李國棟

（上海東方延華節(jié)能技術服務股份有限公司，上海 200060）

太陽能煙囪自然通風在建筑節(jié)能中的應用分析

李國棟*

（上海東方延華節(jié)能技術服務股份有限公司，上海 200060）

自然通風技術和新能源開發(fā)利用，是現(xiàn)代建筑節(jié)能中普遍采用的改善室內熱環(huán)境和降低空調能耗的主要技術手段，太陽能煙囪將上述兩種手段有機結合起來，是一種基于建筑物高度引起的壓力差的自然通風設備。它利用太陽輻射作為動力，為空氣流動提供浮升力，將熱能轉化為動能。本文對某項目中用于室內自然通風的太陽能煙囪進行數(shù)值模擬。利用如Realizable κ-ε湍流模型、離散坐標輻射模型以及SIMPLEC算法對建筑內的風速和溫度等分布進行分析計算。對比不同的建筑設計參數(shù)諸如通風量、進風口面積出與風口面積等參數(shù)的影響，來闡明“煙囪效應”對室內環(huán)境的影響。

強化自然通風；太陽能煙囪；建筑節(jié)能

0　引言

近年來，建筑設計理念正在變化，在考慮建筑時尚外觀的前提下，還要考慮建筑與環(huán)境的影響。優(yōu)秀的建筑設計應該是環(huán)保經濟的，現(xiàn)在越來越多的建筑設計考慮用再生能源以減少對傳統(tǒng)能源的耗用并改善環(huán)境。例如，我們在冬天用太陽能提供采暖，夏天利用自然通風為建筑降溫，這些設計既減少了建筑耗能也提升了建筑的舒適性。自然通風是最常見的通風換氣方式，與機械通風相比，自然通風不僅節(jié)省能源消耗，而且能提高室內空氣質量和人體舒適性。

太陽能煙囪作為強化自然通風的一種方式如圖 1，其通風原理是熱壓通風。太陽輻射透過透明玻璃蓋板進入煙囪通道后被蓄熱材料吸收，從而加熱通道內的空氣，使之產生內外密度差，完成熱壓到風壓的轉換，驅動通道內空氣向上流動。夏季時室內空氣由集熱墻下部進入太陽能煙囪通道，被吸收太陽輻射的集熱墻加熱溫度升高、密度降低后從上部出口排出至室外，以此達到通風效果。冬季工作原理與夏季相同但運行工況相反，室外冷空氣進入太陽能煙囪通道，經集熱墻加熱溫度升高后，從集熱墻上部入口進入室內，從而達到通風換氣以及供暖的目的［1-3］。

圖1　太陽能煙囪原理圖

在實際運用中，存在各種影響太陽能煙囪強化自然通風的因素，如何提高其通風效率是學者們研究的主要問題。太陽能煙囪的結構形式、空氣通道寬度、進口面積、出口面積、壁面熱流、太陽輻射強度、煙囪的高度和深度（玻璃蓋板與集熱墻的間距）對建筑物所形成的速度場、溫度場都存在較大影響，因而自然通風的通風量也有所不同，直接影響室內的通風換氣效果［4-5］。

有關利用太陽能煙囪強化自然通風的研究主要集中于煙囪的高度和深度以及進口面積的優(yōu)化，通過實驗研究和理論模擬得到最大氣體流速條件下對應的結構參數(shù)。例如Bansal等［6］定性地分析了太陽能煙囪與風塔共同引發(fā)的自然對流，結果預測出太陽能煙囪的效果在低風速下較好。Bouchair［7］對典型的空洞太陽能煙囪用于室內時的自然對流過程進行了實驗研究，研究發(fā)現(xiàn)存在一個可以獲得最大通風量的最佳太陽能煙囪高度和空氣通道的寬度的比值，如果煙囪寬度過大，在通道中心存在空氣回流。結果還發(fā)現(xiàn)，當煙囪寬度間隔在 20 cm～30 cm時氣體的質量流速最大；當間隔低于10 cm時，進口面積對質量流速無影響；當間隔升至30 cm～50 cm時，隨面積的增大，氣體流速增大。同時，流速還隨著表面溫度的增加而增大［8］。

