北方地区新型炕构造技术
作者：王磊
（西安建筑科技大学建筑学院，陕西 西安 710055）
摘要：随着社会的进步，农民已不再满足传统热炕的方式，因传统方式不仅增加开支、浪费能源，而且造成了严重的环境污染。开发和推广新式炕既可以实现节约能源、降低污染的目的，又可以实现供暖费用的降低，具有一定的实践价值和经济效益 .同时又可以保护环境，促进农房建设的现代化。
关键词：炕；高效节能；技术措施；热效率
中途分类号：TU241.5 文献标识码：A 文章编号：
The study on structural techniques of the New Chinese Kang in the northern area
Wanglei
（School of Arch．，Xi’an Univ．of Arch．&Tech．，Xi’an 710055，China）
Abstract: ：As society advances，farmers have no longer satisfied with traditional hot-kang way，not only increases costs，wasted energy，but also caused serious environmental pollution. Kang not only the development and promotion of new energy saving can be achieved，the purpose of reducing pollution，but also can achieve lower heating costs and has important practical value and economic efficiency，protect the environment，while promoting the building of a modern farm house.
Key words:Chinese Kang；energy-efficient；technical measures；heat efficiency
0引言
南人住床,北人睡炕—地域气候不同而致生活习惯不同。南方炎热且潮湿,人住在竹、木床上,上下悬空,利于空气流动,既凉快又不易受潮。北方寒冷,人多在房中置一铺大炕。火炕最主要的功能就是取暖。因为烧炕是通过做饭的锅灶,所以只要吃饭、烧水,炕就是热的(见图1)。在辞海中“炕”的解释为:北方人用土坯或砖头砌成的一种床,床底有洞,可以生火取暖。炕是在地面上砌几道小墙,将空间隔成几条坑道,两端留空使道道相通,上以砖为盖,然后在砖盖上抹上泥土,再复用砂泥之类找平。炕的构造特点就是:一端通向烟囱,一端设有炉灶(见图2)。“炕”作为北方文化的一种象征,是西北一带乡村建筑中不可或缺的一个组成部分。对于北方人,不论是活跃在社会上层的富豪显贵,还是奔走在市井巷陌的寻常百姓,对炕都带有一种浓浓的乡思。
Fig.1 Heated kang Fig.2 Heated kang structure
1 传统炕技术存在的问题
炕连灶是北方典型的炊事与采暖方式。炕可以视为灶的烟气余热回收设备。当居民烧柴做饭时，燃料产生的热量一部分通过炉灶进行炊事，另一部分通过烟气在炕道内的迂回流动，最终以辐射和对流的形式对室内进行供暖。火炕一般由砖、水泥预制板、水泥砂浆等组成，这些热容比较大的材料使得炕板可以在炊事之后的一段时间内维持在一定水平上，不会很快变凉。此外，火炕一般用作床，供居民夜间睡觉时使用。如果上炕板温度适宜，即使炕体周围热环境稍微寒冷一些，仍然可以保持居民的热舒适性，从而减少空间供暖负荷，从这一角度来说，火炕是非常好的一种集采暖、生活于一体的形式，具有保留意义。
但传统火炕存在以下问题：1）烟囱产生的抽力过小或过大，使得炕体有时产生“倒烟、燎烟、压烟”的现象（俗称“抗不好烧”），有时却产生“炕烧不热”的现象。2）炕面温度分布不均，易产生“炕头热、炕梢凉”的现象，影响热舒适性。3）炕洞除灰不便，堵塞后不易检查。4）夏天睡热炕，不舒适。5）落地炕直接与地面接触，易造成热量损失。
