內(nèi)的熱量，kJ；q為標(biāo)煤熱值29.307 MJ/kg。

EX為薪柴總量折合標(biāo)煤量，計(jì)算式為

式中n為薪柴種類總數(shù)；ei表示用戶第i種能源用能量；為第種能源折合標(biāo)準(zhǔn)煤的系數(shù)。

1.3.2 對(duì)流散熱量

炕散熱面的對(duì)流換熱過程按照無限大水平或者豎直平板自然對(duì)流處理[24]。計(jì)算公式

式中h為炕面對(duì)流換熱系數(shù)，W/(m2·℃)；A為散熱面積，m2；tΔ為散熱面與室內(nèi)空氣溫差，℃。

炕面對(duì)流換熱系數(shù)h計(jì)算式為

式中Nu為努賽爾數(shù)；λ為空氣導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K)；L為特征長(zhǎng)度，m。

對(duì)于熱面向上的情形，Nu努賽爾數(shù)計(jì)算式

式中Gr為格拉曉夫數(shù)；Pr為普朗特?cái)?shù)。

1.3.3 輻射散熱量

式中εs為系統(tǒng)發(fā)射率；σ為黑體輻射常數(shù)，5.67×10–8W/ (m2·K4)；T1為炕面平均溫度，K；T2為室內(nèi)壁面平均輻射溫度，K。

1.3.4 炕面升溫及降溫速率及節(jié)柴率

炕面升溫速率：火炕升溫階段，單位時(shí)間內(nèi)炕面平均溫度與炕面初始平均溫度之差，表示火炕升溫的快慢，計(jì)算公式參照文獻(xiàn)[20]。

炕面降溫速率：?；鸷髥挝粫r(shí)間內(nèi)，升溫階段結(jié)束時(shí)刻的炕面瞬時(shí)平均溫度與降溫階段結(jié)束時(shí)刻的炕面瞬時(shí)平均溫度之差，表示火炕的保溫性能，參照文獻(xiàn)[20]、[25]。

節(jié)柴率：架空炕與落地炕向室內(nèi)傳遞相同熱量時(shí)，采用架空炕比落地炕少燃燒的柴薪與采用落地炕時(shí)燃燒薪柴質(zhì)量的比值稱為節(jié)柴率。

2 結(jié)果與分析

2.1 炕面溫度分布分析

對(duì)圖3a和3b分析可知，09:45點(diǎn)火后，架空炕炕面在09:55開始升溫，落地火炕炕面直到11:50才開始升溫。16:30點(diǎn)火后，架空炕炕面在16:43開始升溫，傳統(tǒng)火炕炕面直到17:30才開始升溫，架空炕炕面升溫速率明顯大于落地火炕。從圖3c可以看出，架空炕與落地炕炕面日平均溫度波動(dòng)區(qū)間分別為61.6～52.7和51.6～44.3 ℃，可見架空炕炕面溫度顯著高于落地炕面，使得室內(nèi)熱舒適度顯著提高。主要原因是架空炕炕面材料為預(yù)制混凝土塊，而落地火炕炕面材料主要為黏土，而混凝土塊的蓄熱和導(dǎo)溫特性均優(yōu)于黏土塊，2種炕體材料熱物性如表1所示[26]。架空炕測(cè)點(diǎn)2與測(cè)點(diǎn)5溫度明顯高于其他測(cè)點(diǎn)，因?yàn)闇y(cè)點(diǎn)2與測(cè)點(diǎn)5正好處于架空炕炕倉(cāng)正上方位置，其溫度過高導(dǎo)致炕面溫度不均勻度增加，炕面舒適度降低，還存在火災(zāi)隱患，因此，本研究所用架空炕炕面材料和結(jié)構(gòu)還需改進(jìn)和提高。

2.2 炕頭、炕中、炕梢溫度分布分析

通過對(duì)圖 4對(duì)比分析可以得出，架空炕的炕頭（測(cè)點(diǎn)1、2、3）、炕中（測(cè)點(diǎn)4、5、6）和炕梢（測(cè)點(diǎn)7、8、9）的溫度均高于傳統(tǒng)落地火炕的炕頭、炕中和炕梢溫度。點(diǎn)火后，架空炕各個(gè)部位升溫明顯，升溫曲率較大，但同時(shí)降溫曲率也較大。傳統(tǒng)火炕炕頭、炕中和炕梢升溫曲率較小且降溫曲率也較小。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，架空炕頭溫度峰值較炕中和炕梢溫度峰值提前，因?yàn)榭活^靠近炕門，點(diǎn)火后炕倉(cāng)中靠近炕門的引火物（玉米葉）得到充足的新空氣首先燃燒且燃燒較劇烈，因此炕頭首先達(dá)到溫度峰值。隨著燃燒過程的進(jìn)行，著火范圍由炕門附近向里推進(jìn)，從而炕中和炕梢達(dá)到峰值時(shí)間較炕頭遲。

