传统生物质火坑供暖中的低碳与韧性创新：将余热与自然通风相结合，提升夜间热舒适度

《BUILDING AND ENVIRONMENT》：Low-carbon and resilient innovation in traditional biomass fire-pit heating: coupling residual heat with natural ventilation to enhance nighttime thermal comfort

　　文阳汉|常毅|雅婷段|志祥左|杨阳|明瑞张|彦白|月谢|尹张|凯谢
中国四川省成都市西南民族大学建筑与设计学院，邮编610225

**摘要**
火坑是传统农村住宅在冬季的主要热源。然而，由于它们对环境变化的敏感性较高，调节室内温度的能力有限，常常导致供暖韧性不足和热舒适度较差。这一问题在夜间自然冷却阶段尤为明显，此时残余火坑热量与室外环境因素（如环境温度和风速）相互作用，共同影响室内热舒适度。为了减少火坑燃烧时间及相关碳排放，并明确不同开窗策略下残余火坑热量与室外环境条件的耦合效应，本研究开发了三种结合火坑残余热量与极端冬季室外条件的建筑通风方案。结果表明，在仅打开卧室窗户的最佳条件下，夜间93.75%的时间内室内热舒适度得以保持，确保了长时间的舒适环境。当室内温度偏离舒适范围时，可在最多8分钟内恢复，显示出优异的供暖韧性，并显著改善了传统住宅的室内热环境。此外，所提出的系统无需依赖主动供暖系统即可实现满意的夜间热舒适度，其建造成本仅占农村居民年可支配收入的4.02%，显示出很强的经济可行性。本研究为夜间开窗策略提供了实用指导，并为传统住宅供暖系统的低碳和可持续改造提供了新的见解。

**引言**
近年来，建筑行业因对全球能源消耗和碳排放的显著影响而受到越来越多的关注[1,2]。大量研究集中在提高建筑能源效率和维护各种气候条件下的室内热舒适度[3]上。传统研究主要采用被动方法分析稳态热性能和能源需求预测[4,5]。然而，随着极端天气事件的频繁发生和气候变异性的加剧，建筑热韧性概念作为评估瞬态干扰下动态室内环境性能的关键框架应运而生。
住宅建筑在极端条件下维持热舒适度的能力存在显著差异。增强住宅建筑抵御极端天气事件的能力是应对气候变化的关键策略[6]。高影响潜在干扰会持续扰乱系统运行，导致结构或功能故障并缩短使用寿命[7]。韧性是指系统预测、避免或承受潜在高影响和意外干扰的能力，以及在干扰发生时维持或快速恢复正常功能的能力[7]。它取决于系统结构和配置，在复杂系统的可持续性中起着关键作用[8]。强大的韧性使系统能够更好地抵抗干扰并迅速恢复，从而将系统损害降到最低[9]。韧性设计是指在产品设计中解决与韧性相关的实体、属性和关系的过程。应用先进方法（如可持续设计、人工智能辅助设计和优化技术）可以提高设计效率，促进创新，并增强系统应对干扰的能力，从而减少负面社会影响[10]。在评估建筑韧性时，直观的分析方法可能涉及识别防止建筑达到临界热应力水平（过热或过冷）的策略。然而，其他方面（如建筑减少居住者暴露于热应力的能力及其恢复到宜居条件的能力）同样重要[11]。建筑热韧性是指建筑系统维持可接受室内热环境的能力，以及在外部环境波动引起热偏差时快速恢复的能力。在当代建筑设计中，建筑热韧性[12]是最关键但常被忽视的因素之一。
全球气候变化导致传统住宅建筑的室内热环境变异性增加，也改变了居住者的热适应能力[13]。许多现有的传统住宅韧性较差，对外部环境干扰非常敏感。因此，采用以韧性为导向的设计方法进行性能优化尤为重要。当前研究通过将室内热舒适度作为关键指标来评估室内热韧性[14]。由于温度是影响热舒适度的主要因素，室内温度已成为评估室内热韧性的重要指标。基于此，最近的研究开始使用动态指标（如热偏差持续时间、恢复时间和热舒适度恢复率）来量化韧性。例如，有研究强调建筑能源韧性评估应超越静态效率指标，纳入气候不确定性下的动态适应性，突出了瞬态热行为的重要性而非稳态条件[16]。

**参考文献**
[此处列出参考文献]

**自然通风**
自然通风作为一种基本的被动策略，用于调节室内热环境和改善室内空气质量，被认为是提高建筑能源效率的最有前景的方法之一[19]。它在传统建筑中也有着关键的作用[20]。自然通风依靠风压和浮力效应，在无需机械能量输入的情况下实现室内外环境之间的热交换。许多研究采用计算流体动力学（CFD）和耦合仿真方法来研究自然通风建筑的气流特性和热性能[21][22][23]。然而，现有研究主要集中在以冷却为主的场景和气流组织上，而针对以供暖为主的环境（特别是涉及残余热量利用的研究）仍然相对有限。

**残余热量利用**
残余热量利用作为建筑能源系统中的一个重要但未充分开发的组成部分，在学术界越来越受到重视。在许多低能耗建筑和传统住宅中，内部热源（如生物质燃烧、热储存元件和间歇性供暖系统）在停止运行后仍会继续释放热量。这种残余热量对夜间室内热环境有显著影响，尤其是在寒冷地区。关于热储存系统和被动太阳能供暖的研究[24]表明，储存或延迟热量释放可以有效延长热舒适时间而无需额外能源输入。然而，大多数现有研究将残余热量和通风视为独立过程，而不是将其作为一个完全耦合的动态系统来分析。