2 新式炕模式特点及构造技术
2.1吊 炕
炕的设计和搭建主要源于经验，“架空炕”是目前最具代表性的先进的火炕形式，是新式炕模式的代表，俗称“吊炕”（见图 3），指的是下炕板不与地面接触的火炕。新式炕的炕灶按照燃烧和传热的科学原理 ，合理地进行设计 ：对炕灶的热平衡和经济运行进行了优选，改革了炉膛、锅壁与灶膛之间相对距离和吊火高度、烟道和通风、炕内结构等，并在炕灶方面增设了保温措施，提高了余热利用效果，扩大了火炕的受热面和散热面。因此，新式炕灶结构合理，通风良好，柴草燃烧充分，炉灶上火快，传热和保温性能好，炕灶热能利用率达到50%左右。
吊炕的特点：增加下表面散热，使下表面散热能对人体舒适性做出贡献。强化侧墙表面散热 ，不与人体直接接触 ，温度可较高，散热强度高 、升温快 .辐射散热直接作用在人体 ，解决炕下冻腿的问题。有的地方还将炕的侧面设置散热罩，大大增强了热辐射效果（见图 4）。
吊炕的设置：吊炕不宜过大，尽可能 3 面或 2 面通风，进而使下表面散发的热量进入人员活动区。吊炕热得快凉的也快，宜布置在热负荷较小房间。落地炕烟道下部宜铺 20 mm～30 mm 干土，起保温隔热作用。其中 ，极具代表性的是吉林省扶余县弓棚子镇广发村的苏向君发明的“苏式火炕”，开创了当地农村民居建筑的一种新模式。 Fig.3 Hanging kang
Fig.4 Su shi heated kang
其采暖最具特点，屋里火炕的炕沿下墙面，留出了一条过烟通道，在屋外掏了一个灶口 ，天冷时 ，只需把农村随处都有的玉米秸杆、花生皮、碎稻草等填入灶口点燃即可，20多分钟后，不仅炕热，而且屋内温度达 15 ℃ 以上，整个冬天不用烧暖气取暖，可节约 1 t多煤，农作物的废弃物变成了“宝”，既清洁又省钱，炕内宽敞，排烟通畅，结构合理，炕温能做到按季节所需调解，温度适宜，不仅热效率高，而且外形美观，型为床式，深受广大农民群众的欢迎，被称为农民家中的“席梦思”。
综上所述，新式炕主要有以下特点：
（1）热效率高，节能显著。经有关单位测试，“吊炕”的灶热效率由 14 %～18 % 提高到了25 %～35%，炕灶综合热效率由 45 % 左右提高到了 70 % 以上。每铺“吊炕”年节约 1 210 kg 薪柴或 1 382 kg 秸秆，相当于691 kg 标准煤。以每亩薪柴林在正常采薪的情况下，年产柴 500 kg 计算，建一铺“吊炕”相当于保护0 .16公顷薪炭林。
（2）炕温均匀，能做到按季节所需适度调节，增加热舒适度。由于对炕、灶、烟囱采取了一系列技术改进措施，可以有效克服老式炕炕面温度不均、冬天凉得快、夏天散热慢的弊端，使炕温均匀，冬天保温效果好，热效长；夏天散热快，炕温低。
（3）增加散热面，提高室温。由于炕底部架空、内部结构改进，炕体由原来的上部单面散热改为上、下、侧面等 3～5 面散热，有利于提高室内温度。据实测，在相同环境条件下，“吊炕”比落地式火炕能提高室温4℃～5℃ 。
（4）外形美观 、卫生，可带动改厨、改院、村屯整治，提高农家生活环境质量。 “吊炕”改变了老式炕灶粗陋不堪、烟熏火燎，柴草乱堆，木灰飞扬的状况，有利于乡村整洁工程的推进。
（5）使用效果好，降低劳动强度。“吊炕”施工技术简单，搭砌容易，并且解决了老式炕灶不好烧、维护不便、年年扒砌、费工、耗柴等问题，节约砍柴工，降低农民特别是农村妇女的劳动强度。
（6）造价较低，原材料易获取。可根据自身经济条件及本地红砖、水泥、石料等炕板原材料生产情况，自由选材，依据原材料的不同，“吊炕”单体投资约 350 元～450 元，可持久使用；而老式炕灶虽然一次投资仅260元左右，要低于“吊炕”的投入，但基本上需要年年重建，总投入远高于“吊炕”。
2.2吊炕的构造技术
正是由于上述优势，使得吊床能够越来越得到农民的青睐。值得注意的是，吊炕在设计时需要满足以下要求：炕面温度分布均匀、炕体热效率高、满足蓄热性要求、烟道流畅、冬暖夏凉。以下分别针对这几点列出一些简单易行的技术措施。
