張華揚 秦 萍 曹曉玲

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太陽能煙囪強化自然通風(fēng)的發(fā)展現(xiàn)狀研究

張華揚 秦 萍 曹曉玲

（西南交通大學(xué)機械工程學(xué)院 成都 610031）

綜合介紹了太陽能煙囪強化自然通風(fēng)的主要結(jié)構(gòu)形式（Trombe墻式太陽能煙囪、豎直集熱板屋頂式太陽能煙囪、傾斜集熱板屋頂式太陽能煙囪）以及研究現(xiàn)狀；在總結(jié)國內(nèi)外學(xué)者主要研究成果的基礎(chǔ)上，指出了目前太陽能強煙囪化自然通風(fēng)研究應(yīng)用中存在的問題及今后的研究方向。

自然通風(fēng)；太陽能煙囪；研究現(xiàn)狀；問題；研究方向

0 引言

近年來，隨著常規(guī)能源消耗問題和環(huán)境問題日益突出，利用自然通風(fēng)改善室內(nèi)熱環(huán)境越來越受到人們的重視。但自然通風(fēng)方式的通風(fēng)量受自然條件和建筑結(jié)構(gòu)的約束難以有效控制，通風(fēng)效果不穩(wěn)定；而利用太陽能強化自然通風(fēng)，將一些通風(fēng)技術(shù)與現(xiàn)代太陽能利用技術(shù)完美結(jié)合，利用太陽輻射為空氣流動提供動力，強化自然對流換熱從而獲得良好的通風(fēng)效果。

太陽能煙囪巧妙地應(yīng)用太陽輻射能量與煙囪的拔風(fēng)作用來強化室內(nèi)的空氣流動。它的一個或多個壁面是由玻璃構(gòu)成的透明墻體，可以利用透過玻璃壁面的太陽輻射熱增大煙囪內(nèi)外溫差從而增加浮升力和熱壓，促進室內(nèi)空氣的流動。利用煙囪的抽吸作用強化自然對流換熱，使流動加速，增加室內(nèi)通風(fēng)量，改善通風(fēng)效果，從而達到通風(fēng)、降溫、排除有害氣體的目的。目前研究較為普遍的太陽能煙囪結(jié)構(gòu)形式有三種：Trombe墻式太陽能煙囪（圖1）、豎直集熱板屋頂式太陽能煙囪（圖2）、傾斜集熱板屋頂式太陽能煙囪（圖3）。國內(nèi)外學(xué)者對太陽能煙囪強化自然通風(fēng)技術(shù)開展了一系列探索性研究并應(yīng)用于建筑領(lǐng)域。主要集中于三個方面[1]：（1）基于煙囪的結(jié)構(gòu)特性對通風(fēng)效果的影響來優(yōu)化太陽能煙囪的結(jié)構(gòu)參數(shù)；（2）太陽能煙囪強化自然通風(fēng)的理論模型與數(shù)值模擬方法；（3）多層建筑的太陽能煙囪強化自然通風(fēng)技術(shù)以及與其他系統(tǒng)的聯(lián)合使用。本文總結(jié)了太陽能煙囪強化自然通風(fēng)的各種研究方法，綜合介紹了太陽能煙囪強化自然通風(fēng)的主要結(jié)構(gòu)形式以及研究現(xiàn)狀。同時，在總結(jié)國內(nèi)外學(xué)者主要研究成果的基礎(chǔ)上，本文對現(xiàn)有研究中一些亟待解決的問題進行了闡述，以期為今后太陽能煙囪的深入研究提供參考。

圖1 Trombe墻式太陽能煙囪

圖2 豎直集熱板屋頂式太陽能煙囪

圖3 傾斜集熱板屋頂式太陽能煙囪

1 基于煙囪的結(jié)構(gòu)特性對通風(fēng)效果的影響來優(yōu)化太陽能煙囪的結(jié)構(gòu)參數(shù)

在現(xiàn)有的研究中，不論是利用理論分析、實驗研究還是數(shù)值模擬方法，都已證實太陽能煙囪強化自然通風(fēng)的性能是隨著太陽輻射強度的增加而提高的[2-5]。然而太陽輻射具有不確定性，難以控制，而除此因素外，太陽能煙囪自身的結(jié)構(gòu)特性也是影響通風(fēng)性能的一個重要因素，而此因素可以人為地進行因地制宜的設(shè)計調(diào)整，具有可控性，因此有必要對太陽能煙囪的結(jié)構(gòu)特性對通風(fēng)性能的影響進行總結(jié)。