2.3 炕排放煙氣溫度變化分析

對(duì)圖 5分析可知，架空炕煙氣出口溫度明顯低于落地炕煙氣出口溫度。炕倉(cāng)點(diǎn)火后，傳統(tǒng)炕煙氣出口溫度隨即出現(xiàn)峰值，且煙氣最高排放溫度為 150.8 ℃。架空炕煙氣出口溫度一直處于較低水平，排放煙氣的最高溫度僅為48.1 ℃。傳統(tǒng)炕煙氣出口平均溫度高于架空炕煙氣出口平均溫度36.1 ℃。導(dǎo)致出現(xiàn)之一現(xiàn)象的原因是架空炕對(duì)炕內(nèi)煙道進(jìn)行了改進(jìn)，架空炕炕體內(nèi)部設(shè)計(jì)有長(zhǎng)×寬×高為5 m×0.36 m×0.16 m的煙氣循環(huán)通道，這不僅增大了高溫?zé)煔馀c炕體的換熱面積且延長(zhǎng)了煙氣在炕體內(nèi)的停留時(shí)間，高溫?zé)煔庠跓煹纼?nèi)充分換熱后才排出煙囪，煙氣熱量得以充分利用。而傳統(tǒng)火炕煙道短，燃料燃燒后的高溫?zé)煔庵苯优畔虼髿?，煙氣大部分熱量未被利用?/p>

圖3 炕面溫度分布Fig.3 Faceplate temperature distribution

圖4 炕頭（測(cè)點(diǎn)1、2、3）、炕中（測(cè)點(diǎn)4、5、6）和炕梢（測(cè)點(diǎn)7、8、9）分別對(duì)應(yīng)測(cè)點(diǎn)的均值Fig.4 Mean temperature of head (point 1, 2, 3), center(point 4, 5, 6) and end (point 7, 8, 9) of two kinds of kang

圖5 煙氣溫度對(duì)比Fig.5 Contrast of exhaust gas temperature

2.4 炕側(cè)壁溫度分布分析

對(duì)圖 6分析可以得出，架空炕側(cè)壁最高、平均和最低溫度分別為 19.4、17.0和 18.0 ℃，落地火炕分別為16.3、13.7和15.1 ℃。架空炕側(cè)壁最高和平均溫度分別高出傳統(tǒng)炕側(cè)壁最高和平均溫度3.1和2.9 ℃。架空炕西側(cè)壁溫度高于架空炕北側(cè)溫度，因?yàn)闊煔庠跓煹纼?nèi)的走向?yàn)橛晌鞯奖痹俚綎|后排出煙囪，煙氣溫度在煙道內(nèi)逐漸降低造成西側(cè)壁高于北側(cè)壁。傳統(tǒng)炕北側(cè)壁與西側(cè)壁溫度基本一致且均小于架空炕側(cè)壁，因?yàn)?2種炕炕體內(nèi)結(jié)構(gòu)不同導(dǎo)致炕側(cè)壁溫度不同。

圖6 架空炕與傳統(tǒng)炕側(cè)壁溫度分布對(duì)比Fig.6 Contrast of side wall temperature distribution

2.5 室內(nèi)外溫度變化分析

從圖7a可以看出，架空炕采暖室內(nèi)溫度高于落地炕采暖室內(nèi)，在整個(gè)測(cè)試周期內(nèi)，架空炕采暖室內(nèi)日平均溫度在 10.5～13.3 ℃之間波動(dòng)，而落地炕室內(nèi)溫度波動(dòng)范圍為9.1～12 ℃。從圖7b可以看出，環(huán)境溫度晝夜溫差大，但架空炕與傳統(tǒng)炕室內(nèi)均由于火炕的加熱作用，室溫在較窄的范圍內(nèi)波動(dòng)。進(jìn)一步分析可知，室外最高、平均和最低氣溫分別為16.6、5.4和–2.8 ℃，架空炕采暖室內(nèi)分別為 16.8、12.6和 9.7 ℃，而落地炕采暖室內(nèi)分別為 13.2、10.8和 8.3 ℃。架空炕對(duì)室內(nèi)的增溫效果較落地炕顯著，主要因?yàn)榧芸湛坏撞考芸?，底板架空面積占整個(gè)底板面積的 65%，使得架空炕散熱表面積增大為落地炕的1.4倍，且架空炕各個(gè)散熱面溫度均高于落地火炕的各個(gè)散熱面溫度。目前西北農(nóng)村單體建筑均未對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行保溫處理，隨著環(huán)境溫度降低，室內(nèi)外溫差增大時(shí)，房屋散熱量增大，導(dǎo)致室內(nèi)熱舒適度降低。