2.2.1提高炕面温度分布均匀性的技术措施
炕面温度分布不均一般指的是“炕头热、炕梢凉”的问题，造成这一现象的主要原因是烟气在炕体内的流动不均匀以及炕面板厚度选择不当等，由此建议采用以下几种方式：
word/media/image3.gif采用后分烟墙。如图5所示，炕体采用后分烟墙可以使得炕体入口烟气有效扩散开，烟气流动更加均匀，可以在一定程度上避免炕头烟气聚集，进而导致过热的问题。
图5 分烟墙烟气分布示意图
Fig.5 Points smoke wall flue gas distribution diagram
（a）烟囱和灶在一侧（b）烟囱在炕后中间位置（c）烟囱在炕后一角
word/media/image5.gif采用引动分烟的方法。所谓引洞分烟，指的是在进烟口处搭砌长约为1/3炕体的引洞（结构如图6所示），这样可以将炕体入口的热烟气引至炕体中部，有效提高炕梢温度，有效解决炕头过热的问题。
word/media/image7.gif减少炕面的支撑点。减少炕面支撑点可以有效减少烟气流动的死角，使得烟气流动更加均匀。炕面下支柱只要能够满足炕板上的重量即可（包括人、被褥以及小饭桌的荷载）。例如，一块炕面板的尺寸为：1000mm×600mm×50mm(长×宽×高)，炕体总尺寸为3000×mm×2000mm×340mm（长×宽×高），炕内支柱砖宜为4块。
图6 引洞分烟示意图
Fig.6 Lead hole points smoke schematic diagram
word/media/image8.gif适当减少炕体的烟气入口截面积。较小的烟气入口面积可以提高烟气的射流作用，有利于烟气在炕洞内的扩散，使得烟气分布更加均匀。一般来说，炕体的烟气入口截面积适当小于炕体的烟气出口（也是烟囱入口）即可。
word/media/image9.gif炕头抹灰厚度比炕梢稍厚一些。一般来说，炕头部分的烟气温度要比炕梢部分的烟气温度高，如果炕头与炕梢的炕板采用相同的厚度，则易出现“炕头热、炕梢凉”的问题。如果将炕头部分的炕板厚度加大，则可以有效降低炕头部分的温度，进而提高炕面温度分布的均匀性。例如，如果炕面选用60mm厚钢筋混凝土板或石板，外侧采用水泥砂浆抹灰。炕头的抹灰厚度要比炕梢厚25~30mm。值得注意的是，上炕板抹灰后应该是平的，厚薄的余量应该在摆炕洞时预留好，保证蓄热和炕面温度均匀。
2.2.2提高炕体热效率的技术措施
如果要提高炕体热效率，就需要让热量尽可能多地传入室内，尽可能减少热损失。建议采用以下几种简单易行的技术措施：
word/media/image3.gif适当增加炕洞高度。适当增加炕洞高度可以降低烟气在炕体内的流通速度，增大烟气在炕腔内的的滞留时间，使得烟气与炕板能够有充分的时间换热，增强换热、提高热效率。例如，炕洞高度宜大于240mm（一块立砖）。
word/media/image5.gif增加与建筑外墙相接触的炕体侧的保温。如果炕体的侧墙与建筑的外墙相接触，则应该在炕墙外表面与建筑外墙内壁面之间增加保温措施，以减少炕板的热损失。
word/media/image7.gif增加烟气余热利用设备。如果炕体排烟温度过高，也会导致炕体的排烟热损失过大，进而影响炕体热效率。在炕体烟气出口以及烟囱入口之间增加一些烟气热回收的措施可以有效降低排烟温度，提高热效率。例如，可以在炕体烟气出口与烟囱入口之间接一段空腔型墙体（类似于火墙），利用部分烟气余热对室内供暖。但值得注意的是，热回收措施不应造成过大的流动阻力，以免发生倒烟现象，恶化室内空气品质。另外，不要使烟囱内的烟气温度过低，以免焦油阻塞烟道。
2.2.3满足蓄热性要求的技术措施
所谓满足炕体蓄热性要求指的是，上炕板外表面温度在夜间人员睡觉期间能够维持在一定温度水平上，不会出现过热或者过冷的问题。根据调研发现，上炕板外表面较为适宜的温度为20~40℃。可以通过合理选择上炕板的材质以及厚度实现蓄热性要求。根据研究表明，上炕板宜选择导热系数大、热容大的材料。材料的选择宜就地选材，例如在石料较多的地区，可以选择石板作为上炕板材料。