目前對于太陽能煙囪的研究多集中于如何提高太陽輻射熱的吸收以及通風效率的研究，能用于實際工程的模型則較少；此外，現(xiàn)有的研究主要針對太陽能煙囪在單個房間的通風性能，但現(xiàn)實中建筑一般都為多層，因此有必要對太陽能煙囪強化通風在高層建筑及住宅樓中的應用進行研究。本文針對這一問題，運用某項目中太陽能煙囪的節(jié)能方案為例，通過用 CFD軟件建模，并分析太陽能煙囪高層建筑在多種情況下的氣流的溫度場和速度場分布，從而闡明通風量與進風口面積、出風口面積等參數(shù)之間的關系，為太陽能煙囪在建筑節(jié)能方案中的實際應用提供參考。

1　建筑物理模型及環(huán)境參數(shù)

本文選取某節(jié)能項目中能體現(xiàn)“太陽能煙囪”的建筑作為物理模型，該大樓的建筑（剖面）結構經簡化后如圖2所示。建筑共三層并連接煙囪，每層外墻窗戶的高度均不同，一樓的高度為 0.3 m，二樓為0.4 m，三樓為0.5 m，內墻的窗戶尺寸均為0.5 m，煙囪頂部兩側有高1 m的窗子連接室外。煙囪的高度為15 m，寬度為4 m，室外溫度為20℃。煙囪右邊的墻體通過太陽照射得到的熱量為40 W/m2，室內地面得熱量為42 W/m2，模型為冬季采暖模式。

圖2　某項目中太陽能煙囪建筑物理模型結構示意圖

2　數(shù)學模型

為模擬太陽能煙囪內的溫度分布及流場分布情況，可以采用數(shù)值計算法得出集熱墻體、玻璃板內間隔各時刻、各部位的溫度和熱流的近似數(shù)值解，其數(shù)學計算方法相對比較簡單，物理意義明確，而且對周期性邊界條件可以直接進行離散處理，故采取計算機輔助軟件ANSYS-FLUENT進行計算。

2.1模型的選擇

(2)管線埋設于地下，處于隱蔽狀態(tài)，為確定位置可用管線探測儀、雷達等多種探測方法。目前，業(yè)內開始借助潛望鏡進行管線探測。潛望鏡主要用于井、涵洞，以及暗溝暗區(qū)管線探測，在不需人員進入的情況下可以直觀觀察到內部構造和線路情況，同時也保證了人員下井的安全。潛望鏡在排水管線專業(yè)中可更好地發(fā)揮探測作用，而且還可以直觀查看排水管線的內部構造和淤積堵塞情況，為排水管線的隱患排查顯示出更大的作用。

對于本文所研究的太陽能煙囪來講，已有研究［9］證明處于恒熱流邊界條件下太陽能煙囪內部流體的瑞利數(shù)在 105～1012之間變化。因此，本文選用由標準κ-ε模型和RNG κ-ε模型相結合Realizable κ-ε模型來求解最為恰當。

2.2求解器選擇與設定

在FLUENT軟件中包含兩類求解器，基于壓力的求解器和基于密度的求解器。壓力求解器是針對低速、不可壓縮流體開發(fā)設計的?；诿芏鹊那蠼馄魇轻槍Ω咚?、可壓縮流體開發(fā)的。太陽能煙囪內部空氣流動屬于前者，故使用壓力求解器。壓力求解器又分 Segregated Solver（分離式）和 Coupled Solver（耦合式）兩種，本模型選用后者。

2.3邊界條件及網格的設定

本文只考慮煙囪內部熱壓的作用而忽略煙囪進、出風口處風壓的影響，將進、出風口的邊界條件設定為壓力0 Pa，環(huán)境溫度293 K，并采用制定湍流強度和水力直徑的方法來對進/出口進行紊流條件設定，空氣動力系數(shù)為 0.8，水力直徑根據(jù)不同的尺寸的風口計算確定；流體選擇非線性boussinesq流空氣，速度 1.2 m/s，熱膨脹系數(shù)為0.00341；重力加速度為-9.81 m/s，運行溫度293 K，密度1.2 kg/m3；煙囪立面的熱通量為40 W/m2，地面熱通量為42 W/m2；左面窗為進風口，湍流強度和粘度量均設為1；本文選用網格尺寸為0.05 mm。

