胡 洋

(深圳市立方建筑設(shè)計(jì)顧問(wèn)有限公司，廣東深圳 518038)

0 引言

建筑節(jié)能是目前我國(guó)現(xiàn)行的一項(xiàng)重大政府決策，其重要性和必要性已引起全社會(huì)的廣泛關(guān)注。節(jié)約能源，保護(hù)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，成為我國(guó)的一項(xiàng)基本國(guó)策。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，居民住宅的逐漸增多，我國(guó)每年建筑能耗增長(zhǎng)率都大大超過(guò)社會(huì)總能耗的增長(zhǎng)，而目前我國(guó)的節(jié)能建筑只占不到10%的比例［1］，控制建筑用能處于我國(guó)長(zhǎng)期發(fā)展戰(zhàn)略的核心地位。建筑節(jié)能是一項(xiàng)系統(tǒng)工程，它包括從開(kāi)始的建筑總體規(guī)劃、設(shè)計(jì)、材料及采暖、通風(fēng)、給排水、電氣等各種具體技術(shù)措施，并且不同的地區(qū)對(duì)應(yīng)不同的節(jié)能方式。

目前我國(guó)已針對(duì)不同地區(qū)下達(dá)了不同的建筑節(jié)能指標(biāo)，以降低單位建筑面積的能耗。實(shí)現(xiàn)建筑節(jié)能最有效的手段就是自然能源的利用，而太陽(yáng)能無(wú)疑是最優(yōu)的選擇之一。利用太陽(yáng)能加熱空氣，空氣的密度差在一定的高度上形成熱壓差，從而形成通風(fēng)動(dòng)力，可驅(qū)動(dòng)和加強(qiáng)建筑內(nèi)部的通風(fēng)換氣，即所謂的“煙囪效應(yīng)”。太陽(yáng)能通風(fēng)可以通過(guò)建筑自身的一體化設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)，也可通過(guò)附加太陽(yáng)能通風(fēng)器加強(qiáng)通風(fēng)。太陽(yáng)能通風(fēng)器是通過(guò)自然通風(fēng)實(shí)現(xiàn)節(jié)能思路下的一個(gè)新的技術(shù)路線，目前國(guó)內(nèi)還沒(méi)有過(guò)多關(guān)于此方面的研究。本文通過(guò)對(duì)通風(fēng)器建立數(shù)學(xué)模型，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)量通風(fēng)器在特定環(huán)境下的通風(fēng)量，分析了通風(fēng)量與太陽(yáng)輻射的關(guān)系以及通風(fēng)器的各項(xiàng)性能指標(biāo)，對(duì)太陽(yáng)能通風(fēng)器在節(jié)能建筑中的運(yùn)用具有十分重要的指導(dǎo)意義。

1 數(shù)學(xué)模型

太陽(yáng)能通風(fēng)器的研究可歸屬為管道流，所不同的是流動(dòng)的動(dòng)力并不是來(lái)源于傳統(tǒng)的水泵或風(fēng)機(jī)，而是通風(fēng)管道本身，因?yàn)橥L(fēng)器內(nèi)部設(shè)置的太陽(yáng)能吸熱裝置在吸收日射后升溫并加熱周圍空氣，附壁上流的空氣通過(guò)湍流將動(dòng)量傳遞給離壁較遠(yuǎn)處空氣，從而形成通風(fēng)器內(nèi)整體的氣流上升之勢(shì)。所以，通風(fēng)器本身集中了動(dòng)力和阻力兩個(gè)對(duì)立的矛盾，這就使得通風(fēng)器的構(gòu)造及尺寸的選擇上不能通過(guò)改變某一尺寸而得到線性相關(guān)的通風(fēng)量，而必須綜合權(quán)衡阻力、動(dòng)力、經(jīng)濟(jì)性等各項(xiàng)指標(biāo)取得最大性價(jià)比。對(duì)于動(dòng)力熱壓，可通過(guò)下式計(jì)算得到:

其中，ΔPT為通風(fēng)器上下斷面之間的壓差，Pa;ρw，ρn分別為通風(fēng)器外部、內(nèi)部空氣的密度，kg/m3;Tw，Tn分別為通風(fēng)器外部、內(nèi)部空氣的溫度，℃;H為通風(fēng)器高度，m。其中，Tn為關(guān)于通風(fēng)器高度H變化的函數(shù)。

根據(jù)質(zhì)量守恒定律，通風(fēng)器的通風(fēng)質(zhì)量定義如下［2］:

其中，Q為質(zhì)量流量，kg/s;ρ0為出口空氣密度;g為重力加速度;Ao為出口面積，m2;Ar為出口面積與進(jìn)口面積之比;T0，Tr分別為出口、室內(nèi)空氣溫度;Cd為流量系數(shù)。

單位面積的吸熱材料的能量平衡方程為［3］:

其中，α為吸熱板的吸熱率;I為太陽(yáng)輻射強(qiáng)度;τ為通風(fēng)器透光材料的透射系數(shù);Tp為吸熱材料表面溫度;hf為吸熱材料與通風(fēng)器內(nèi)部空氣之間的對(duì)流換熱系數(shù);UL為吸熱材料的熱損失系數(shù)。其中，hf和UL的確定參見(jiàn)文獻(xiàn)［3］。

沿通風(fēng)器豎向的空氣流動(dòng)能量平衡方程為［4］:

邊界條件:x=0;Tn=Tr。

“你這些玉器陰氣很重，我看多半是陪葬的冥器?！崩系雷焐险f(shuō)著，手上也沒(méi)停下，他靈巧地調(diào)整著那些便宜的玉石珠寶的擺放位置。“從款式上來(lái)看，也不像是‘九竅塞’，多半是墓主生前喜歡的器物，死后一起下葬了。大概是墓主死得不甘，內(nèi)有蹊蹺，才使得這批玉器沾染上了晦氣啊?！?/p>

其中，Cp為空氣的定壓比熱;Δx為通風(fēng)器豎向微元長(zhǎng)度;w為吸熱材料總寬度。

通過(guò)式(4)，可求得通風(fēng)器內(nèi)的豎向溫度分布為:

由此可得通風(fēng)器內(nèi)的空氣平均溫度:

將方程(5)代入式(1)，還可求得通風(fēng)器的動(dòng)力熱壓。

2 物理模型

太陽(yáng)能煙囪通常有太陽(yáng)能集熱墻體(Trombe墻)和太陽(yáng)能集熱屋面兩種典型結(jié)構(gòu)，后者的特點(diǎn)是由上部蓋板(通常為透明蓋板)、下部吸熱板以及中間的空氣流道共同組成房間的排風(fēng)系統(tǒng)［5］。太陽(yáng)能集熱屋面又分為豎直式和傾斜式兩種結(jié)構(gòu)形式。此外，還有墻壁—屋頂式(Wall-Roof)的太陽(yáng)能煙囪、輔助風(fēng)塔通風(fēng)的太陽(yáng)能煙囪等。對(duì)于既有建筑，則通過(guò)附加單獨(dú)的太陽(yáng)能煙囪輔助通風(fēng)，如圖1所示。目前，在歐美國(guó)家，太陽(yáng)能煙囪已被應(yīng)用于被動(dòng)式太陽(yáng)房，并成為太陽(yáng)房的主要組成部分。

太陽(yáng)能煙囪不僅可以用于民用建筑的通風(fēng)，也可用于需要通風(fēng)換氣的工業(yè)廠房及種植溫室，但首先需要考慮的是當(dāng)?shù)厥欠窬哂胸S富的太陽(yáng)能資源。通風(fēng)器的關(guān)鍵參數(shù)為太陽(yáng)能利用系數(shù)和通風(fēng)器的阻抗，設(shè)計(jì)時(shí)必須注意:

1)內(nèi)部吸熱材料的吸收率要大，布置時(shí)要盡量減小對(duì)氣流流動(dòng)的影響。

2)通風(fēng)器的吸熱裝置盡可能不要被其他物體阻擋，盡量讓其豎向截面垂直于日射方向，以便盡可能多的吸收太陽(yáng)輻射。

3)排風(fēng)通道的阻抗要盡可能小，重量應(yīng)盡可能的輕。

4)使通風(fēng)器出口處于風(fēng)壓負(fù)壓區(qū)，以便利用風(fēng)壓加強(qiáng)通風(fēng)和防止氣流倒灌。

5)盡量將太陽(yáng)能煙囪與其他建筑構(gòu)件如風(fēng)塔、天井、樓梯間結(jié)合成整體系統(tǒng)，以達(dá)到更好通風(fēng)效果。

3 實(shí)驗(yàn)及分析

實(shí)驗(yàn)選取過(guò)渡季節(jié)陽(yáng)光輻射較為強(qiáng)烈且風(fēng)力較小天氣進(jìn)行。通風(fēng)器為自制，高度為4 m，斷面為0.8 m×0.8 m矩形。為減輕重量，通風(fēng)器的固定框架選用PE管，以三通作為連接件。吸熱材料為黑色絲布，沿通風(fēng)器長(zhǎng)度方向布置在通風(fēng)器的對(duì)角面上。通風(fēng)器外部用透明塑料薄膜包裹，如圖2所示。

圖1 太陽(yáng)能煙囪示意圖

圖2 通風(fēng)器模型及斷面圖

4 結(jié)語(yǔ)