1.1 煙囪結(jié)構(gòu)尺寸對通風(fēng)性能的影響

太陽能煙囪結(jié)構(gòu)尺寸對通風(fēng)性能的影響主要是指煙囪的高度、深度（玻璃蓋板與集熱墻的間距）以及傾角（對于傾斜集熱板屋頂式太陽能煙囪的情況）對煙囪內(nèi)空氣自然對流的流動特點的影響，進而對太陽能煙囪的自然通風(fēng)量產(chǎn)生影響。

1.1.1 實驗研究

在全尺寸實驗方面，Bouchair等[6]對太陽能煙囪進行了較為全面的研究，其煙囪的幾何尺寸為：高2m，寬4m，深度(即玻璃蓋板與集熱墻的間距）從0.1m到1.0m之間變化，入口的高度分0.1m和0.4m兩種情況。通過實驗發(fā)現(xiàn)，在煙囪的高深比=10時，煙囪內(nèi)的空氣流量達到最大值。通過煙霧追蹤法顯示氣流組織形式時，作者還發(fā)現(xiàn)在深度大于0.5m時就會出現(xiàn)逆流情況。在小比例實驗?zāi)Ｐ脱芯恐?，Spencer等[7]運用電解鹽溶液產(chǎn)生的氫氣泡來模擬浮升力效果的方法，研究了處于均勻熱流密度下太陽能煙囪的通風(fēng)性能，研究指出通風(fēng)量隨著煙囪深度的增加而增大，但當煙囪的高深比達到2.5時出口端就會出現(xiàn)逆流的現(xiàn)象，抑制了通風(fēng)量的增加。Chen等[8]研究了傾斜集熱板屋頂式煙囪的通風(fēng)效果，煙囪模型尺寸為高1.5m，寬0.62m，深度可從0.1m至0.6m間變化；煙囪的傾角分別為15?，30?，45?，60?，太陽輻射強度從200W/m2到600W/m2之間變化。實驗沒有找到煙囪的最佳值，但在煙囪深度為0.2m、傾角為45?、熱流密度為400W/m2的條件下煙囪可達到最佳通風(fēng)效果。荊海薇[2]與郝彩俠[9]在理論分析的基礎(chǔ)上，分別在煙囪的一個壁面受熱與兩個壁面受熱的條件下，對高度為2m，長度為1m，深度分別為400mm，700mm，1000mm和1200mm的豎直集熱板屋頂式太陽能煙囪在得熱量變化的情況下，實驗研究了其溫度場、速度場和自然通風(fēng)量的變化。結(jié)果表明：在所研究的范圍內(nèi)，對于一個壁面受熱的豎直集熱板屋頂式太陽能煙囪，確實存在一個可以獲得最大通風(fēng)量的高度與空氣通道深度的比值，這個比值大約是2；而對于兩個壁面受熱的情況卻沒有找到最佳高深比。

1.1.2 數(shù)值模擬

在數(shù)值模擬方面，Gan[10]使用CFD計算方法預(yù)測通風(fēng)量隨蓄熱墻溫度、太陽輻射強度、蓄熱墻高度和通道深度以及蓄熱墻厚度的變化關(guān)系并推薦增加內(nèi)表面墻的厚度。王麗萍[11]運用數(shù)值模擬方法對Trombe墻式、豎直集熱板屋頂式以及傾斜集熱板屋頂式三種用于室內(nèi)自然通風(fēng)的太陽能煙囪模型進行了分析計算。對穩(wěn)態(tài)條件下，不同模型、不同結(jié)構(gòu)尺寸的太陽能煙囪的通風(fēng)量、溫度場和速度場進行了預(yù)測。薛宇峰[12]運用CFD軟件對上海地區(qū)夏季一個典型的帶太陽能煙囪的工業(yè)廠房（40m×24m×20m）的自然通風(fēng)特性進行了數(shù)值研究。結(jié)果表明隨煙囪高度的增加存在通風(fēng)量顯著增加的最佳誘導(dǎo)段，煙囪內(nèi)的氣流速度矢量圖表明煙囪內(nèi)渦流的消失是氣流量驟增的重要原因。