**农村振兴与可持续改造**
近年来，随着农村振兴战略和可持续改造计划的推进，传统火坑——作为农村住宅中日常活动、接待客人和室内供暖的主要空间——已成为评估室内热舒适度和供暖韧性的重要研究对象[25]。现有研究调查了加热平台（炕）表面温度对室内热环境的动态影响[26]；应用计算流体动力学（CFD）分析炕系统内的热传递过程，并研究了其在不同室外温度条件下的影响[27]；基于简化假设的建筑物围护结构热传递开发了热传递和气流模型，以确定影响表面温度和室内热波动的关键参数[28]，并探讨了性能提升策略，包括系统集成[29]、使用相变材料[30]、优化供暖平台系统[31]以及结合太阳能技术[32,33]。然而，现有研究也表明，传统火坑系统无法提供全天候的空间供暖，尤其是在夜间[30]。现有文献表明，以往的研究主要集中在提高燃烧效率和减少排放上，对燃烧后的阶段（在此期间仍会释放大量残余热量）关注较少。这种残余热量与自然通风驱动的室内气流模式相互作用，形成了一个由热量衰减、空气交换率和外部气候条件共同控制的复杂瞬态热系统。尽管如此，残余热量释放与通风驱动的热量散发之间的耦合机制仍研究不足。

**研究现状与不足**
总体而言，尽管在热韧性评估、自然通风建模和被动热量利用方面取得了显著进展，但仍存在三个主要研究空白。首先，热韧性研究主要集中在现代机械或混合暖通空调（HVAC）系统上，对传统供暖方式的应用有限。其次，自然通风研究通常忽略了其与以供暖为主的环境中残余热源的相互作用机制。第三，生物质火坑产生的残余热量与通风驱动的热量散发之间的动态耦合尚未系统研究，特别是其对夜间室内供暖韧性和热舒适度持续时间的影响。因此，迫切需要开发一个综合框架，将火坑残余热量利用与自然通风相结合——尤其是在夜间条件下——以评估传统住宅的室内热舒适度。

**本研究**
本研究聚焦于传统住宅，提出了一种利用生物质火坑产生的残余热量进行室内供暖的创新韧性策略。该方法的核心概念是在火坑达到完全燃烧状态后立即终止燃烧过程，从而缩短污染物排放时间和减少碳排放。通过对不同夜间开窗配置的系统性分析，全面考虑了火坑残余热量、室外温度和风速之间的耦合效应。卧室温度保持在热舒适范围内的时间比例被用作开窗策略的评估指标，而室内温度超过舒适范围后恢复所需的时间和速度则被定义为供暖韧性的指标。基于被动优化原则，研究结果提供了一种低碳、可持续且经济高效的解决方案，用于改善传统住宅的室内热舒适度。案例研究进一步揭示了夜间残余热量供暖系统的韧性特征，为该领域的未来研究提供了理论支持。

**研究地点**
研究区域位于中国四川省阿坝藏族自治州松潘县。该村位于松潘县的中东部，沿九环公路分布，东邻大寨乡的三岔坝村，南接高屯子村的第一组，西靠岷江，北邻高屯子村的哈梅寨组。地理上，该村经度范围为103°36′13″至103°37′03″，纬度范围为32°40′22″至32°43′21″。

**研究阶段与框架**
本研究分为三个主要阶段，如图5所示。第一阶段包括数据收集和火坑冷却模型的开发。第二阶段确定室外气候参数和立面开窗策略，然后通过瞬态仿真方法将火坑的残余热量与室外环境条件相结合。第三阶段致力于参数优化和方案确定。

**物理模型**
在原始传统开放式火坑的位置建造了一个封闭式火坑（图7a），如图7所示。火坑采用方形结构，用传统红砖建造，既便于就座和社交互动，又保持了较低的建造成本。生物质燃烧直接用于加热接触表面，而残余热量和烟气则排放到室外。这种设计显著提高了供暖效率。

**模型验证**
由于火坑燃烧过程会产生明显的热分层，因此需要使用能够准确捕捉浮力驱动流动和温度梯度的湍流模型。SST k–ω模型的增强壁处理能够精确预测温度梯度和热边界层，这对于理解封闭空间内的热分布模式至关重要[43]。此外，以往关于室内供暖模拟的研究表明……

**火坑停止燃烧后的室内环境**
火坑停止燃烧后，室内温度分布如图13(a)所示，室内气流模式如图13(b)所示。当火坑停止燃烧时，卧室的温度在所有房间中最低，约为6°C，而窗台附近的温度则降至约-2°C。在这种条件下，室内热环境无法满足热舒适性的要求。然而，气流模式表明传统火坑对环境变化非常敏感，通常加热稳定性不足，因此难以有效调节室内温度，导致热舒适性不佳。本研究采用了一种被动优化策略，通过调整窗户开启方式，将火坑在夜间的余热与室外温度和风速相结合。该方法为改善室内热环境提供了实用且可行的建议。

**利益冲突声明**
作者声明在本文的研究、作者身份和/或发表过程中不存在任何潜在的利益冲突。

**数据和材料的可用性**
本研究中使用和/或分析的数据集可向相应作者提出合理请求后获取。

**作者贡献声明**
韩文阳：撰写初稿、可视化处理、验证、软件开发、项目管理、方法论设计、数据整理、概念构建。
段一昌：可视化处理、软件开发、数据分析。
左志翔：资源协调、数据分析。
杨阳：可视化处理、软件开发、数据分析。
张明瑞：可视化处理、数据分析。
白燕：数据验证、软件开发。
谢月：数据验证、软件开发。
张寅：撰写修订稿、数据验证。