冬季工况下农村住宅相变蓄能火炕

火墙联合供暖的性能分析

冯国会，胜兴，李刚，李慧星，陆梦喆

(沈阳建筑大学 市政与环境工程学院，辽宁 沈阳，110168)

摘要：将48#石蜡相变材料封装到火炕火墙中，以提高火炕火墙的蓄热性能，从根本上提高农村住宅的节能效果和改善室内环境。利用温度和热流的巡检装置，测试相变蓄能火炕火墙与普通火炕火墙温度的变化规律，利用温度自计议对这2种类型房间的温度场进行测试。通过对比分析得出相变蓄能火炕火墙表面温度的波动幅度比普通火炕火墙的小，相变蓄能火炕火墙房间的温度场波动幅度小于普通房间的室内温度场，改善了室内热环境；表明48#石蜡相变材料应用于农村炕体蓄能的可行性，为相变蓄能火炕火墙在农村的应用提供了新思路和基础。

关键词：农村住宅；相变蓄能；火炕火墙联合供暖

中图分类号：TU832.1            文献标志码：A         文章编号：1672-7207(2012)S1-0225-09

Thermal performance analysis of combined heating of phase change Kang and Firewall for village room under winter condition

FENG Guo-hui, SHENG Xing, LI Gang, LI Hui-xing, LU Meng-zhe

(School of Municipal and Environmental Engineering, Shenyang Jianzhu University, Shenyang 110168, China)

Abstract: A kind of new encapsulation way of packaging 48# paraffin phase change material in the structure of Kang and Firewall was presented to improve its thermal performance. This method fundamentally improves energy-saving performance and the indoor thermal environment of rural residential housing. Using temperature and heat flux of inspection equipment, the change rule of temperature both phase change storage and ordinary Kang and Firewall was tested. By using automatic temperature recording devices, air temperatures of the two rooms were also tested. According to contrast and analysis of the test results, it is found that the temperature fluctuation of Kang, Firewall with phase change energy storage is smaller than the other one without phase change energy storage; the temperature fluctuation of the phase change room is smaller than the other one without phase change energy storage. So, the indoor thermal environment is improved. The research proves the advantage of 48# paraffin phase change material in Kang and Firewall and provides a new idea for the development of phase change storage Kang and Firewall.

Key words: village room; phase change storage; Kang and Firewall combined heating

火炕火墙是中国北方地区常用的采暖设施^[1]。目前，火炕使用数量巨大、应用范围广泛，据辽宁省农村能源办公室统计^[2]，2004年底中国大约有6 685万铺炕，近4 364万户农村家庭使用炕采暖；按照每户家庭平均4口人计算，约 1.75亿人口，平均每户家庭约有1.5铺炕。2006年清华大学对北方农村地区家庭能源与环境状况的调研也发现^[3]，在华北地区炕使用率达73.3%，西北地区达86.3%，东北地区达96.2%。大都集中在中国北方寒冷地区的农村住宅。近年来也有学者对炕体和农村采暖进行了探索，郭继业^[4-6]探索了吊炕的搭建技术；任洪国等^[7]研究了寒区村镇住宅火炕采暖与通风一体化的特性；庄智等^[8]及端木琳  等^[9]对架空炕采暖作用下的建筑热过程及火炕的热工性能进行了研究；张培红等^[10]采用火灾动力学模拟软件FDS410对架空炕的合理高度进行了探索；冯革宇等^[11]将相变材料Na₂SO₄·10H₂O应用于炕体来提高炕体蓄热性能；冯国会等^[12]把Na₂PO₄·2H₂O应用于火墙，提高了火墙的蓄热特性。本文作者在多年的工作基础上，对应用于火炕火墙的相变材料选取及封装形式进行优化。

1  相变材料的选取

从炕面传热的角度出发，炕表面温度越高，炕体向室内散发的热量越大。但是，人体细胞对温度的耐受力是有限的，根据医学研究^[13]，人体的细胞温度在39～41 ℃时已经属于细胞正常新陈代谢范围内的极限高温状态。人体接触温度不高于39 ℃时，细胞代谢与温度成正比;当人体细胞处于39~40 ℃的环境中   1 h，即使受到一定损伤，但仍有可能恢复；而处于40~41 ℃环境中1 h，细胞会普遍受到损伤，仅少数有可能恢复。可见，炕面温度过高，对人体健康无益。而炕面温度也不能过低，坐或卧于凉炕之上，人体会有不舒适的感觉。因此，从人体生理和舒适性要求角度出发，炕面最高温度不能高于40 ℃，参考地板辐射采暖系统的规定，最低温度不能低于24 ℃。相变材料为Na₂SO₄·10H₂O，其相变温度为32.4 ℃，溶解热为241 kJ/kg，属于无机相变材料，其存在较大的过冷度，在使用次数方面也有限制，且其价格昂贵不适宜在农村推广。本研究的相变材料重点放在相变材料的相变温度、相变潜热、使用寿命和价格方面。