此外，炕板的厚度与烧炕模式、燃料量、室内空气温度等因素有关。例如，如果每天的燃料量越大，烟气向炕板的散热量越大，因此需要炕板厚度适当增加，以维持上炕板表面温度在舒适的范围内。如果室内空气温度越高，则炕板向室内的散热量越小，则应适当增加炕板的厚度以满足温度要求。
2.2.4确保烟道流畅的技术措施
只有烟道流畅，才能保证不出现倒烟现象，确保室内空气品质。炕系统利用热压来克服烟气流动阻力。一旦烟气流动阻力大于热压，则会发生倒烟现象。为了保证烟道流畅，则需要使得热压与系统阻力相匹配。从炕体内烟道的设计角度来说，应该尽量减少炕面的支撑点，，减少流畅阻力。从烟囱设计的角度来说，烟囱是形成热压（产生抽力）的主要部件，因此应合理设计烟囱的横截面积以及高度。此外，在刚刚烧炕的阶段，内部热压作用并不明显，此时易发生倒烟现象，可以在烟囱出口处放置小风机，先依靠机械通风方式促进炕系统内烟气流动，当热压足够大时，关闭小风机，降低烟气流速，提高炕体热效率。
2.2.5实现炕体冬暖夏凉的技术措施
可以通过改进炕体与灶的连接方式，调节炕体内烟气流量，从而实现炕体的冬暖夏凉。如图7所示，柴灶中设置两个排烟口，一个排烟口作为炕体的进烟口，另一个排烟口直接连接至烟囱中，在柴灶与烟囱的连接处设置烟插板（与旁通阀类似），通过调节烟插板来调节旁通的烟气流量，进而改变炕体内的烟气流量。在冬季，调节烟插板截断旁通的烟气，柴灶的全部烟气流经炕体后再通过烟囱排出；在夏季，调节烟插板增大旁通烟气的流通，可以减少流经炕体的烟气流量，进而降低烟气对炕体的加热强度，调节炕面温度。虽然烟插板可以灵活调节流经炕体的烟气流量，但要注意插板位置的气密性，以防止烟气泄漏，影响室内空气品质。
（a） （b）
图7 烟气可调式灶连炕系统示意图
Fig.7 Flue gas adjustable stove with kang system schematic diagram
（a）平面图；（b）立面图
2.3高架灶连炕
高架灶连炕的原理如图所示。炕体位于二层房间内，通过烟道与位于一层的柴灶相连。在炊事过程中，通过热压的作用，柴灶的排烟通过连通的烟道进入二层的炕体内加热炕板。高架灶连炕最大的热点就是将火炕移至二层房间内，实现了二层房间应用火炕采暖的设想。而且，这种高架灶连炕系统能够产生较强的热压，烟道流畅，烟气能够顺利排出。
高架灶连炕的设计也应该遵循吊炕中炕体设计要点，以实现炕面温度分布的均匀，满足蓄热性要求、防止倒烟等。此外，灶与炕之间的连接管路尽量砌筑于墙体中，不占用房间空间，同时连接通道截面积不要过大，以免过多的烟气热量传递给墙壁，导致炕面温度过低。
图8 高架灶连炕原理图
Fig.8 Elevated stove with kang principle diagram
3结论
火炕在我国具有上千年的历史，是通过长期实践得到的符合农村用能特点的节能技术，不论从农民用能习惯、建筑节能、还是文化传承的角度来说，炕系统是值得保留的。传统炕系统存在炕面温度分布不均、倒烟、夏天睡热炕等问题，在一定程度上影响了炕在农村的发展。针对上述问题，本文对炕体结构设计、材质选择等方面提出了改进炕体热性能的一系列技术措施。
根据示范工程数据显示，采用上述技术措施后，通过配合高效节能柴灶，节能型炕连灶系统的综合热效率可以由45%左右提高到70%以上，每年没铺炕可节约秸秆1400kg或薪柴1200kg，相当于700kgce。此外，炕面温度分布更加均匀，明显改善“炕不好烧”，“炕头热、炕梢凉”及“夏天睡热炕”等问题。
参考文献
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本文来源：https://www.2haoxitong.net/k/doc/68df44c7a1c7aa00b52acbad.html
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