2.6 室內(nèi)外相對(duì)濕度變化分析

從圖 8可以看出，架空炕與傳統(tǒng)炕室內(nèi)濕度均處于《室內(nèi)空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》范圍且同時(shí)滿足炕熱性能測(cè)試時(shí)室內(nèi)濕度小于 85%的測(cè)試條件。架空炕和傳統(tǒng)落地火炕室內(nèi)相對(duì)濕度平均值分別為36.4%和44.3%，室外相對(duì)濕度為51.4%。落地炕室內(nèi)濕度從13:00–15:00點(diǎn)有一個(gè)降低的過程是因?yàn)樽暨M(jìn)行了開門通風(fēng)，導(dǎo)致室內(nèi)濕度下降。

圖7 室內(nèi)外溫度Fig.7 Room and outdoor temperature

圖8 室內(nèi)外濕度Fig.8 Relative humidity in room and outdoor

2.7 兩種火炕熱性能及差異顯著性分析

為了保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，本文剔除了第 1天開始測(cè)量時(shí)的數(shù)據(jù)，依據(jù)1.3小節(jié)所闡述的公式對(duì)架空炕和落地火炕的炕面平均溫度、升溫和降溫速率以及熱效率進(jìn)行計(jì)算，再求其14 d數(shù)據(jù)算數(shù)平均值。結(jié)果表明，架空炕的熱效率為66.8%比落地火炕的37.1%高出29.7個(gè)百分點(diǎn)，架空炕與落地炕相比節(jié)柴率達(dá)到 45%。架空炕炕面平均溫度為 58.0 ℃，比落地火炕平均溫度 48.3 ℃高出 9.7 ℃，架空炕炕面升溫速率為 2.2 ℃/h，比落地火炕0.9 ℃/h高出1.3 ℃/h，可見架空炕熱性能優(yōu)勢(shì)明顯。如表3所示。

為分析 2種炕對(duì)炕面溫度、室內(nèi)溫度以及煙氣排放溫度影響的差異顯著性，依據(jù)14 d的測(cè)量數(shù)據(jù)，分別對(duì)兩種的炕面溫度、室內(nèi)溫度以及煙氣排放溫度進(jìn)行了單因素方差分析，見表4。結(jié)果表明，F(xiàn)值均大于F臨界值，P值遠(yuǎn)小于0.01，結(jié)果表明架空炕與落地炕這2種類型對(duì)炕面溫度、室內(nèi)溫度以及煙氣排放溫度具有極顯著影響，差異顯著性明顯。

表3 架空炕與落地火炕熱性能參數(shù)Table 3 Thermal property parameters of suspended and traditional kangs

2.8 架空炕節(jié)能減排效益分析

傳統(tǒng)落地火炕每鋪炕年均需秸稈 2 500 kg或薪柴2 100 kg，則每鋪架空炕比落地炕每年節(jié)省薪柴945 kg，按薪柴折合標(biāo)煤系數(shù)0.571計(jì)算，則每年每鋪架空炕節(jié)省標(biāo)煤540 kg，按每噸煤炭折合0.714 3 t標(biāo)準(zhǔn)煤[27]和當(dāng)?shù)孛禾績(jī)r(jià)格1 000元/t計(jì)算，每鋪架空炕每年可節(jié)省756元的經(jīng)濟(jì)支出。臨洮縣建造每鋪架空炕總費(fèi)用為1 320元，則每鋪架空炕投資回收期為1.8 a。

表4 炕面、室內(nèi)及排放煙氣溫度方差分析Table 4 Analysis of variance for faceplate temperature of kang,room temperature and exhaust gas temperature

依據(jù)臨洮縣農(nóng)村能源管理辦公室提供的數(shù)據(jù)，臨洮縣農(nóng)村總戶數(shù)為14.38萬戶，按平均每戶2鋪炕計(jì)算，全縣共有28.76萬鋪炕，每年消耗薪柴6.04×105t以上，折合標(biāo)準(zhǔn)煤3.45×105t。如果將落地火炕全部改為架空炕，則每年可節(jié)省柴薪2.72×105t，折合標(biāo)準(zhǔn)煤1.55×105t。