经过优选和分析，工业48#石蜡在相变温度、相变潜热值、价格方面都是目前理想的应用于炕体的相变 材料，所以本试验以石蜡作为相变材料。48#石蜡是固体石蜡烃的混合物，主要含直链碳氢化合物，仅含少量支链，有良好的储热性能、较宽的熔化温度范围、较高的熔化潜热，相变较迅速，可自身成核，过冷可忽略，化学性质稳定，无毒、无腐蚀性。此外，48#石蜡价廉、资源丰富、耐用，日常生活中应用较为广泛。

1.1  48#石蜡的相变特性

利用差示扫描热仪对48#石蜡进行测试，通过分析软件确定其相变特性，其相变焓随着温度的变化特性如图1所示。

图1  48#石蜡相变焓随着温度的变化特性曲线

Fig.1  48 # paraffin enthalpy changing with temperature curve

从图1可以清晰地看到：48#石蜡的相变温度为47.69 ℃，相变温度峰值为56.51 ℃，相变区间大约在15 ℃，相变潜热为170.236 3 J/g。由于石蜡不是纯净物，所以测试期间会有另外2个小峰值出现。石蜡的其余物性由厂家提供：密度916 kg/m³ (20 ℃时)，   776 kg/m³ (70 ℃时)；比热1.7 kJ/(kg·K)(固态)，2.5 kJ/(kg·K) (液态)；导热系数0.27 W/(m·K)。

1.2  48#石蜡的封装型式

目前，相变材料和建筑材料的融合有以下几种方法^[14]：(1)将相变材料吸入多孔建筑材料中；(2)将相变材料与建筑材料直接混合；(3)将相变材料吸入分割好的特殊硅中，形成柔软可以自由流动的干粉末，再与建筑材料相混合；(4)利用封接剂将相变材料密封在建筑材料中；(5)将相变材料密封在合适的容器内，置于建筑结构内。

火炕是人们日常生活不可或缺的场所，与人直接接触，考虑到火炕的特殊结构与用途，本文作者尝试用第5种封装型式——把相变材料封装在合适的容器内，置于炕面板内。具体形式是把炕面板预制成带有沟槽的模板，如图2所示。

把相变材料放入沟槽内，为了防止液化后的石蜡向下渗透到混凝图结构内，在预制混凝土模型上表面铺上0.3 mm的镀锌板，镀锌板做成凹槽形式嵌入到混凝土模块内，此工作要在架空炕上部预制炕面板放好了再完成，目的是为了使铺完镀锌板后的炕体没有缝隙。上部用长条木板盖好，木板缝隙再用混凝土找平(见图3)，这样储存相变材料的模块就完成了。

图2  预制炕面板模型1

Fig.2  Model 1 of precast Kang panel

图3  预制炕面板模型2

Fig.3  Model 2 of precast Kang panel

2  实验台的搭建

为了验证48#石蜡应用于炕体的可行性，选取辽宁省新民市一户普通的农村住宅(图4)，在住宅东室内(图4(b)白框部分)搭建相变蓄热火炕与火墙。

2.1  相变蓄热火炕的搭建

2.1.1  架空炕尺寸及炕内结构

架空炕炕体尺寸为3 560 mm(长)×1 800 mm(宽)×35 mm(高)，炕下支柱的尺寸为120 mm(长)×120 mm(宽)×300 mm(高)。炕体由预制钢筋混凝土板组成，尺寸为1 170 mm (长=(3 560-50)/3)×600 mm (宽)×50 mm高，如图5所示。

图4  室内建筑结构图(a)和外观图(b)

