燃池采暖建筑的室内热环境分析

张宝刚，袁鹏丽，刘鸣，樊新颖，郝文刚

(1.大连理工大学建筑环境与新能源研究所，辽宁大连116024;2.大连理工大学建筑与艺术学院，辽宁大连116024)

在我国北方地区最突出的建筑用能为冬季采暖。据调查结果显示，北方农村能源消耗占全国农村总能源消耗量的56%，且超过80%的农村能源消耗用于采暖［1］。人们生活水平的不断改善使农村居民对室内环境要求提高，商品能的使用比例明显增加。然而北方农村每年都会产生大量的农作物废弃物，如秸秆、玉米芯等，生物质材料一般的处理方式为田间焚烧，不仅造成大气污染，还导致能源的浪费。为充分利用农村地区特有的资源，燃池在北方地区应运而生，它主要应用于学校、住宅、大棚种植等需要冬季增温的场合。关于燃池采暖的研究主要集中于:1)燃池内部阴燃燃烧规律研究;2)燃池采暖效果及室内环境的研究［2］;3)燃池优化方案的研究［3-5］，而以燃池为采暖装置的建筑室内热环境的稳定性和热舒适性研究不多，且文献［2］中从定性上判定燃池采暖效果较火炕相对稳定，并没有通过定量分析。因此本文根据实测数据定量分析热环境的稳定性及热舒适性，对燃池采暖系统进行深入了解。

1 燃池采暖系统实验概况

1.1 实验对象

本次实验地点位于辽宁省阜新市阜蒙县东阳镇，该地区位于严寒B区，每年需持续采暖6个月，最低温度达到－23.2℃。实测对象分别为燃池和炕为采暖方式的2栋农宅(如图1)。燃池采暖住宅为主要测试房，炕采暖住宅为对比房。燃池采暖房为两层建筑，其中燃池位于一层地面以下，测试期间以一层房间为主，该建筑的一层平面图见图2。一层建筑面积为130 m2(13 m ×10 m)，在房间1和房间2内分别设置尺寸不同的燃池，位于房间1下部的燃池尺寸为2 m×10 m×2 m(宽×长×高)，燃池与采暖面积之比为1∶3.77，房间2下部的燃池尺寸为1.8 m×10 m×2 m，燃池与采暖面积之比为1∶3.03，与传统的面积比1∶6不同。

图1 测试实验房Fig.1 Test room

图2 燃池采暖住宅一层平面图Fig.2 First floor plan of fire pit heating house

1.2 测试系统

本实验的测试参数包括燃池和炕采暖住宅室内外温湿度、燃池采暖地板温度、围护结构壁面温度。记录室内外温湿度的仪器为德图Testo温湿度自动记录仪，测试间隔均为10 min，室内温湿度的测点布置于离地面1.5 m处，根据标准［6］的测点布置原则对房间1和房间2分别设置2个和1个温湿度测点见图3，其中房间1温度取各点检测结果的平均值;燃池采暖地板温度、围护结构壁面温度采用JTNT-A多通道温度热流测试仪，地板、壁面温度测试间隔均为10 min，燃池地板温度测点布置图见图4。

图3 室内空气温湿度测点布置图Fig.3 Measuring-point arrangement of indoor air temperature and humidty

图4 燃池地板温度测点布置图Fig.4 Measuring-point arrangement of floor temperature of fire pit

1.3 实验条件

实验测试于2014年1月15日～17日完成，开始测试时间为1月15日上午10∶00，停止测试时间为1月17日上午10∶00。

2 实验结果与分析

2.1 室内地板温度分布

燃池采暖住宅主要是利用被加热的燃池地板通过对流和辐射的换热方式来提高室内温度的，燃池地板的温度分布影响着室内空气温度，进而影响着室内热环境的稳定性。通过实测得地板温度分布见图5，其中T1为图4中1点温度，以此类推。

图5 房间1与房间2地板温度曲线图Fig.5 Floor temperature curves of room 1 and room 2

由图5可知房间2地板温度低于房间1，房间1地板温度变化范围为21℃～29.3℃，该范围符合标准［7］中的规定:人员经常停留区适宜温度范围在24～26℃为宜的要求，未出现文献［2］局部超过40℃的现象，分析原因为该房间面积与燃池面积之比为1∶3.77，与一般面积比1∶6不同。房间2地板温度变化为12.7～20.4℃，相对于房间1低3～8℃，由于房间2烟囱出口被塞住，与室外空气之间的交换量较少，导致燃池内部空气量少，使燃池内部的燃烧温度低，由此可知燃池的燃烧温度与进气量有关。图5显示房间1与房间2地板温度均在12∶ 00～15∶00之间形成波峰，由于此时段太阳辐射通过门、窗户进入室内照射到地板上导致温度升高，并且随着太阳高度角的变化形成了波峰。

