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按 一般认为，绿色发展取决于技术进步，尤其是高科技的创新。技术进步固然重要，很多问题却又正是因为新技术而导致，人们于是又冀望更新的技术……如此循环往复。爱因斯坦说，“我们不能用过去导致这些问题的思维，去寻求问题的解决”。因此，至为关键的，是思维方式的转变。很多时候，我们并不需要昂贵的高技术。很多不起眼的适用技术，就可以深刻地改变我们的世界，而且更为重要的是，改变我们看问题的方式。类似的适用技术非常多。今天给大家介绍一款神奇的火箭炉取暖技术，给那些在诸如“究竟南方应不应该集中供暖”之类的争论中，冻得瑟瑟发抖的小伙伴们一个福音。这个神奇的火箭炉取暖器，不只是一个技术，还可能带来系统性变化。有了神奇的火箭炉，过去烟熏火燎被鄙视的柴火燃料，竟然可以屌丝逆袭，成为超级高效且比天然气更清洁的可再生燃料，从而让遍地皆是的树枝、秸秆等废弃物重新被高效利用。不用再等了，自己动手DIY吧！  火箭炉的“前世今生” 火箭炉的原型是1982年为非洲人发明的一种用于室外烹饪的高效炉具。却没想到基于其超高热能利用效率而设计的取暖器，在欧美别墅建造中越来越流行。  经过了30多年和多个国家的实践后，2006年，火箭炉的研究者Ianto Evans推出一种可以供家庭室内取暖的火箭炉。经过众多爱好者的实践探索，火箭炉已经成为一种高效、廉价且可以DIY的采暖设备，尤其适合发展中国家和地区以及不便于接入公共能源服务系统（如乡村）的家庭等使用。  火箭炉的神奇之处 火箭炉专家Erica Wisner和 Ernie Wisner已经亲手制作了700多个各式各样的火箭炉。他们认为火箭炉取暖器共有6大优势： 1、 省燃料 达到同样的取暖效果，对比传统木柴炉可节省80%-90%的木柴； 2、 环保安全 排出的废气只包含纯水蒸气和二氧化碳，没有浓烟污染空气（刚点火的时候会有一点烟）；比使用天然气炉和电暖气的碳排放都要低，而且不会因为不完全燃烧造成一氧化碳中毒； 3、 保温时间长 燃烧1至2小时所提供的热量能为房间保暖多日； 4、 建造周期短 一般一至两天就能自己动手完成一个火箭炉的制作； 5、 建造成本低 可以DIY，还有很多可替代材料，尤其是一些废弃材料的再利用，大幅降低制作成本； 6、 运维成本低 将自家院子里掉落的干树枝收集起来使用就足够供暖。如果只能购买燃料，花费也要小于天然气炉。 看到这里，我们不禁会问：是什么让火箭炉这么神奇？ 火箭炉的详细介绍 火箭炉工作的原理 火箭炉取暖器由两个部分组成：炉体和储热体。首先，火箭炉炉体中垂直的燃烧腔引起“烟囱效应”，加之隔热材料做成的燃烧腔形成高温环境，促进燃料的充分燃烧。  图片说明：烟囱效应的原理 烟囱效应，是指空气沿着有垂直坡度的空间向上升或下降，造成空气加强对流的现象。最常见的烟囱效应是火炉、锅炉运作时，产生的热空气随著烟囱向上升，在烟囱的顶部离开。因为烟囱中的热空气散溢而造成的气流，将外部的空气抽入填补，令火炉的火更猛烈。 火箭炉炉体由四个部件组成：一个垂直放置木柴的进料口（从木柴底部点火，利于通风排烟）；一个进风口（形成烟囱效应后从外部抽入空气，促进充分燃烧）；隔热材料组成的垂直的“J”型燃烧腔（相当于烟囱）；燃烧腔外面套上钢桶。  图片说明：火箭炉工作原理 在火箭炉中，当木柴被点燃，空气被加热，热气携带烟雾和燃烧木柴所产生的杂质进入燃烧腔，上升冲到钢桶顶部，形成强烈对流，引起烟囱效应，致使烟雾和杂质等再次回到燃烧腔，并从进气口将外部空气大量吸入燃烧腔，充足的氧气促进烟雾和杂质的再次燃烧。反复这样的过程，最终木柴完全燃烧（烟雾杂质也完全燃烧）。完全燃烧后的热气从钢桶和燃烧腔之间空隙中进入后面的散热管道。过程如上图所示。 另一个原因是增加了储热体：利用砖以及加草黏土这类热导率低的保温材料，将发热体（包括炉体和后面的散热管道）包裹起来，充分吸收热量后再缓慢释放。在铺设保温材料时，增加保温层的厚度将起到增加热阻的效果，进一步提升保温性。 最后排出的废气温度和室温接近，在35℃左右，而在燃烧腔内的气体温度可以高达近900℃。因此，大量热量随热气通过散热管道时被储热体吸收。储热体可以在结束燃烧后很长时间持续散热，保持室内温度。  由于砌体和加草黏土的可塑性很强，可以将储热材料塑造成沙发、长椅等形状来储存热量，更加实用美观。 火箭炉成本低廉 首先，制作材料便宜。