Fig.4  Interior (a) and exterior (b) building structures

炕体上部与下部各9块。预制板摆放及炕内支柱结构情况如图6所示。

2.1.2  相变材料与炕体的结合

当炕上部面板搭建好后，用混凝土严实找平，进一步修砌凹槽，凹槽尺寸突起部分为30 mm(宽)×  30 mm(高)，缩进尺寸为30 mm(宽)×30 mm(深)，具体如图7和8所示。

凹槽修砌好后，把打压成型的镀锌板嵌入到凹槽内，焊接好缝隙后把48#石蜡融化后放入凹槽内，如图9所示。

相变材料放好后，上部用长条木板封盖好缝隙用混凝土填充找平，上部再铺20~30 mm的草泥灰，搭建好后的炕体如图10所示。

为了对比，在隔壁房间搭建一铺相同结构的架空炕，唯一的不同是上部没有封装相变材料。

2.2  相变材料与火墙的结合

本实验所选的农村住宅，火墙尺寸为3 560 mm(长)×30 mm(宽)×900 mm(高)，高度为地面到北窗下沿，如图11所示。

图5  炕面板钢筋摆放示意(a)及成品图(b)

Fig.5  Reinforcement placed (a) and indication (b) of Kang panel

图6  炕内结构剖面图

Fig.6  Profile of Kang

图7  预制凹槽尺寸示意图

Fig.7  Schematic diagram of precast grooves

火墙内部采用花洞式修砌，如图12所示。

火墙工作原理与火炕基本相同，且火墙表面温度要高于炕表面的。冯革宁等^[11]采用20 g+1.0 g Al₂O₃+ 1.0 g CMC作为蓄热体系，封装于D20的铝塑管中，敷设于砖墙外侧的水泥砂浆中。而Na₂HPO₄·12H₂O属于水合盐无机相变材料，不利于长久使用。本研究采用48#石蜡作为蓄热体系。

图8  预制凹槽成品

Fig.8  Finished product of precast grooves

48#石蜡与火墙的结合采用第5种封装方法——宏观封装方法。把48#石蜡封装到DN20的铁管内，与冯革宁等^[11]的封装形式不同点是把铝塑管换成了传热性能更好的铁管(48#石蜡没有腐蚀性，所以可以采用铁管)。最后，将封装了相变材料的铁管用混凝土修砌到火墙墙体上，如图13和14所示。

图9  48#石蜡相变材料与炕体的结合

Fig.9  48# paraffin encapsulated in Kang body

图10  相变炕体外观

Fig.10  Appearance of Kang with phase change heat storage

图11  火墙的位置及外观

Fig.11  Location and appearance of firewall

图12  火墙的内部结构

Fig.12  Internal structure of firewall

图13  48#石蜡相变材料与火墙的结合

Fig.13  48# paraffin encapsulated in firewall

图14  相变火墙外观

Fig.14  Appearance of firewall with phase change heat storage

为了对比，在西屋搭建一铺相同的火墙，唯一的不同就是没有封装相变材料。

3  实验测试

为了进一步验证将48#石蜡相变材料应用于炕体的可行性，采用64路巡检仪，如图15所示。

图15  64路巡检仪

Fig.15  64-temperature and heat flux inspection equipment

分别测试了相变蓄热火炕、火墙与普通火炕、火墙表面的温度，采用温度自计仪对搭建相变蓄热火炕火墙与搭建普通火炕火墙房间的温度场进行测试。

本试验采用热电偶测量炕体与火墙表面的温度，根据“中华人民共和国农业行业标准：民用火炕性能测试方法”，炕面温度测点共9个，如图16所示。

每面火墙测点共6个，如图17所示。

图16  火炕测点布置

Fig.16  Measuring points of Kang

图17  火墙温度测点布置

Fig.17  Measuring points of firewall

室内温度测点共布置24个，采用温、湿度自计议测试室内空气的温度，测点布置如图18所示。

4  相变蓄热火炕火墙与普通火炕火墙的对比分析

本实验采用对比分析的方法，2个房间的火炕火墙加热时间相同，薪柴的燃烧量相同。火炕每天生火3次，每次持续90 min (采用当地经验值)，分别为早上08:30-10:00，中午12:00-13:30，下午16:30-18:00；火墙每天生火2次，每次持续90 min (采用当地经验值)，分别为早上08:30-11:00，下午16:00-18:30。本试验测试3 d，采用最后1 d较稳定的情况来分析。对炕面平均温度、炕面温度不均匀度和炕面降温速度的计算采用民用火炕性能测试^[15]方法中的计算方法。

