薛宇峰

上海郵電設(shè)計(jì)咨詢研究院有限公司

自然通風(fēng)可有效降低建筑能耗中一次能源的使用率，由于其驅(qū)動(dòng)力（熱壓及風(fēng)壓）受到各種客觀因素的制約，自然通風(fēng)的使用推廣受到限制。太陽(yáng)能煙囪（Solar Chimney，簡(jiǎn)稱SC）技術(shù)可有效提高自然通風(fēng)效率、加強(qiáng)通風(fēng)換氣的效果，從二十世紀(jì)下半葉開(kāi)始迅速發(fā)展。

太陽(yáng)能煙囪技術(shù)在建筑通風(fēng)領(lǐng)域的應(yīng)用形式相對(duì)固定，從結(jié)構(gòu)上分主要有豎直式，傾斜式及復(fù)合式。其運(yùn)行原理基本相同（見(jiàn)圖1），太陽(yáng)能輻射通過(guò)透明材料進(jìn)入通道后被蓄熱材料吸收，加熱通道內(nèi)空氣，使熱氣流上升，從而增強(qiáng)室內(nèi)自然通風(fēng)的效果，提高室內(nèi)空氣品質(zhì)。馬瑞華等人[1]對(duì)豎直式太陽(yáng)能煙囪強(qiáng)化地下車(chē)庫(kù)自然通風(fēng)模型進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，以攀枝花環(huán)境條件為例，得出了最佳煙囪寬高比約為1:6且通風(fēng)換氣次數(shù)能滿足相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范要求的結(jié)論。宣永梅等人[2]通過(guò)理論分析認(rèn)為太陽(yáng)能煙囪通風(fēng)效果受到長(zhǎng)寬深及傾斜角等煙囪本身結(jié)構(gòu)特性的影響，并指出傾斜式太陽(yáng)能煙囪比豎直式具有更好的通風(fēng)效果。傅俊萍、秦雯[3]通過(guò)數(shù)值模擬結(jié)合試驗(yàn)測(cè)試的方法研究了我國(guó)冬冷夏熱地區(qū)太陽(yáng)能煙囪的傳熱及流動(dòng)特性，結(jié)果表明存在可獲得最大自然通風(fēng)量的最佳煙囪寬度，且煙囪通風(fēng)效果受到室外溫度及風(fēng)速的較大影響。

圖1 太陽(yáng)能煙囪運(yùn)行原理圖

然而，目前對(duì)太陽(yáng)能煙囪通風(fēng)技術(shù)的研究主要集中于民用建筑領(lǐng)域，在工業(yè)建筑中應(yīng)用的研究相對(duì)較少。對(duì)于一些有內(nèi)熱源的工業(yè)廠房，由于內(nèi)部空間高大、內(nèi)熱源散熱量大等原因不適合采用機(jī)械通風(fēng)，自然通風(fēng)是其主要通風(fēng)形式。于是研究如何提高廠房的自然通風(fēng)效率就有較大現(xiàn)實(shí)意義。本文針對(duì)帶內(nèi)熱源廠房的自然通風(fēng)進(jìn)行研究，通過(guò)數(shù)值模擬方法對(duì)不同形式的太陽(yáng)能煙囪如何影響廠房自然通風(fēng)特性進(jìn)行探索。

1 模型

1.1 帶太陽(yáng)能煙囪廠房的物理模型

本文以上海某工業(yè)廠房為研究對(duì)象，其基本尺寸為長(zhǎng)×寬×高＝40m×24m×20m，截面如圖2a所示。人員的活動(dòng)高度一般在2m以下，故本文將人員活動(dòng)區(qū)域高度設(shè)為2m，發(fā)熱量以200W/m2的負(fù)荷估算值。室外為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓為101325Pa，根據(jù)國(guó)標(biāo)GB50019-2015[4]規(guī)定，通風(fēng)設(shè)計(jì)時(shí)夏季室外環(huán)境溫度應(yīng)根據(jù)實(shí)際出現(xiàn)的本地區(qū)夏季通風(fēng)室外計(jì)算溫度確定，取上海夏季通風(fēng)室外計(jì)算溫度31℃（304K）為室外環(huán)境溫度。參照類似廠房工業(yè)爐的散熱量計(jì)算公式確定出模型中熱源總的散熱量約為250kW，熱源表面的平均溫度為300℃。

選取四種不同類型的太陽(yáng)能煙囪（相對(duì)高度相同）分別與廠房結(jié)合，參見(jiàn)圖2b～e。選取時(shí)根據(jù)以下原則：1）考慮到廠房設(shè)計(jì)之初所需要滿足的工藝操作要求，改造方案盡可能不影響原有內(nèi)部空間分配。2）考慮到陰雨天氣時(shí)太陽(yáng)能輻射不足的情況，盡可能保留原有通風(fēng)天窗。3）改造方案需要具備工程建設(shè)可行性。太陽(yáng)能煙囪通道寬度3m，傾斜角度為45°。根據(jù)中國(guó)氣象科學(xué)局?jǐn)?shù)據(jù)，自1971～2000年間上海地區(qū)八月平均日照輻射量為356.7W/m（2已將多云、陰雨天氣折算為平均輻射量）[5]。