火箭炉的核心炉体是一个隔热材料制作的燃烧腔（引起烟囱效应，提供高温环境），外部罩上了一个钢桶（废弃的油桶等也可以达到同样效果），材料便宜。  组成储热体的材料如砖砌体和加草黏土、碎石和鹅卵石等，也同样便宜。加草黏土是将黏土、沙子和秸秆搅拌在一起的材料，与我国北方乡村土炕和土墙的材料一致，便宜且环保，又有很好的储热效果。  其次，制作简单。制造工艺比较简单，不需要太多人力或者其他机械设备等投入。  最重要的一点，节省燃料。由于火箭炉燃烧充分，又对燃烧产生的热量充分吸收和储存，只用少量燃料就能达到取暖的效果，甚至用干枯掉落的树枝就足以维持系统的运转，节省了大量燃料费用。 “绿色”火箭炉 首先，由于充分燃烧，火箭炉不产生烟雾和其他杂质，不会污染空气。其次，作为完全燃烧的设备，它需要的燃料更少，节约能源。 而且，由于其排放的二氧化碳与树木（燃料）生长过程中吸收的二氧化碳量相当，使用火箭炉时，木柴可以看做是“零碳排”的可再生燃料，不仅比天然气更清洁，还更加低碳。  对火箭炉的疑问和研究 对火箭炉的“效率提高10倍”、“节省90%的燃料”等说法，很多使用传统取暖炉的用户在最初很难相信。长期从事火箭炉制造的Erica Wisner 和 Ernie Wisner在他们的博客中解释到： “传统炉子的烟囱里总是冒着滚烫的浓烟，但是火箭炉排出的气体只比室温略高一点，而且几乎没什么烟。这说明火箭炉中木柴是完全燃烧的，而且燃烧产生的热量被储热体充分吸收储存。 传统木柴炉说自己有75%的热效率，是因为并没计算这些从烟囱里排出的热量和烟雾，而实验室数据证明，这部分损失的热量占到总体的14%-16%，这样就只剩59%的热效率。而且75%是实验室条件下的理想值，平常生活里很难达到，就算是用炉子的高手，传统木柴炉也只能达到35%的效率。甚至有些人希望炉子多烧一会，还会用添加未晒干的木柴或者关掉进气阀门的方式，导致不完全燃烧，热效率只有5%或者更少。而火箭炉取暖器不仅燃烧效率高，而且热量充分储存，减少热量损失，故热效率大幅提高。 木柴在燃烧中还会产生如木榴油这样的杂质。在一个普通炉子不充分燃烧的情况下，木榴油会随着热气被排入烟囱后再燃烧起来，但这些热量完全是损失的。而在火箭炉中，烟囱就是燃烧腔，将还没被完全燃烧的部分燃烧干净。 完全燃烧的前提是充足的氧气进入燃烧腔。火箭炉利用烟囱效应，在燃烧时，把外部的空气强力吸入系统。即使是新手，使用火箭炉也能达到90%的效率。”  图片来自：https:///rocket-stove-mass-heater.jsp 他们承认“房屋空间的大小、房屋保温性、密闭性、室外寒冷的程度、储热体的材料、散热管的密封性、建造火箭炉的技术等，确实会影响热效率和燃料的用量”，但是他们强调“火箭炉的热效率明显比一般炉具高。” 科学研究也同样证明了火箭炉的高效率，同时指出一些关键参数对火箭炉的热效率的影响很大。Schumack 于2015年10月《应用热力工程》杂志上发表的《对火箭炉取暖器的计算机模拟分析》中，利用计算机建模对影响火箭炉取暖器热效率的各种因素进行了仿真分析。研究发现，燃料的燃烧效率、储热体的体积和覆盖长度、散热管道的性质、燃烧腔的高度、燃烧腔和外部钢桶之间的空隙大小等，都会影响火箭炉的热效率。如果燃烧腔高度不足或者和钢桶之间的空隙太小，会降低热效率；而增加进风口、增加散热管道的长度会提升热效率（但散热管道不能过长）；储热体轴向温度变化比径向变化小。 图片来自：Schumack M. A computational model for a rocket mass heater[J]. Applied Thermal Engineering, 2016, 93:763-778. 火箭炉的升级 火箭炉因为高效环保的优点受到欢迎，很多升级产品也应运而生。在此对火箭炉优化的几个方向逐一分析。 1、 炉体标准化制造 火箭炉的炉体是整个系统的关键部分。将炉体的四个部件做成一体的标准化工业产品是对火箭炉的优化方向之一，减少了核心部分DIY的难度和风险。 2、 进气优化 在火箭炉进气口附近的炉壁上增加小的楔形体，由于烟囱效应的存在，外部气体被抽入炉体后，被楔形体改变方向，形成涡流，将空气和未完全燃烧的烟雾杂质等充分混合，进一步促进完全燃烧。 3、 材料优化 使用隔热效果更好的材料制作燃烧腔，以及采用散热性更好的管道以及储热效果更出众的材料制造储热体。 4、 储热体优化 在传统的火箭炉中，储热体由散热管道和储热材料组成。