燃池采暖技术在中国北方农村的应用
田维治，陈滨，张雪研，张宝刚，白淑鑫，谢艺强
(大连理工大学 土木工程学院，辽宁 大连，116024)
摘要：近年来，燃池采暖技术在北方农村地区受到欢迎，该技术完全采用农作物废弃物，明显地改善冬季农村住宅室内热环境状况，本研究2009年和2010年连续2个冬季对中国辽宁省阜新市多栋燃池采暖住宅的热湿环境及空气环境进行实测调查，针对燃池采暖住宅室内热湿环境、运行控制及存在的问题进行深入的分析研究，探讨燃池设计的关键指标及热量传输方式。研究结果表明：燃池采暖房间平均温度比采用其他农村传统采暖方式房间温度高5~10 ℃，但由于现有的燃池采暖住宅大多凭经验搭建，存在热能利用效率较低、热传输方式不合理、有害气体泄漏等问题，因此，本研究成果对于进一步优化燃池采暖技术具有重要的理论和实际应用参考价值。
关键词：燃池采暖；农作物废弃物；农村住宅；室内热环境；生物质资源利用
中图分类号：TU832.1 文献标志码：A 文章编号：1672-7207(2012)S1-0180-07
Utilization of technology of burning cave for heating in rural houses in northern China
TIAN Wei-zhi, CHEN Bin, ZHANG Xue-yan, ZHANG Bao-gang , BAI Shu-xin, XIE Yi-qiang
(School of Civil Engineering, Dalian University of Technology, Dalian 116024, China)
Abstract: Burning cave for heating which is very popular in rural areas of Northern China in recent years makes full use of these agricultural wastes, and significantly improves indoor thermal environment of rural house in the cold areas. In 2009 and 2010 winter, the field measurement of indoor environment of the houses with burning caves for heating in Funxin City of Liaoning in China was carried out. The indoor thermal environment of house with burning cave for heating, operation control strategy and existing problems were discussed and the key influencing factors of burning cave design and heat transfer mode were studied. The results show that the temperature of the room with burning cave for heating is 5-10 ℃ higher than that of other rural traditional heating methods on average. However, so far, most of rural houses with burning cave for heating are built depending on farmers’ experience, so there are some problems, such as low thermal energy utilization efficiency, unreasonable heat transmission way, flue gas leakage. Therefore, the research results have important theoretical and practical reference value for further optimization of burning cave heating technology.
Key words: burning cave for heating; crop waste; rural house; indoor thermal environment; biomass energy utilization
在中国农村地区，每年都要产生大量的农作物废弃物，如秸秆、玉米芯、枯枝树叶等(见图1(a))，除少量用于炊事外，大部分只能通过烧荒来处理。露天焚烧秸秆时，大气中SO2的浓度比平时高出1倍，NO2和可吸入颗粒物的浓度比平时高出3倍，相当于日均浓度的五级水平。同时，焚烧秸秆破坏土壤结构，造成农田质量下降，直接影响收益，而且焚烧秸秆还易引发火灾和交通事故。图1(b)所示为烧荒时的情景，不远处隐约可看出有一个加油站。燃池正是来源于生活、充分利用上述这些农作物废弃物的农村住宅采暖方式。