3　分析過程及結論

本文主要分析以下六種開窗情景模式下的室內空氣循環(huán)速度和溫度，根據(jù)室內不同的功能需要，提出節(jié)能方案，以減少建筑能耗，實現(xiàn)節(jié)能的目的。六種風口開啟模式分別是：1）所有進風口全部打開；2）只關閉一層進風口；3）只關閉二層進風口；4）只關閉三層進風口；5）只關閉煙囪左出風口；6）只關閉煙囪右出風口。

3.1所有進風口全部打開

文章中的模擬模型采用軟件通用模型，計算是基于Realizable κ-ε模型下。假定流體為連續(xù)流體，并根據(jù)所給模型參數(shù)輸入，模型計算的精度為10-6。

圖3　速度場示意圖

模型結果說明進風口尺寸大，室外新風進入室內的速度低；進風口尺寸減小，室外新風進入室內的速度增加。所以，在冬季采暖工況下，太陽能煙囪導致室內熱量損失；而且室內熱量損失與開窗尺寸相關，開窗尺寸越小，建筑熱損失越大，室外空氣進入室內的速度越大，建筑內溫降越明顯。

從圖4我們可以看出，一層室內溫度降低最明顯且低溫區(qū)域最大；三層室內的溫降最小且低溫區(qū)域最小。這也說明了進風口尺寸越小，進入室內的冷空氣速度快，致使建筑內溫降顯著。

圖4　溫度場示意圖

3.2進風口關閉

3.2.1一層進風口關閉

從圖5的模擬結果看出，當把一層進風口關閉時，室外空氣不能通過一層進風口進入室內，因此一層進風口的風速為 0。二層進風口的風速為0.608 m/s，三層進風口的風速為0.438 m/s，建筑的通風量為0.385 m/s。

圖5　速度場示意圖

通過圖6模擬看出，關閉一層進風口后，沒有室外冷空氣的進入，一層內的溫度分布呈層狀，高溫空氣在上層，低溫空氣在下層。二層和三層比較，由于進入三層的冷空氣速度小于二層，所以三層的溫降較小，且低溫區(qū)域較小。

圖6　溫度場示意圖

3.2.2二層進風口關閉

當二層的進風口關閉（圖7），二層進風為0；一層進風口的風速為0.815 m/s，三層進風口的風速為0.443 m/s。建筑的通風量為0.3881 m/s。

圖7　速度場示意圖

二層進風口關閉后，室外空氣不能進入建筑二層，溫度分布呈層狀，較高溫度的空氣由于密度小，處于上部；較低溫度的空氣密度大，處于下部。進入一層建筑的速度比進入三層的速度大，所以一層的溫降較三層快（如圖8）。

圖8　溫度場示意圖

3.2.3三層進風口關閉

如圖9所示，關閉三層進風口后，三層的風速為0，一層進風口的速度為0.794 m/s，二層的進風口的風速為0.602 m/s。建筑的通風量為0.399 m/s。

圖9　速度場示意圖

如圖 10所示，關閉三層的進風口，三層內的溫度在沒有外界空氣的影響下溫度平穩(wěn)；一層進風口風速比二層進風口的大，所以一層的溫度場較二層溫度變化大。

圖10　溫度場示意圖

圖11為建筑在不同進風口關閉的情況下的通風量。從上圖可以直觀的看出，在進風口全開的情況下，建筑的通風量為最大；其次是關閉三層進風口，建筑最小通風量為關閉一層進風口。

通過上述模擬分析可知：建筑的通風量與進風口面積有關系。進風口越大，通風效果越好。

圖11　不同進風口關閉后建筑的通風量

3.3出風口關閉

3.3.1左出風口關閉

關閉左出風口后，左出風口的風速為 0。模擬計算出的右出風口的速度為0.515 m/s，建筑的通風量為0.429 m/s。

從圖 12的溫度場示意圖可以看出，一層進風口的風速最快，因此溫降也最快，三層溫降最慢。

圖12　左出風口關閉后的溫度場示意圖

3.3.2右出風口關閉

關閉右出風口后，空氣只從左出風口出去，方向與進風口相反。經模擬得出，一層、二層、三層進風口溫度和出風口溫度分別為 0.732 m/s、0.524 m/s、0.348 m/s、0.604 m/s。從圖13溫度場示意圖看出，一層的溫降最為明顯，三層溫降最小。