2.2 室内空气温度和平均辐射温度分布

由于人体对围护结构的角系数计算较复杂，为进一步简化，可用所有内表面的面积加权平均温度代替平均辐射温度［8］:

式中:Fi为围护结构的面积，m2;ti为围护结构壁面温度，℃。

在燃池采暖运行期间，燃池采暖房的室内空气温度变化范围在11.4℃～15.7℃，炕采暖房的温度变化范围为4.9～12.4℃。2种采暖房的温度范围均低于城市冬季供暖所需达到的室内计算温度16～22℃。由于城市居民不经常外出的生活习惯使得居民在室内的衣服热阻较小，一般为1 clo左右。由于农村地区人们经常在室内外走动的生活习惯与城市居民有所不同，农户通常穿着冬季较厚衣物，衣服热阻一般为1.5～2.0 clo左右。热阻不同，室内所需达到的温度就随之变化，对于农村地区冬季室内的舒适温度范围大概在12～16℃，因此燃池采暖房温度满足要求。

图6 平均辐射温度、室内空气温度逐时曲线图Fig.6 Mean radiant temperature and indoor air temperature hourly curves

由图6可知燃池采暖房及炕采暖房的平均辐射温度均大于室内空气温度，其中燃池房平均高2.2℃，炕采暖房平均高1.7℃。这主要与燃池和炕的传热方式有关，2种采暖方式均以辐射散热为主。

2.3 影响室内空气温度的因素分析

选取房间1为主要分析对象。经过相关性分析可得房间1室内空气温度与地板、室外环境之间的相关性分析见下图7。地板温度对室内空气温度的相关系数(R=0.90)比室外空气对室内空气温度的相关系数(R=0.78)高，说明地板温度对室内空气的影响作用大于室外空气温度，通常认为R＞0.8时两变量有很强的线性关系，可知地板温度与室内空气温度有着较强线性关系。

图7 室内空气温度与地板、室外温度相关性分析Fig.7 Correlation analysis of indoor air temperature with floor and outdoor temperature

3 室内热环境稳定性评价指标

3.1 室内外温度波动比率

室内外温度波动比率是综合采暖方式及建筑围护结构的室内热稳定性的指标。其计算方法为

式中:Δti为一天中室内空气温度的波幅，Δto为一天中室外空气温度的波幅。选取2014年1月16日～17日期间燃池采暖房及炕采暖房的室内外空气温度进行分析，得不同地点的温度波幅，见表1。

表1 室内外空气温度波幅Table 1 Indoor and outdoor air temperature fluctuation

从表1可分别计算出燃池采暖房和炕采暖房的室内外温度波动比率ηburningcave=0.21＜ηkang=0.82。波动比率越大，说明该房间热环境越不稳定，通过计算分析可得燃池采暖房较炕采暖房稳定。

针对燃池采暖和炕采暖房间，利用该指标进行评价并不能够全面的说明室内热环境的稳定性。原因为燃池和炕的传热方式为辐射和对流，因此为了能更加准确评判室内热稳定性需综合考虑室内空气温度和平均辐射温度。

3.2 综合温度波幅分析

对于燃池和炕采暖住宅建筑热环境而言，燃池和炕采暖室内的气流速度相对稳定。实验测试得燃池室内相对湿度的变化范围33.5～44.45%，处于30～80%的湿度舒适范围内，对热环境影响不大。因此影响热环境的因素主要是室内空气温度和平均辐射温度。

由图6可得燃池采暖房和炕采暖房内的平均辐射温度，以2014年1月16日～17日为例，计算燃池和炕室内的平均辐射温度波幅见表2。室内空气温度ta和平均辐射温度合成的室内温度环境可采用房间的操作温度即综合温度t0表示［8］:

式中:t0为操作温度，℃;hr为辐射换热系数，W/ (m2·℃);hc为对流换热系数为平均辐射温度，℃;ta为室内空气温度，℃。

表2 平均辐射温度波幅Table 2 The average radiation temperature fluctuation℃

由图6可得平均辐射温度与室内空气温度的相位基本相同，可忽略不计。利用室内空气温度和平均辐射温度的波幅通过式(4)可计算出在燃池房间内操作温度的波幅［9］:

式中:A0为操作温度的波幅，℃;Ar为平均辐射温度的波幅，℃;Aa为室内空气温度的波幅，℃;

根据人体表面的对流换热系数表查得［8］，在静止空气中和静止人体的条件下，此时的对流换热系数hc=3 W/(m2·℃)，文献［10］提出米森纳尔德曾证明了人在静止空气中辐射与对流换热系数之比为1∶0.9，因此可得hr=3.33 W/(m2·℃)。计算得影响燃池和炕采暖室内的综合温度的波幅A0burnigcave=3.03℃＜A0kang=7.82℃。综合室内外波动比率和综合温度波幅的分析，可以从定量上得出燃池采暖住宅的室内稳定性较炕采暖住宅好。

