基于太阳能沼气池的陕北窑洞供暖系统研究

史俊杰，李林翰，叶思琪

（兰州石化职业技术学院，甘肃兰州 730060）

窑洞建筑建造简便，建材取用便捷，但目前传统窑洞由于冬季供暖存在很多问题，已无法满足人们对物质文化生活的追求。本文从节省能源消耗、减轻农民经济负担的角度出 发，研究出更能受农民欢迎的绿色宜居型窑洞，改善陕北地区窑洞的观赏性和适宜居住性。

1 传统窑洞供暖效果测试

本文中以陕西省榆林市地区高原地带一处成分为黄土与白灰的砖窑民居作为测试对象，在使用FLUENT进行模拟之前，首先要使用SOLIDWORKS进行窑洞结构的模型的建立。

建模基础数据：宽度设为3 100mm，长度设为8 000mm，窑洞地面与窑洞拱形顶层交接高度设为2 350mm，该位置与窑顶最高处距离为800mm。

网格划分：为了便于计算，在划分网格式使用的是结构化网格，网格尺寸划分为0.5mm。

边界条件：传统火炕供暖主要依靠其表面对流与辐射共同作用来起到供暖的效果，因此在选择温度场模拟时的模型时，选择k-epsilon湍流模型和Discrete Ordinate辐射模型。

经查阅显示榆林市横山县地区冬季平均温度在-7℃，在进行边界条件的设定时，作为热源的两个炕面设置为第三类边界条件，除门窗所在的壁面外的其他三个壁面和拱形顶部以及地面等围护结构设定为第一类边界条件，初始温度设置为8℃，墙壁的传热系数为1.21W/（m2·K），木门的对流换热系数为2.8W/（m2·K），窗户的对流换热系数为4W/（m2·K），墙体厚度设定为440mm，传统火炕炕面温度变化范围在25～32℃，本文中取值为26℃和32℃。

对传统窑洞温度场的模拟主要是为得到以传统火炕作为供暖条件时窑洞室内温度分布情况，故为了能够获得更明显的模拟结果，将窑壁材料分布理想化设置，按照其分布情况均匀、厚度规则考虑。

本文主要目的是对于传统陕北窑洞的供暖方式进行基于可再生能源为基础的优化，故需要进行两次模拟，分别是对在窑洞中使用传统火炕以及改用沼气池作为能量来源的地暖及水暖炕结合的方式的温度场模拟。火炕文化是传统农村文化的一个载体，因此在设计新型供暖方式时将传统火炕的建筑形式进行保留，但是燃烧煤炭以及柴火秸秆具有环境污染性，所以在结合地暖供暖的同时，将其改造为新式的水暖炕。因此虽然要进行两次模拟，但是两次模拟中需要的建筑模型外观形式一致，仅在边界条件上的设置有所区别，在此就只体现出一组建模的基本构造。

2 新型供暖系统的设计及模拟

经文献查阅得到寒冷地区的建筑节能设计标准，计算出窑洞供暖时的耗热量。

式中：Q0为窑洞供暖耗热量，W；Q1为窑洞围护结构传热耗热量，W；Q2为窑居内部所得热量，W。

离地高约2m处的室内空间内，人体最佳热舒适温度范围在17～26℃，本文中设计的基于可再生能源的新型供暖系统达到的目标室内温度设定为20℃，陕北地区室外温度设定为-7℃。

其中，通过窑洞围护结构和地面传热造成的耗热量Q1如式（2）所示。

式中：Q1为窑洞围护结构传热耗热量，W；t1为采暖时室内空气温度，20 ℃；t0为采暖时窑洞壁外温度，-7 ℃；εi为窑洞各壁面传热系数的修正系数；

Ki为窑洞各壁面及门窗的传热系数，W/（m2·K）；Ai为窑洞各壁面及门窗的面积大小，m2。

多壁面的总导传热系数K的运算公式如式（3）所示。

式中：h1为外界温度与墙壁对流换热系数，W/（m2·℃）；σi为窑壁厚度，m；γi为窑洞围护结构导热系数，W/（m·K）；h2为室内温度与窑壁对流换热系数，W/（m2·℃）。