1.2 煙囪結(jié)構(gòu)形式對通風(fēng)性能的影響

太陽能煙囪結(jié)構(gòu)形式對通風(fēng)性能的影響通常是指前面提到的三種結(jié)構(gòu)形式的太陽能煙囪對通風(fēng)量的影響。從本質(zhì)上講，這三種結(jié)構(gòu)形式的太陽能煙囪強化自然通風(fēng)的機理是相同的，即利用太陽輻射熱增加煙囪內(nèi)外溫差從而增大浮升力和熱壓，以促進室內(nèi)空氣的流動。但是考慮到各自的優(yōu)缺點與實際使用的地理位置、安裝成本以及建筑一體化等客觀實際情況，使用何種結(jié)構(gòu)形式的太陽能煙囪則要因地制宜的研究與選擇。Trombe墻式結(jié)構(gòu)存在最佳的煙囪高深比值，容易實現(xiàn)煙囪的最佳性能，具有夏季降低冷負荷、冬季減少室內(nèi)熱損失以及外形美觀、占用空間少等優(yōu)點，但同時具有影響室內(nèi)開窗采光、墻體內(nèi)部易產(chǎn)生回流等缺點。豎直集熱板屋頂式結(jié)構(gòu)安裝方便，同時不會影響房間的開窗布局，通風(fēng)性能良好，但豎直集熱板屋頂式結(jié)構(gòu)的太陽能煙囪卻受到了建筑空間以及外觀突兀等因素的限制而沒有得到很好的發(fā)展。傾斜集熱板屋頂式結(jié)構(gòu)則沿著屋頂?shù)钠露冗M行設(shè)計安裝，避免了空間及外觀的制約，研究表明[13]，傾斜集熱板屋頂式結(jié)構(gòu)的太陽能煙囪內(nèi)部的速度場分部均勻，通風(fēng)效率也高于豎直集熱板屋頂式。

2 太陽能煙囪強化自然通風(fēng)的理論模型與數(shù)值模擬方法

2.1 基于能量平衡的傳熱理論模型

能量平衡的傳熱理論模型是基于對太陽能煙囪的各組成部分的傳熱過程的分析，建立相關(guān)能量平衡的數(shù)學(xué)模型，從而得到煙囪內(nèi)部空氣的溫度分布。太陽能煙囪的能量平衡關(guān)系包括：（1）集熱墻對太陽輻射熱的吸收及其內(nèi)部的導(dǎo)熱、與煙囪氣流通道內(nèi)的空氣的自然對流換熱以及與玻璃蓋板的輻射換熱；（2）煙囪氣流通道內(nèi)的空氣分別與集熱墻及玻璃蓋板的自然對流換熱；（3）玻璃蓋板對太陽輻射熱的吸收及其內(nèi)部的導(dǎo)熱、與煙囪氣流通道內(nèi)的空氣的自然對流換熱以及與集熱墻的輻射換熱。Ong等[14]則基于上述傳熱理論模型，在忽略玻璃蓋板與集熱墻的導(dǎo)熱熱阻的基礎(chǔ)上，建立了玻璃蓋板、集熱墻以及煙囪內(nèi)的空氣的熱平衡方程，計算了煙囪內(nèi)的空氣流量、集熱效率以及玻璃蓋板和墻體平均溫度等參數(shù)。Bansal等[15]應(yīng)用該模型，在對玻璃表面與室外空氣的對流換熱系數(shù)以及空氣質(zhì)量流量表達式中的一個比例系數(shù)進行修正之后也建立了熱平衡方程，并計算了煙囪的空氣流量隨太陽輻射強度的變化。Afonso等[16]則利用能量平衡的方法建立了一維非穩(wěn)態(tài)的傳熱模型，并應(yīng)用有限差分法進行了求解研究，在此模型中傳熱系數(shù)隨日溫度變化而變化，計算結(jié)果與借助示蹤氣體技術(shù)測得的空氣流動結(jié)果一致。柳仲寶[17]基于能量守恒定律，在考慮了太陽能煙囪玻璃蓋板和集熱墻內(nèi)部熱阻的前提下，對前人的太陽能煙囪數(shù)學(xué)模型進行了修正，建立了新的穩(wěn)態(tài)傳熱數(shù)學(xué)模型，進而探討了太陽能煙囪的結(jié)構(gòu)參數(shù)對通風(fēng)性能的影響。結(jié)果表明，增加玻璃蓋板和集熱墻的導(dǎo)熱熱阻的數(shù)學(xué)模型計算得到的結(jié)果與相關(guān)實驗測試的結(jié)果更加接近。