4 建筑室内热舒适性分析

4.1 北方农村冬季PMV影响因素分析

我国北方地区农村住宅大多以 370 mm或240 mm墙厚的红砖房为主。受农村地区的经济水平限制，建筑围护结构均未采取任何保温措施。因此，在寒冷的冬季，室外空气温度的变化波动对室内空气温度的影响大，农村住宅可看作自然通风建筑。

农村居民的生活习惯与城市居民有所不同。农村地区的居住条件决定了农户经常出入室内外，因此农户为了适应频繁的进出活动，需保持室内外穿着衣物大致相同。

北方农村地区居民在冬季长期生活在较恶劣的环境下，对于较低的室内空气温度的承受能力要高于城市居民。因此农户对室内热环境要求不高。

4.2 燃池采暖住宅的PMV指标

Fanger［11］于1982年提出了描述人体在稳态条件下能量平衡的热舒适方程，然而根据对农村地区室内热舒适的影响因素分析可得完全利用PMV模型进行预测是不准确的。为了使得PMV指标适用于自然通风建筑，Fanger提出了扩展的PMV-PPD模型:根据不同地区的气象条件、建筑形式，将PMV乘上一个热期望因子e来修正基于稳态热平衡的PMV值，对于中国地区取e为0.7［11］。

在燃池采暖房内，人们大多数穿着冬季衣物并且处于静坐状态，因此根据文献［8］中得针对燃池采暖住宅人体的新陈代谢率M=58.2 W/m2，W=0，Icl=1.5 clo，fcl=1.45，hc=3 W/(m2·K)。选取2014年1月16日～1月17日期间的实验数据，根据扩展的PMV模型可以得出室内PMV-PPD指标随着时间的变化曲线图见图8、9。利用扩展的PMV模型对燃池采暖房的热舒适进行预测，结果表明在最初选取服装热阻为1.5 clo时，室内的PMV指标在－1.24～－1.04范围内变化，即人体处于微凉与凉之间的热感觉。由图8可得室内温度升高时，PMV增加，因此燃池采暖与炕采暖房内的室内空气温度和平均辐射温度的比较可得在其他相同条件下采用燃池房间的热舒适要大于炕采暖，为农民选择不同的供暖方式提供依据。

图8 燃池采暖室内PMV逐时曲线图Fig.8 PMV hourly curves of fire pit heating house

I为服装热阻，当I=1.7 clo增加至 I=2.0 clo时，燃池室内的PMV变化范围为－0.56～－0.39，处于－1～0即微凉与适中之间，与I≥1.5 clo相比提高了0.65～0.68。由此可得服装热阻平均每增加0.1 clo，燃池室内的PMV就提高0.13左右。

利用PMV与PPD之间的定量关系来预测人们对于燃池采暖房的不满意率，综合反应出燃池采暖房的效果。由图9可得随着燃池室内PMV的增加，不满意百分比在不断的减小。随着服装热阻的增大，不满意率不断减少，从最初的最大不满意率37.49%减小到11.8%。在不同服装热阻条件下，PPD在各个范围内所占的比例见图10。

图9 不同服装热阻下的PPD逐时变化图Fig.9 PPD hourly variation under different clothing thermal resistance

由图10可得在服装热阻为1.5 clo时，人们的不满意率大部分处在30～40%，当人们适当添加衣物后，冬季人们穿着服装热阻为1.7 clo时有70%～80%的人满意。然而在服装热阻达到2.0时，PPD均处在小于20%的范围内。这就说明针对农村地区来说，在人们适当添加衣物后，燃池采暖房能够基本满足人们的热舒适要求。

图10 不同服装热阻下PPD的频率分布图Fig.10 frequency distribution of PPD under different clothing thermal resistance

5 结论

本文通过对辽宁省阜蒙县的两栋农宅进行实验测试和理论分析可得以下结论:

1)该燃池采暖住宅的地板温度分布较均匀，未出现局部过热现象，原因在于燃池大小与传统经验不同，因此通过比例调整以及控制可以实现室内热环境的调节。

2)对燃池和炕室内的热稳定性进行了定量分析，对比了室内外波动比率和综合温度波幅稳定性评价指标，得室内外温度波动比率 ηfirepit=0.21＜ηkang=0.82，综合温度的波幅A0firepit=3.03℃＜A0kang= 7.82℃。综合反映燃池采暖住宅较炕采暖稳定。

3)针对农村住宅利用扩展的PMV模型对燃池室内的热舒适性进行评价，通过理论计算对PMV进行预测可为农村居民选择不同的供暖方式提供定量依据。

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