按1 kg柴薪排放CO21 131.40 g，排放SO20.48 g，排放NOx1.07 g，排放PM107.83 g，排放PM2.57.20 g計(jì)算[28]，則每鋪架空炕每年減排CO2為1 069.17 kg，SO2為0.45 kg，NOx為1.01 kg，PM10為7.40 kg和 PM2.5為 6.80 kg。如果臨洮縣農(nóng)村住戶全部改用架空炕取暖，全縣每年可減排CO2達(dá)3.08×105t，減排SO2達(dá)130.45 t，減排NOx達(dá)290.81 t，減排PM10達(dá)2 128.05 t，減排PM2.5達(dá)1 956.83 t。

按溫室氣體 CO2和 SO2的環(huán)境排放成本系數(shù)分別為0.1和0.945元/kg計(jì)算[29]，則每鋪架空炕比落地炕每年節(jié)省環(huán)境成本為 107.3元，全縣每年節(jié)省環(huán)境成本為3 085.95萬元。

3 結(jié) 論

1）架空炕底部架空，底板架空面積占整個(gè)底板面積的 65%，使得炕體向室內(nèi)散熱面積增大為落地炕的 1.4倍，且架空炕向室內(nèi)散熱面的溫度均高于落地火炕。架空炕較落地火炕37.1%熱效率提高29.7個(gè)百分點(diǎn)，達(dá)到66.8%，使得架空炕較落地炕采暖室內(nèi)增溫效果顯著，室內(nèi)熱舒適度顯著提高。

2）架空炕上下炕板全部使用預(yù)制混凝土塊替代了落地炕使用的黏土材料。預(yù)制混凝板優(yōu)越的蓄熱、傳熱性能和機(jī)械強(qiáng)度使得架空炕堅(jiān)固耐用，升溫階段升溫迅速，架空炕平均升溫速率為2.2 ℃/h比落地炕0.9 ℃/h高出1.3 ℃/h。

3）根據(jù)流體力學(xué)和傳熱學(xué)原理，架空炕內(nèi)部設(shè)計(jì)有長(zhǎng)×寬×高為5 m×0.36 m×0.16 m的煙氣循環(huán)通道，不僅增大了高溫?zé)煔馀c炕體的換熱面積且延長(zhǎng)了煙氣在炕體內(nèi)的停留時(shí)間，使得高溫?zé)煔獾臒崃勘豢惑w充分吸收利用。

4）架空炕與落地火炕相比節(jié)柴率達(dá)到45%，每鋪架空炕每年節(jié)省薪柴945 kg，折合標(biāo)煤540 kg，直接節(jié)省經(jīng)濟(jì)支出756元，每鋪架空炕投資回收期為1.8 a。每鋪架空炕每年減排CO2為1 069.17 kg，減排SO2為0.45 kg，減排NOx為 1.01 kg，減排 PM10為 7.40 kg，減排 PM2.5為6.80 kg。節(jié)能減排效益優(yōu)勢(shì)突出。

5）以2015年至2016年甘肅省臨洮縣農(nóng)村能源站在13個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)的13個(gè)村推廣的350鋪架空炕為例，建設(shè)每鋪架空炕的投資為1 320元，政府補(bǔ)貼1 200元，農(nóng)戶自籌120元，享受補(bǔ)貼的農(nóng)戶參與換炕的積極性高，使用后滿意度高。

如果政府不參與補(bǔ)貼的情況下，目前農(nóng)戶家里均建有落地火坑，換炕不僅需要扒徹舊炕，而且還要投入資金建設(shè)新炕，加之政府對(duì)架空炕的優(yōu)勢(shì)性能宣傳力度不足，示范工程影響范圍有限，因此農(nóng)戶參與換炕的積極性不高。目前農(nóng)村住宅均未對(duì)建筑外墻進(jìn)行保溫，夜間房屋散熱量較大，降低架空炕對(duì)室內(nèi)的增溫效果，推廣受到限制。雖然架空炕具有種種優(yōu)勢(shì)，但也存在缺點(diǎn)需加以改進(jìn)：升溫階段，炕倉(cāng)正對(duì)上方炕面部位溫度過高，從而降低了炕面整體的熱舒適度，需進(jìn)一步改進(jìn)炕倉(cāng)結(jié)構(gòu)，或炕倉(cāng)正對(duì)上方炕面板材質(zhì)和材料厚度；煙氣出口處需增設(shè)擋煙板，當(dāng)炕倉(cāng)燃料燃盡后，使用前后煙插板可使炕倉(cāng)內(nèi)部形成一個(gè)封閉空間，減少熱量外流損失?？傊芸湛挥衅涿黠@的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，架空炕其節(jié)能環(huán)保性對(duì)農(nóng)宅室內(nèi)熱環(huán)境改善、人民生活水平提高、能源可持續(xù)利用、農(nóng)村城鎮(zhèn)化加快以及社會(huì)主義新農(nóng)村建設(shè)具有重要作用和意義。