2.2 基于計算流體力學(xué)的數(shù)值模擬方法

相比于實驗方法，CFD軟件模擬的方法則可以精確計算局部對流換熱系數(shù)和局部氣流的流動特點，因此可以詳細地給出自然通風(fēng)的溫度場和速度場等的分布規(guī)律，同時也為詳細地研究煙囪氣流通道內(nèi)空氣的流動、換熱提供了研究手段。Barozzi等[18]較早地模擬了基于太陽能煙囪的房間通風(fēng)系統(tǒng)。利用建筑物的屋頂作為太陽能煙囪產(chǎn)生空氣流并給房間提供冷量，并用實驗方法對1:12的小模型系統(tǒng)進行了測試。用實驗結(jié)果對二維層流模型的數(shù)值預(yù)測進行了驗證。他們提出考慮紊流和三維影響并采用合適的邊界條件，流動預(yù)測可以改進。Gan等[19]應(yīng)用RNG湍流模型對Trombe墻的自然通風(fēng)特性進行了三維模擬，研究表明，通風(fēng)量隨集熱墻高度、寬度、氣流通道深度以及太陽輻射強度的變化而變化，并建議增加集熱墻的厚度和減少熱損失以提高集熱效率。Rodrigues等[20]則采用湍流模型和有限容積法離散方程模擬了二維湍流流動條件下太陽能煙囪內(nèi)部空氣的溫度場與速度場，分析了G數(shù)以及N數(shù)對通風(fēng)性能的影響。此外，趙平歌[21]采用零方程模型及Mitflow程序求解了太陽能煙囪模型中的三維溫度場和速度場。孫猛等[22]選擇帶有浮力修正的湍流模型并結(jié)合Phoenics 3.2程序完成了對太陽能煙囪通風(fēng)性能的三維模擬。這些研究結(jié)果對太陽能煙囪的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計提供了參考。

3 多層建筑的太陽能煙囪強化自然通風(fēng)技術(shù)以及與其他系統(tǒng)的聯(lián)合使用

現(xiàn)實中的建筑一般都不止一層，因此有必要對太陽能煙囪強化通風(fēng)技術(shù)在多層或者高層建筑中的應(yīng)用進行研究，另外單獨使用某種結(jié)構(gòu)形式的太陽能煙囪的通風(fēng)效果往往有限，而與其它設(shè)備聯(lián)合使用時不僅可以達到更好的通風(fēng)效果，而且也拓寬了太陽能煙囪的適用范圍。Letan等[23]首先對一個小比例模型進行了實驗研究和CFD模擬，然后對一個五層高的實際建筑進行了數(shù)值模擬，研究表明，即使當太陽輻射熱流很小時，對于夏季的通風(fēng)與冬季的供暖是可以實現(xiàn)的。Bansal[24]介紹了風(fēng)塔與太陽能煙囪結(jié)合的作用及其優(yōu)點，根據(jù)風(fēng)塔內(nèi)壓力損失相等和煙囪中空氣流量、能量平衡，并結(jié)合風(fēng)塔與煙囪各自得到的公式從而得到總的空氣流量公式。研究表明，這種帶有輔助風(fēng)塔的太陽能煙囪自然通風(fēng)系統(tǒng)，在較低的風(fēng)速下通風(fēng)效果改善明顯，當室外風(fēng)速為1.0m/s，就風(fēng)塔本身而言能產(chǎn)生0.75kg/s的風(fēng)量，而在太陽能煙囪輔助的情況下，當太陽輻射強度為700W/m2，能產(chǎn)生1.4kg/s的風(fēng)量。杜威等[25]以蘭州二層別墅為例，以太陽能煙囪聯(lián)合風(fēng)機作為驅(qū)動力，利用噴霧加濕冷卻機理，采用CFD方法對這種空調(diào)的性能進行了研究，結(jié)果表明，隨著入口風(fēng)速的升高，風(fēng)道入口的空氣溫度發(fā)生波動變化，房間地板表面溫度呈現(xiàn)整體下降趨勢。雷先鵬[26]以Trombe式太陽能煙囪為例，基于長沙地區(qū)的氣候條件，使用湍流模型和增強壁面函數(shù)法，對穩(wěn)態(tài)條件下太陽能煙囪應(yīng)用于多層建筑時的通風(fēng)性能進行了詳細分析。結(jié)果表明，建筑各層的通風(fēng)量不相等，一層通風(fēng)量大于其它樓層。太陽能煙囪用在兩層建筑時存在最佳寬度，當層數(shù)增加到三層及以上時，煙囪入口容易產(chǎn)生逆流，給煙囪通風(fēng)性能帶來不利影響。

4 太陽能煙囪研究應(yīng)用中存在的問題及研究方向

到目前為止，國內(nèi)外學(xué)者已對太陽能煙囪進行了大量的研究，在理論、實驗、以及數(shù)值模擬等方面取得了一定的研究成果。但目前的研究大多是提出各種各樣的數(shù)學(xué)模型，各種形式的太陽能煙囪的結(jié)構(gòu)參數(shù)和環(huán)境參數(shù)對通風(fēng)效果的影響以及如何提高對太陽輻射熱的吸收，能用于實際工程設(shè)計的資料較少，這極大的限制了室內(nèi)空氣質(zhì)量的提高、節(jié)能建筑的設(shè)計以及太陽能煙囪用于設(shè)計太陽房的大規(guī)模推廣?，F(xiàn)有的研究還存在著以下幾點不足之處：