窑洞围护结构耗热情况如表1所示。

表1 围护结构明细

建筑围护各结构在总的窑洞传热热耗量中所占的比例如表2所示。

表2 围护结构耗热量

根据上表可知建筑围护结构的传热总热耗量Q1为3 208.89W。

居民在窑洞内的日常生活中会散热，家电等运行过程中也会散热。这些都是窑洞内部获得的热量，将其取值为3.8W/m2。

由Q0=Q1-Q2得Q0为3 205.09W。

除上述以外，由公式（4）可计算出窑洞内日均用水的热消耗量。

式中：Q3为生活用水日耗热量，W；

m为居民人数，2人；qr为人均用水量，35L/（人·d）；ρw为热水密度，0.988kg/L；Cw为热水比热容，4 186J/（kg·℃）；t3为设定热水温度，60 ℃；t4为设定冷水温度，年平均10 ℃。

经计算可得到窑洞居民日均用水的热消耗量Q4为169.23W。

最终计算得此供暖系统日均能量输出Q总为3 374.32W。

3 供暖系统建立

计算得到供暖系统平均日产能达到3 374.32W才能使得窑洞温度达到最佳人体热舒适温度要求。传统火炕供暖形式达不到标准，故选择建立太阳能辅助恒温沼气池作为本文中供暖系统的供能源，其中太阳能仅起到给沼气池提供恒温条件的一个辅助作用。

3.1 沼气池的建立

本文中选用四方体沼气池，其墙体高1.5m，长2.6m，宽2.4m。沼气池总容积为9.36m3。池体底部由上到下依次为水泥浆、混凝土、聚苯板保温材料、抗压网，墙体由内到外依次为水泥浆、砖、聚苯板保温材料、抗压网。其中作为辅助功能得太阳能集热器将废水加热，并通过管道流通以维持沼气池发酵温度稳定。沼气池选择中温发酵，温度为30 ℃（中温发酵温度在28～38 ℃）。

3.2 沼气池运行过程中的热量损失

沼气池在运行过程中不可避免地会发生热量损失，维持池中稳定发酵温度的工作由太阳能承担，故沼气池的热量损失即为太阳能集热器所需输出的能量。生物质发酵时的发热量与墙体散热损失以及加热新原料热损失相比极小，可以忽略。

本文中选取有优质集热效果的全玻璃真空集热器。横山地区全年日照时间长，能够获得足够的太阳辐射，年均日光辐射量为为5 065MJ/m2，年日照时数2 623h，日照率约55%。

经计算可得QS=9.52MJ，本文中太阳能集热器仅作为辅助功能使用，故经上文中的计算可知，其需供应的能量为528.97W。即可得到所需集热器面积为4.7m2，全玻璃真空集热器外径为58mm，有效长度为1 800mm，管面面积约为0.104 4m2，则可得到该系统中太阳能集热器需要45根集热管。

4 新型供暖系统的模拟

本次模拟在建模与网格划分上与传统火炕供暖温度场模拟时设定一致，在此处不再重复体现，在进行边界条件划分时，作为热源的两个炕面以及安装了地暖管的地面部分设置为第三类边界条件，除门窗所在的壁面外的其他三个壁面和拱形顶部等围护结构设定为第一类边界条件，初始温度设置为8℃，墙壁的传热系数为1.21W/（m2·K），木门的对流换热系数为2.8W/（m2·K），窗户的对流换热系数为4W/（m2·K），墙体厚度设定为440mm，本次模拟中地暖温度及炕面温度设定为26℃。

室内温度基本维持在19～21℃，完全符合人体最佳热舒适度17～26℃这一要求，各位置间温度分布均匀，竖直面间靠近热源部分温度稍高但也仅存在有1℃温差，靠近门窗区域温度较低，但其室内温度大体也在19℃，窑洞内部休息区域温度则维持在20～21℃，满足室内人体舒适温度变化幅度在3℃之内的要求。

5 结束语

陕北窑洞是我国一种独特的乡村文化的载体，对传统窑洞以火炕作为供暖系统进行了冬季供暖模拟分析与改进。国家发展进入新时期，国家也推出低能耗政策，基于此，设计了一种新型的基于可再生能源的窑洞供暖系统，以沼气池作为供能系统，保留炕文化的建筑形式，以水暖炕与地暖相结合的形式进行窑洞冬季供暖。同时使用FLUENT软件对新型的供暖系统运行时的室内温度分布进行了模拟，可以看到本文设计的新型供暖系统运行时室内温度得到提高同时温度分布均匀，可以使住户获得最佳的环境热舒适度。