图18  室内测点布置

Fig.18  Measuring points of room

从图19可以看出：普通火炕的温度波动较大，达到60 ℃以上，炕面平均温度为36.15 ℃，炕面温度不均匀度达26.02 ℃，炕面降温速度为3.04 ℃/h，夜间成指数趋势下降。从图20可以看到：有相变材料的炕温度波动比普通火炕的小，大约在20 ℃，但温度分布规律不明显，这可能与凹槽的设置有关，有待进一步验证。炕面平均温度为33.48 ℃，炕面温度不均匀度为21.52 ℃，炕面降温速度为1.21 ℃/h，夜间温度下降缓慢，几乎呈水平直线。图19和20中火炕的第1次生火炕温下降不明显，可能与人为的控制燃烧时间有关，且第1次生火时间与第2次相隔较近，也是引起炕面温度下降不明显的原因。

从图21可以看出：普通火墙的温度波动较大，达到70 ℃，墙面平均温度为22.01 ℃，火墙面温度不均匀度达12.45 ℃，火墙面降温速度为6.52 ℃/h，夜间呈指数趋势下降。从图22可以看到：相变火墙的温度波动比普通火炕的小，大约在30 ℃，火墙面平均温度为22.32 ℃，火墙面温度不均匀度达7.68 ℃，火墙面降温速度为0.8 ℃/h，夜间温度下降缓慢，几乎呈水平直线。

图19  普通火炕表面温度的分布折线图

Fig.19  Temperature line graphs of ordinary Kang surface

图20  相变炕表面温度的分布折线图

Fig.20  Temperature line graphs of Kang surface with phase change heat storage

从图23和24可以看出：相变蓄热火炕火墙的房间的室内温度高于普通火炕火墙房间的室内温度。测试期间普通房间的平均温度为9.67 ℃，相变蓄热火炕火墙房间的平均温度为12.97 ℃，高于普通房间3.3 ℃；普通房间的室内最低温度为5.44 ℃。相变蓄热火炕火墙房间的最低温度为7.69 ℃。从图中也可以看出:18:00之后普通房间的温度呈下降趋势，而相变蓄热火炕火墙的房间18:00之后温度一直在上升，大约在21:30之后才开始下降，这都说明48#相变材料与炕体火墙的结合是可行的。

图21  普通火墙表面的温度分布折线图

Fig.21  Temperature line graphs of ordinary firewall surface

图22  相变火墙表面温度分布折线图

Fig.22  Temperature line graphs of phase change heat storage Firewall surface

图23  普通火炕火墙房间的温度分布

Fig.23  Temperature line graphs of ordinary room

图24  相变蓄热火炕火墙房间的温度分布

Fig.24  Temperature line graphs of phase change heat storage room

5  结论

(1) 48#石蜡相变材料是完全可以应用到农村采暖的火炕火墙的结构中，可明显提高炕体与墙体的蓄热特性，减少炕体与墙体的波动幅度，提高炕体的温度均匀性，且在停火后相变蓄热炕体与墙体表面温度下降缓慢，有利于稳定室内温度。

(2) 48#石蜡相变蓄热火炕火墙可有效提高室内温度，提高室内平均温度，且相变蓄热火炕火墙房间室内的温度波动小于普通房间的温度波动。

参考文献：

[1] 李世芬, 宋盟官, 冯路, 等. “炕”文化及其演变形态[J]. 建筑历史, 2007, 25(5): 149-159.
LI Shi-fen, SONG Meng-guan, FENG Lu, et al. Culture of Kang and its development[J]. Architectural History, 2009, 25(5): 149-159.

[2] 刘满, 夏晓东. 辽宁省农村住宅的采暖方式与能耗研究[J]. 建筑节能, 2007, 35(7): 56-59.
LIU Man, XIA Xiao-dong. Research on heating methods and energy consumpt ion of rural houses in Liaoning Province[J]. Building Energy Efficiency, 2009, 35(7): 56-59.

[3] 清华大学北方农村能源与环境调研组. 2006年清华大学北方农村能源与环境调研工作总结报告[R]. 北京: 清华大学, 2007.
Northern Rural Energy and Environment Research Group, Tsinghua University. Tsinghua 2006 northern rural energy and environmental research summary report[R]. Beijing: Tsinghua University, 2007.