圖13　右出風口關閉后的溫度場示意圖

由圖 14可以看出風口對各層進風口速度的影響。出風口全部開啟時進風速度和通風量最大。關閉右出風口后對進風速和通風量影響較大，增加了建筑內通風循環(huán)。而且出風口的風速也較大。

圖14　出風口的開關對進風口風速的影響

4　結論

1）在過渡季節(jié)可通過開啟窗戶以保證建筑內空氣質量，并節(jié)省空調設備能耗。

2）大通風量建筑的通風量與進風口的開啟情況有關系，由于建筑一層進風口風速最快（約為0.8 m/s），當需通風換氣、且要選擇性地開啟風口的情況下，模型計算結果顯示關閉一層進風口影響最大，平均風速降為 0.38 m/s； 關閉三層進風口影響最小，平均風速降至0.4 m/s。因此，太陽能煙囪的通風量控制策略可依據(jù)此結果制定，以實現(xiàn)空調設備節(jié)能。

3）結合溫度與風速場的模擬計算結果得知，當室外氣溫較低，建筑內又要通風換氣時，可以優(yōu)先關閉左出風口，開啟右出風口，這樣既能保證室內空氣質量節(jié)約了空調設備能耗，又能保證室內溫降不會太大。

［1］ 毛雪東， 郭玉梅. 某寒冷地區(qū)燃煤電廠主廠房通風設計［J］. 制冷技術， 2013， 33（3）: 56-58.

［2］ 潘毅群. 辦公樓的室內空氣品質與通風［J］. 制冷技術，2000， 20（3）: 29-32.

［3］ 萬鑫， 蘇亞欣. 現(xiàn)代建筑中自然通風技術的應用［J］.建筑節(jié)能， 2007，35（9）: 9-12.

［4］ 蘇亞欣， 柳仲寶. 太陽能煙囪強化自然通風的研究現(xiàn)狀［J］. 科技導報， 2011， 29（27）:67-72.

［5］ 何云， 劉滔， 唐潤生. 太陽能煙囪技術應用研究［J］. 陽光能源， 2007:62-64.

［6］ BANSAL N K， MATHUR R， BHANDARI M S. A study of solar chimney assisted wind tower system for natural ventilation in buildings［J］. Building & Environment，1994， 29（94）:495-500.

［7］ BOUCHAIR A. Solar Chimney For Promoting Cooling Ventilation In Southern Algeria［J］. Building Services Engineering Research & Technology， 1994， 15（2）:81-93.

［8］ 蘇亞欣， 柳仲寶. 太陽能煙囪自然通風的一維穩(wěn)態(tài)模型［J］. 土木建筑與環(huán)境工程， 2011， 33（5）:102-107.

［9］ 李安桂， 郝彩俠， 張海平. 太陽能煙囪強化自然通風實驗研究［J］.太陽能學報， 2009， 30（4）: 460-464.

Analysis on the Application of Natural Ventilation of Solar Chimneys in Building Energy Conservation

LI Guo-dong*
（DFYH TECH SERVICES CO.， LTD.， Shanghai 200060， China）

Using natural ventilation technology and utilizing new energy resources are the main energy saving techniques used in modern buildings to improve the indoor thermal environment and to reduce air conditioning energy consumption. The solar chimney is the combination of above two methods， based on the natural ventilation the building. It uses solar radiation as the driving force to help the air flow， and to convert the thermal energy to the kinetic energy of the air. In this paper， the numerical simulation of a solar chimney application in a project is performed. Realizable κ-ε turbulence model， discrete-ordinates radiation model and SIMPLEC algorithm are used to calculate and analyse the temperature and air velocity distribution inside the building. By comparing the effect of different building design parameters such as air flow velocity， air intake and outlet areas to elucidate how“chimneys effect” affects the environment inside the building.

Natural ventilation enhancement； Solar chimney； Energy efficiency building

10.3969/j.issn.2095-4468.2015.04.203

*李國棟（1987-），男，節(jié)能工程師，碩士。研究方向：建筑節(jié)能改造。聯(lián)系地址：上海市西康路1255號普陀科技大廈11樓，郵編200060。聯(lián)系電話：021-62987595。E-mail：li_guodong_@126.com。