燃池采暖是中国北方地区的一种传统的采暖方式，燃池结构主要由池体、顶部散热板、进(出)料口、通风孔和注水管等部分组成，其工作原理如图2所示。它以农作物废弃物如秸秆和玉米芯等、树叶、枯枝、锯末、杂草等生物质燃料燃烧作为热量来源，通过阴燃的方式来进行辐射采暖，因其结构简单、成本低、就地取材、废物利用、采暖效果好等特点受到广大农村居民的青睐。但目前，燃池采暖住宅大多是由当地农民凭经验建造，在实际运行过程中存在着一定的安全隐患和技术问题，如有害气体泄漏、阴燃速度的控制、燃料的制备以及采暖方式对建筑寿命的影响等，这些问题无疑阻碍了燃池采暖技术的推广应用。
图1 中国农村每年的秸秆焚烧情景
Fig.1 Straw burning scene every year in rural areas in China
图2 燃池采暖的工作原理示意图
Fig.2 Schematic diagram of burning cave for heating
关于燃池采暖系统的研究大多是以阴燃过程控制为对象进行的理论和实验研究，所探讨的问题主要包括：(1) 阴燃转变为明燃的临界参数[1-4]；(2) 阴燃着火机理[5]；(3) 燃料添加方式及热效率[6-7]；(4) 阴燃过程的机理，如气体流速、点火面积、空隙率和颗粒大小等参数对阴燃传播特性的影响[8-10]；(5) 用于阳光温室沼气池在严寒季节升温的效果研究[11-12]等。也有学者对燃池的实际应用由盛到衰的过程中出现的问题及改进措施进行了探讨[13]，认为应该进一步完善燃池构造、整合其他技术及扩展推广应用的范围，但对于燃池采暖住宅进行深入的实测调查研究还未见报道。
因此，本文作者于2009年12月至2010年1月及2010年12月23日至25日对位于辽宁省阜蒙县的燃池采暖住宅进行了实测调查研究，重点探讨热能利用效率，室内热湿环境、空气品质等方面问题。
1 实测调查概要
1.1 实测对象
实测地点阜蒙县(东经：121°39′；北纬：42°02′)，冬季气候寒冷，采暖期长达6个月，最低日平均温度为-23.2 ℃。实测对象为2栋燃池采暖住宅和当地2栋对比房，如图3所示，住宅基本情况如表1所示。
1.2 实测方法
热湿环境测试参数包括室内外空气温度、相对湿度、燃池采暖地板及火炕表面温度等。室内外空气温湿度参数采用日本产TR-72S 温湿度自记仪和RHLOG-II温度自记仪测试，室内测点位于房间中心1.5 m处，测试时间间隔均为10 min。围护结构及炕表面温度采用FLIR B250 红外热像仪测试。室内外CO和CO2 浓度采用TSI7545室内空气品质测试仪测试，测试方法是以室内中心点为测点，取每隔30 s连续读数的平均值作为实测浓度。测点布置见图4。实测时间为2009年12月至2010年1月及2010年12月至2011年1月。
2 实测调查结果分析
2.1 不同采暖方式对室内热环境的影响
不同采暖方式作用下，室内外温度变化如图5所示。由图5(a)可知：在室外日平均温度低于-10 ℃的条件下，燃池采暖房间Ⅰ的室内温度明显地高于火炕采暖房间的温度。从11月中旬进入采暖期，燃池连续运行1个多月后直至12月30日更换燃料，室内温度基本保持在20 ℃左右，随着燃料逐渐烧尽以及室外温度的降低，室内温度有所下降，在室外日平均温度为-18 ℃时，室内采暖温度为10 ℃。12月30日重新添加燃 料后，室温迅速回升，并保持在20 ℃左右；而火炕采暖方式作用下的室内空气温度在10~14 ℃范围内变化。
图3 实测对象外景照片
Fig.3 Photos of investigated houses
表1 实测对象基本情况
Table 1 Outline of investigated houses
图5(b)和(c)所示分别为实测对象的逐时温度变化。实测结果表明：当室外气温在-5~-18 ℃范围变化时，燃池采暖房间室内温度波动较小，室内温度保持在16~21 ℃，室内热环境非常舒适，同时较其他采暖方式的室内温度高5~10 ℃。这是由于燃池采暖采用的是地板辐射采暖，并且是连续运行，而其他采暖方式只在炊事时才加热，室温波动较大，室内温度偏低。由图5(c)可以看出：当房间无采暖时，一天的绝大多数时间中室内温度低于0℃。
2.2 相对湿度
在中国北方地区，冬季室外空气非常干燥，再加上室内取暖，相对湿度更低。在这样的环境中生活，容易引发呼吸道疾病。室内相对湿度过低，也加剧了燃烧生物质燃料所造成的室内空气污染。在本次实测调查中发现，燃池采暖房间的相对湿度普遍低于其他 采暖方式房间的相对湿度。由图6(a)可知：燃池采暖房间I的相对湿度最大值约30%，平均相对湿度为27%；燃池采暖房间II的相对湿度最大值在40%左右(见图6(b))。室内温度越高，相对湿度越低。因此，适宜室内温度的控制成为燃池采暖技术应用的重要问题之一。
图4 测点布置图
Fig.4 Outline of test points