为了保证热量被储热材料充分吸收，散热管道直径会粗一些，还会尽量延长铺设（但不能超过一定长度），便于散热；同时，为节省空间，散热管道会被弯曲。但是这样的设置导致了热量无法充分利用的问题。 首先，管道内不同温度的气流混合在一起，更热气流的热量还没有被充分吸收就被排出管道。其次，弯曲的管道给气流通过造成阻力，阻碍燃烧腔内不断产生的热气流进入散热管道，影响燃烧效率。 基于这样的问题，垂直的两仓式的储热体可能更有优势。如下图所示： 图片来自：http://www./wordpress/wp-content/uploads/2013/08/Dragon_Heaters_vs_Rocket_Heaters.pdf 热气流从燃烧腔进入第一仓，热气（红色箭头）上升与储热材料接触，散热后稍冷一些的气流（粉色箭头）在重力作用下下降到第一仓底部，这部分气流仍然比原本第二仓的空气温度高，上升进入第二仓（上层），与第二仓顶部的储热材料充分接触散热后温度降低，冷气（蓝色箭头）下降，从第二仓底部排出。第一仓直接与燃烧腔连通，温度始终高于第二仓温度，保证这样的循环持续。 垂直两仓式储热体能充分利用热量的原因如下：首先，在重力的作用下，冷热气流完全分开，只有最冷的气流被排出，热效率更高。其次，由于没有弯道，气流进入仓体后没有阻力，不会影响热气从燃烧腔源源不断进入储热体。同时，空气中有80%的气体（氮气和惰性气体）是不能燃烧的，这部分气体升温速度很慢但是降温很快，进入储热体以后会被最先排出去，保证热气快速进入以及热量被充分吸收。 垂直的储热体还可以直接与墙面结合，扩展进入不同房间，为多个空间供暖。增大散热面积的同时，对室内空间的侵占相对较小，也不会像管道一样有长度的限制。 但具体的参数还有待进一步研究确定。 火箭炉的应用前景 作为一种节能环保的取暖设备，如果火箭炉取暖器得到广泛应用，不仅为没有或缺少集中供暖系统的乡村或者新兴城镇化地区带来生活品质的大幅提升，也为解决北方供暖季的空气污染问题，以及南方冬天忍受湿冷的问题带来新的思路。 火箭炉还可以用于地暖。在储热体上铺地面，能在一定范围内保证室内的温度。 除取暖设备外，火箭炉本身是一种高效的烹饪炉具，可以高温烹煮，还可以做成移动烤炉。 图片说明：巴西小伙用移动火箭炉烤面包贩卖（新闻） 类似的储热体（mass heater）技术还常被用于设施农业，在夜间为大棚中的作物保温。如果大棚保温结合火箭炉高效环保的特点，也许有更好的效果。 虽然从原理上解释和分析火箭炉取暖器的内容比较充足，但是针对我国城乡发展和环境保护的需要，还需要进一步进行本土化应用的研究和实验。需要对不同地区的燃料资源、气候条件、房屋状况等进行分别分析，确定关键参数，才能更好地推广和应用火箭炉。 参考资料 https:///c/7 https:///rocket-stove-mass-heater.jsp http://baike.baidu.com/linkurl=kjVbVX7aimfgYsyMz15YKt4wn0j7I0uFRWy1vDqapobSJiR2lRvIV0LnW5h42Xfnnn_GA5l8MtwE2uBXVBAqkY7bEiUgTGPfLKK-kqYyGK_
https://en./wiki/Rocket_mass_heater http://www./xiazai/ul.html Schumack M. A computational model for a rocket mass heater[J]. Applied Thermal Engineering, 2016, 93:763-778. Erica Wisner & Ernie Wisner. The Rocket Mass Heater Builder’s Guide: Complete Step-by-Step Construction, Maintenance and Troubleshooting [M]. Gabriola Island, BC，Canada: New Society Publishers. 14th Jun 2016. http://www./wordpress/wp-content/uploads/2013/08/Dragon_Heaters_vs_Rocket_Heaters.pdf 编辑&综合整理：宋逸群 声明 凡本库所介绍文章观点均代表原作者观点，不代表本库及所在研究机构观点。 |
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