圖2中，截面圖中的四個(gè)“*”代表測(cè)點(diǎn)布置位置，在通風(fēng)器進(jìn)口和出口斷面分別以此布置四個(gè)溫度測(cè)點(diǎn)，以測(cè)量T0，Tr;Tp采用激光測(cè)溫儀測(cè)得，為減小誤差，以測(cè)量多個(gè)斷面平均溫度加權(quán)計(jì)算確定。

以下為太陽(yáng)輻射強(qiáng)度及部分實(shí)驗(yàn)結(jié)果曲線(見(jiàn)圖3，圖4)。

圖3 太陽(yáng)輻射強(qiáng)度變化曲線

圖4 單位體積通風(fēng)量變化曲線

從圖3，圖4曲線的變化規(guī)律可以看出，單位體積通風(fēng)器的通風(fēng)量的總體變化規(guī)律與水平太陽(yáng)輻射照度的變化規(guī)律相似，通風(fēng)量隨著輻射照度的增加而增加，早晨和下午較小，中午最大，即太陽(yáng)輻射越強(qiáng)烈，通風(fēng)量越大，而此時(shí)建筑所需通風(fēng)量也會(huì)增大，也就是主、被動(dòng)因素的變化趨勢(shì)相同，這是太陽(yáng)能通風(fēng)區(qū)別其他空調(diào)設(shè)計(jì)的重要特征。

對(duì)于實(shí)驗(yàn)所用通風(fēng)器，單位體積通風(fēng)器的平均通風(fēng)量為0.076 m3/s，單位長(zhǎng)度阻抗值為1.08 kg/m7，平均太陽(yáng)輻射利用系數(shù)為0.162 7。若是按照此標(biāo)準(zhǔn)給建筑通風(fēng)，一幢普通的現(xiàn)代建筑所需的通風(fēng)器的體積就會(huì)非常龐大，即使造價(jià)不高，龐大的體積也會(huì)使得施工非常不便。對(duì)于太陽(yáng)能不是十分豐富的地區(qū)，實(shí)用性將會(huì)更低。另外，太陽(yáng)輻射利用系數(shù)值也較低，原因在于多方面，但主要是因?yàn)槲鼰岚宕蟛糠置娣e與日射角度太小的原因。

圖3顯示，正午時(shí)的太陽(yáng)輻射最強(qiáng)烈，通風(fēng)量也最大，但圖5的曲線卻表明，正午的太陽(yáng)輻射利用系數(shù)卻最低。原因在于正午太陽(yáng)高度角最大，輻射方向基本與通風(fēng)器的側(cè)面平行，日射在吸熱材料的有效投影面積很小，吸收的太陽(yáng)能相對(duì)較少，所以利用系數(shù)就相應(yīng)較小。若是通風(fēng)器在安裝時(shí)，設(shè)定一定的角度或是可以根據(jù)日射方向隨時(shí)調(diào)整角度以便增大有效輻射面積，則利用率就會(huì)大大提高，但要綜合考慮調(diào)整角度后，通風(fēng)器的鉛直高度減小會(huì)削弱通風(fēng)器的通風(fēng)能力。

圖5 太陽(yáng)輻射利用系數(shù)變化曲線

1)以實(shí)驗(yàn)所用通風(fēng)器材料為標(biāo)準(zhǔn)，單位體積通風(fēng)器的通風(fēng)量為0.076 m3/s;單位長(zhǎng)度阻抗為1.08 kg/m7;太陽(yáng)輻射平均利用系數(shù)為 0.162 7。

2)利用太陽(yáng)能來(lái)加強(qiáng)建筑的自然通風(fēng)可以大大降低建筑空調(diào)能耗，但其技術(shù)尚處于不成熟階段，形式和材料的標(biāo)準(zhǔn)也沒(méi)統(tǒng)一和普及，其初投資和施工難度也很高，所以目前還不具備廣泛推廣的條件。但是太陽(yáng)能通風(fēng)器迎合了開(kāi)發(fā)太陽(yáng)能的綠色發(fā)展方向，迎合了建筑節(jié)能的主流，所以高效經(jīng)濟(jì)的太陽(yáng)能通風(fēng)器的研發(fā)必然是今后建筑節(jié)能的一項(xiàng)重大戰(zhàn)略舉措。

［1］付祥釗.建筑節(jié)能［D］.重慶:重慶大學(xué)，2006.

［2］Bansal NK，Mathur R，Bhandari MS.Solar chimney for enhanced stack ventilation［J］.Building and Environment，1993(28):373-377.

［3］Bansal NK.Modeling of window-sized solar chimneys for ventilation［J］.Building and Environment，2005(40):1302-1308.

［4］何 云.數(shù)值模擬在太陽(yáng)能煙囪通風(fēng)效應(yīng)研究中的應(yīng)用［D］.昆明:云南師范大學(xué)，2006.

［5］蘇 醒.太陽(yáng)能煙囪的通風(fēng)效應(yīng)及應(yīng)用研究［D］.上海:同濟(jì)大學(xué)，2005.