2.3 地板及火炕表面温度
火炕的热量来源于燃池和灶的烟气。烟气通过火炕散热后，经与火炕烟道相连的烟囱排向室外。用红外热像仪拍摄的燃池辐射采暖地板和火炕表面温度分布分别如图7和8所示。由于燃池内燃料添加及点火方式的随机性，在3 m2 范围内，地板表面温度变化范围为20~40 ℃，局部区域温度超过40 ℃，远远高于辐射地板采暖地板温度的设计值(26~30 ℃)，易造成局部烫伤。另一方面，因火炕内部烟道设计不合理，造成火炕表面温度分布不均匀，最大温差超过40 ℃。在中国农村地区约有近4 364万户家庭、约1.75亿人使用火炕采暖[14]，室内热环境状况极不均衡，尤其在 凌晨，室内温度常常低于0 ℃，极度的不均匀辐射，严重影响了人们的健康，室内热环境状况亟需得到改善。
2.4 室内空气品质
燃池采暖过程中，由于燃料燃烧时燃池内部充满了烟气，如果顶部散热板、进(出)料口盖板及排烟道等部分密封不好，除了可能引起池内阴燃速度加快，使室内温度控制失调，更有可能造成烟气泄漏，导致室内空气污染，甚至引起CO中毒。图9所示为不同房间CO和CO2浓度实测结果，数据均为白天中午炊事前后所测数据。在农村住宅中，造成室内空气污染，主要与使用生物质和煤作为燃料做饭的生活方式有关。实测结果表明：燃池采暖房间并不明显高于采用其他采暖方式房间的CO和CO2浓度，其浓度的变化主要与烧灶时间相关联。另一方面，由于农户的频繁进出，大量的室外空气渗透至室内，降低了有害气体浓度，使得所测值大多满足中国国家标准[15]有关室内CO和CO2浓度限值的规定。
图5 不同采暖方式作用下室内空气温度变化
Fig.5 Indoor temperature variation with heating methods
图6 室内外相对湿度的变化
Fig.6 Relative humidity variation in indoor and outdoor
3 存在的问题
实测调查研究发现燃池采暖技术在应用过程中仍存在以下问题需要解决。
(1) 燃池的设计缺少系统的计算方法，目前大多靠农民的经验搭建，存在许多不合理的地方，为此，要加强对燃池利用的基础性研究、深入了解燃池的燃烧过程的传热机理，逐步形成面向实际应用的设计计算方法。
(2) 燃池的热量分布不均，局部地区温度过高，整个地面的热均匀性差，并且室内过于干燥，为了解决这些问题可以在地板下面制作一个大的空腔，使燃池释放出来的热量首先加热空腔内的空气，然后再通过空腔内空气流动缓慢均匀地向室内散热，同时还可以解决室内相对湿度较低的问题。
图7 燃池采暖房间地板的表面温度
Fig.7 Floor surface temperature in room used burning cave for heating
图8 燃池采暖房间炕的表面温度
Fig.8 Surface temperature of Kang in room used burning cave for heating
图9 室内CO和CO2浓度
Fig.9 Indoor concentrations of CO and CO2
(3) 燃池采暖房间内CO和CO2的浓度符合国家标准，但是在燃池的使用过程中，地板随着冬夏季节的变化，有可能导致顶部散热层出现开裂，致使气体泄漏造成CO中毒。因此，应对燃池采暖过程对地板密封性的影响进行研究，或者是每年对用户空气品质的实施监测，以确保安全。
(4) 目前燃池的填料和除灰都采用很原始的方法，存在安全隐患；同时燃池难于控制，运行控制没有科学的方法，后续工作还需对填料除灰以及运行控制进行研究，寻求一种简便安全的方式。
4 结论
(1) 燃池采暖技术充分地利用农作物废弃物，使农民能够低成本地改善自身的居住环境质量，是一条中国农村实现可持续性发展的有效途径。
(2) 当室外日平均温度低于-10 ℃时，燃池采暖房间的温度可以达到15 ℃左右，与火炕等采暖方式相比，室温波动小，明显地改善了冬季室内环境的热舒适性。
(3) 燃池采暖房间的地板表面温度分布不均匀，易引起局部过热，有必要对燃池的运行控制方式进行进一步的研究。
(4) 现有燃池设计建造大都是农户凭经验搭建，热能利用效率低，热量传输方式不合理，同时存在安全隐患，有必要加强对燃池设计计算方法进行研究，以对燃池的实际应用提供技术和理论指导。
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GB/T 18883—2002, indoor air quality standard [S].
(编辑 陈卫萍)
收稿日期：2012-01-15；修回日期：2012-02-15
基金项目：国家自然科学基金资助项目(51178073)；国家“十二五”科技支撑计划课题(2011BAJ08B08-4)；教育部博士点基金资助项目(20100041110002)
通信作者：陈滨(1960-)，女，湖南长沙人，博士，教授，从事建筑节能与新能源利用研究；电话：0411-84706371；E-mail: chenbin8911@yahoo.com.cn