[4] 郭继业. 吊炕搭砌技术(一)[J]. 新农业, 2001(3): 42-43.
GUO Ji-ye. The building technology of Diaokang (I)[J]. The New Agriculture, 2001(3): 42-43.

[5] 郭继业. 吊炕搭砌技术(二)[J]. 新农业, 2001(5): 49-50.
GUO Ji-ye. The building technology of Diaokang (II)[J]. The New Agriculture, 2001(5): 49-50.

[6] 郭继业. 吊炕搭砌技术(三)[J]. 新农业, 2001(7): 49.
GUO Ji-ye. The building technology of Diaokang (III)[J]. The New Agriculture, 2001(7): 49.

[7] 任洪国, 李桂文, 方修睦. 寒区村镇住宅火炕采暖与通风一体化研究[J]. 低温建筑技术, 2009(12): 96-98.
REN Hong-guo, LI Gui-wen, FANG Xiu-mu. Study on the integration of Kang and ventilating for the residential building in the cold region[J]. Low Temperature Architecture Technology, 2009(12): 96-98.

[8] 庄智, 李玉国, 陈滨. 架空炕采暖作用下建筑热过程的模拟与分析[J]. 暖通空调, 2009, 39(1): 9-14.
ZHUANG Zhi, LI Yu-guo, CHEN Bin. Simulation and analysis of t he thermal process in a house with an elevated Chinese Kang heating system[J]. HV & AC, 2009, 39(1): 9-14.

[9] 端木琳, 赵洋, 王宗山, 等. 火炕热工性能的研究及其评价方法[J]. 建筑科学, 2009, 25(12): 30-38.
DUAN Mu-lin, ZHAO Yang, WANG Zong-shan, et al. Research and assessment method of thermal performance of Chinese Kang[J]. Building Science, 2009, 25(12): 30-38.

[10] 张培红, 夏福龙, 符靖宇. 火炕采暖效果影响因素的数值模拟和分析[J]. 沈阳建筑大学学报: 自然科学版, 2009, 25(2): 342-346.
ZHANG Pei-hong, XIA Fu-long, FU Jing-yu. The analysis and numerical simulation of the factors of the influence on heating Kang[J]. Journal of Shenyang Jianzhu University: Natural Science, 2009, 25(2): 342-346.

[11] 冯革宇, 冯国会, 张雪研, 等. 相变蓄能炕面板的研制[C]//中国暖通空调制冷2010年学术年会资料集. 北京: 中国制冷学会空调热泵专业委员会&中国建筑学会暖通空调分会, 2010.
FENG Ge-yu, FENG Guo-hui, ZHANG Xue-yan, et al. Development of phase change energy storage Kang panel[C]// National Academic Conference on Heating, Ventilation, Air- conditioning and Refrigeration. Beijing: Architectural Society of China—HVAC Branch & Air conditioning and Heat Pump of Professional Committee of China Association of Refrigeration, 2010.

[12] 冯国会, 张雪研, 胜兴, 等. 相变蓄热火墙性能分析[J]. 可再生能源, 2010, 28(5): 139-143.
FENG Guo-hui, ZHANG Xue-yuan, SHENG Xing, et al. Structural design and performance analysis of heating wall with inner phase change materials[J]. Renewable Energy, 2010, 28(5): 139-143.

[13] 戴涛. 温度对人体的影响[J]. 民防苑, 2008, 27(3): 27.
DAI Tao. Temperature effects on the human body[J]. Court of Civil Defence, 2008, 27(3): 27.

[14] 闫全英, 王威, 于丹. 相变储能材料应用于建筑围护结构中的研究[J]. 材料导报, 2005, 19(8): 102-105.
YAN Quan-ying, WANG Wei, YU Dan. An study on phase change materials applied in the building envelope[J]. Materials Review, 2005, 19(8): 102-105.

[15] NY/T58—2009, 民用火炕性能测试方法[S].
NY/T58—2009, The test methods of Civil Kang’s Performance [S].

(编辑 杨华)

收稿日期：2012-01-15；修回日期：2012-02-15

基金项目：国家“十二五”科技支撑计划资助项目(2011BAJ08B06-8)

通信作者：冯国会(1964-)，男，辽宁铁岭人，博士，教授，博士生导师，从事相变储能理论与技术研究；电话：13940515506；E-mail: fengguohui888@ 163.com