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Contrast test of thermal properties of suspended kang and traditional landed kang

Li Jinping1,2,3,4, Li Hongbo1,2,3,4, Zheng Jian1,2,3,4,Guan Wenjing1,2,3,4, Wen Xiaobing5, Wang Lei1,2,3,4
(1.Western China Energy＆Environment Research Center, Lanzhou University of Technology, Lanzhou730050, China;2.China Northwestern Collaborative Innovation Center of Low-carbon Urbanization Technologies, Lanzhou730050,China;3.Key Laboratory of Energy Supply System Drived by Biomass Energy and Solar Energy of Gansu Province, Lanzhou730050,China;4.College of Energy and Power Engineering, Lanzhou University of Technology, Lanzhou730050,China;5.Lintao County Rural Energy Management Office, Dingxi743000,China)

Winter heating is the basic energy demand in the northern China. As the most common heating device, kang is popularly used in Northern China. However, there are a lot of shortcomings for the traditional landed kang, such as large thermal inertia, low temperature increase rate, high energy consumption, low thermal efficiency, and so on. Therefore, it is of great significance to develop and spread a new structured and high-efficient kang. Suspended kang is raised above the floor on columns, which is different from the traditional kang on the ground. Many researches showed that suspended kang took many advantages over the traditional landed kang, such as small thermal inertia, fast heating, low energy consumption, and so on.Meanwhile, tests have not been carried out to study the increasing temperature characteristics and thermal efficiency of the suspended kang in comparison with the traditional landed kang at home and abroad. Therefore, according to the national standard, the contrastive experiment was conducted to investigate the thermal performance of the traditional kang and the newly promoted suspended kang in Lintao County of Gansu province in 2016. The temperature of kang, exhaust gas and the indoor and outdoor, as well as other parameters were measured. The heating rate and thermal efficiency and other relative property parameters of two kinds of kangs were analyzed. The two kinds of kangs were respectively set in different experimental rooms. The size of the two kangs and houses were similar, as well as the layout and the orientation of two houses were same. The experiment was operated from November 4th to November 18th, the two kangs burning the same amount of fuel were heated 2 times every day at 09:45 and 16:30, respectively. The Agilent's Bench Link data logger was used to record and storage the experimental data with interval 10 s. The research results showed that the thermal efficiency of suspended kang and traditional kang were 66.8% and 37.1%, respectively. Every year each suspended kang saved standard coal 540 kg than that of the traditional kang, saving firewood rate was 45%. In addition, the faceplate average temperature of the suspended kang and the traditional kang were 58 and 48.3 ℃, respectively. Suspended kang with precast concrete block was instead of the traditional kang with clay material or mud bricks, due to the difference of material thermal inertia and heat storage properties and structure of kang, which caused suspended kang warming rapidly. The average heating rate of heating stage of the suspended kang and traditional kang was 2.2 and 0.9 ℃/h, respectively. The average cooling rates of cooling stage of suspended Kang and traditional Kang were 0.8 and 0.1 ℃/h, respectively. The suspended kang flue pipe design was very reasonable and the heat of exhaust gas was fully utilized, the average temperature of exhaust gas was lower 36.1 ℃ than that of the traditional kang. During the test, the outdoor mean daily temperature was 5.4 ℃, mean daily room temperature with suspended kang was 12.6 ℃, while mean daily room temperature with the traditional kang was 10.8 ℃. Compared with the traditional kang, suspended kang has obvious effect of energy saving and emission reduction in China‘s rural areas.

thermal effect; temperature; heating; suspended kang; traditional landed kang; temperature rise characteristic

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.14.029

TU832.1+2; S210.43

A

1002-6819(2017)-14-0210-07

李金平，李紅博，鄭 健，關(guān)文靜，文小兵，王 磊. 架空炕與傳統(tǒng)落地炕熱性能對(duì)比試驗(yàn)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2017，33(14)：210－216.

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.14.029 http://www.tcsae.org

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2017-01-22

2017-05-23

國(guó)家自然科學(xué)基金(51676094)；甘肅省國(guó)際科技合作專項(xiàng)（1604WKCA009）；甘肅省自然科學(xué)基金項(xiàng)目（1508RJYA097）

李金平，男，博士，寧夏中寧人，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事先進(jìn)可再生能源系統(tǒng)方面的研究。蘭州 蘭州理工大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，730050。Email：lijinping77@163.com