（1）有文獻記載的成果依然是經(jīng)驗性的，或是定性的或是半定量的，目前尚未形成系統(tǒng)的定量化理論與應(yīng)用研究成果。對各種結(jié)構(gòu)的太陽能煙囪缺乏統(tǒng)一完整的理論分析，結(jié)果較為零亂，缺乏實際指導(dǎo)意義，能夠用于工程設(shè)計的資料不多。因此對于太陽能煙囪的特性還有待于進一步的研究和探討。

（2）現(xiàn)有的研究尚未對不同結(jié)構(gòu)形式的太陽能煙囪進行經(jīng)濟性比較，缺乏在不同氣候條件下的可行性分析。不同結(jié)構(gòu)形式的太陽能煙囪的原理基本一致，應(yīng)該建立統(tǒng)一的理論研究模型，這樣數(shù)值模擬的研究結(jié)果才具有可比性，也才能更好地指導(dǎo)太陽能煙囪的實際應(yīng)用。

（3）目前關(guān)于太陽能煙囪的研究多數(shù)只是針對穩(wěn)態(tài)情況進行的，然而太陽能自然通風(fēng)過程是非穩(wěn)態(tài)的瞬態(tài)過程，目前只有有限的文獻做了這方面的研究。太陽能煙囪內(nèi)空氣的瞬間流動是復(fù)雜的自然對流流動，運用數(shù)值模擬時必須充分掌握有關(guān)湍流模擬及編程方面的知識，且模擬的正確性依賴于所選擇的模型能否準確地描述物理現(xiàn)象，對現(xiàn)象的任何簡略或假設(shè)都會影響到模型結(jié)果的可靠性。其次，數(shù)值模擬的實際應(yīng)用中還存在著一些特殊問題，如風(fēng)口模型、熱源和輻射模型等。

（4）現(xiàn)有文獻對各種太陽能煙囪的結(jié)構(gòu)參數(shù)和環(huán)境因素對通風(fēng)效果的影響進行了分析，但沒有就各種參數(shù)的綜合影響進行研究。今后應(yīng)加強太陽能煙囪影響因素的綜合研究。另外在設(shè)計太陽能煙囪系統(tǒng)時，可將太陽能煙囪與其他建筑構(gòu)件如風(fēng)塔、天井、樓梯間等結(jié)合起來構(gòu)成整體系統(tǒng)以充分利用太陽能，強化自然通風(fēng)。

5 結(jié)語

舒適、環(huán)保和節(jié)能已經(jīng)成為不可逆轉(zhuǎn)的社會潮流，太陽能煙囪強化自然通風(fēng)作為一項能改善建筑熱環(huán)境、有效降低空調(diào)能耗、同時能夠創(chuàng)造可持續(xù)發(fā)展的綠色建筑技術(shù)而具有廣闊的應(yīng)用前景。但從太陽能煙囪強化自然通風(fēng)的研究應(yīng)用現(xiàn)狀及存在的問題分析可以看出，目前利用太陽能強化自然通風(fēng)還處于探索、實驗階段，缺乏定性及定量的分析和實際應(yīng)用研究，而如何讓太陽能煙囪真正的成為一項能改善建筑熱環(huán)境、有效降低空調(diào)耗能、同時能夠創(chuàng)造綠色建筑的技術(shù)，還有待科研人員對其進行深入的定量與定性的理論研究，使其廣泛地應(yīng)用于實際工程中。

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Research Status on Solar Chimney for Strengthening Natural Ventilation

Zhang Huayang Qin Ping Cao Xiaoling

( School of Mechanical Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu, 610031 )

Presents the research progress of main structures of solar chimney enhanced natural ventilation (Trombe wall solar chimney, Vertical roof solar chimney, Inclined roof solar chimney); Based on the domestic and foreign main research results in this field, Points out the existing problems and research direction of solar chimney enhanced natural ventilation in research and application.

natural ventilation; Solar Chimney; research status; problems; research direction

1671-6612（2017）02-130-05

TU834

A

建筑環(huán)境與能源高效利用四川省青年科技創(chuàng)新研究團隊項目（NO:2015TD0015）

張華揚（1989.12-），男，在讀碩士研究生，E-mail：584550062@qq.com

秦 萍（1958-），女，博士，教授，主要從事暖通空調(diào)節(jié)能技術(shù)等方面研究，E-mail：qinping3159@sina.com.cn

2015-12-08