圖2 廠房改造方案截面示意圖

1.2 數(shù)值模型

本文采用FLUENT軟件對(duì)帶太陽(yáng)能煙囪廠房的自然通風(fēng)效果進(jìn)行模擬。根據(jù)文獻(xiàn)[6]和文獻(xiàn)[7]對(duì)FLUENT的幾種模型從工程中應(yīng)用和理論有具體的比較，本文選用的Realizablek-ε湍流模型，在靠近壁面處采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)法來(lái)處理?？紤]到廠房實(shí)際情況中內(nèi)熱源的存在，在帶有局部熱源的問(wèn)題中，DO輻射模型是這種問(wèn)題最合適的計(jì)算方法。

本文所模擬的廠房和內(nèi)熱源的分布較為規(guī)則，采用非均勻網(wǎng)格，熱源，出風(fēng)口，進(jìn)風(fēng)口及太陽(yáng)能煙囪網(wǎng)格劃分的較密，廠房?jī)?nèi)部網(wǎng)格稍稀。使用分區(qū)劃分網(wǎng)格的形式，都采用六面體網(wǎng)格。在計(jì)算過(guò)程中，不斷細(xì)化網(wǎng)格，最終得到計(jì)算結(jié)果與網(wǎng)格無(wú)關(guān)（網(wǎng)格數(shù)量增加1倍時(shí)計(jì)算結(jié)果誤差小于1%）。室內(nèi)網(wǎng)格步長(zhǎng)為20～30cm。

1.3 模型有效性驗(yàn)證

為驗(yàn)證本文數(shù)值模擬的可靠性，先使用本文的數(shù)值模型對(duì)文獻(xiàn)[8]實(shí)驗(yàn)條件下的自然通風(fēng)過(guò)程進(jìn)行模擬，并將模擬結(jié)果與其實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，吻合度較高，如圖3所示。

圖3 改造前后集卷處Y=6m溫度實(shí)測(cè)值和模擬值的對(duì)比

2 模擬結(jié)果及討論

2.1 通風(fēng)特性比較

為了更好地表征太陽(yáng)能煙囪對(duì)建筑物自然通風(fēng)效果的促進(jìn)作用，引入太陽(yáng)能煙囪效率：

式中：ηs為太陽(yáng)能煙囪效率，%；Qs代表帶有太陽(yáng)能煙囪建筑物的通風(fēng)量，m3/h；Qp代表具有相同幾何結(jié)構(gòu)條件下不帶有太陽(yáng)能煙囪建筑物的通風(fēng)量，m3/h。

ηs能很好地表現(xiàn)出太陽(yáng)能煙囪對(duì)同一建筑物自然通風(fēng)效果的影響，同時(shí)也可用來(lái)對(duì)比不同類型太陽(yáng)能煙囪在某建筑上的適用程度，ηs＞1時(shí)說(shuō)明該太陽(yáng)能煙囪能提高通風(fēng)效果；ηs≤1則說(shuō)明該建筑物不適用太陽(yáng)能煙囪技術(shù)。

不同類型帶太陽(yáng)能煙囪廠房的數(shù)值模擬結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 太陽(yáng)能煙囪對(duì)廠房自然通風(fēng)效果的影響

由表1中太陽(yáng)能煙囪效率所示，經(jīng)改造的廠房在通風(fēng)效果上均比未經(jīng)改造的廠房原型有不同程度的提高。通過(guò)“通風(fēng)量提高率”一欄的數(shù)值可以看出，I型SC廠房通風(fēng)量增加最多，IV型次之，III型增加較少，而II型幾乎沒(méi)有增加。人員活動(dòng)區(qū)域平均風(fēng)速與通風(fēng)量密切相關(guān)，其大小順序與通風(fēng)量一致。

2.2 人員熱舒適性評(píng)價(jià)

簡(jiǎn)單的通風(fēng)量，溫度及風(fēng)速的比較無(wú)法完全表征廠房?jī)?nèi)人員熱舒適度，故引入PMV/PPD指標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià)。PMV（Predicted Mean Vote）指標(biāo)是由丹麥Fanger教授最先提出的[9]。Fanger在大量實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，通過(guò)對(duì)人體與環(huán)境傳熱及平衡的研究，提出了包括室溫、相對(duì)濕度，風(fēng)速，輻射溫度，衣著和人體活動(dòng)強(qiáng)度六個(gè)影響人體熱舒適的主要因素在內(nèi)的熱舒適方程式，而后他在這個(gè)方程的基礎(chǔ)上總結(jié)歸納出了可以較為客觀全面評(píng)價(jià)室內(nèi)熱舒適性程度的PMV指標(biāo)，PMV值在-3至+3之間，越靠近0說(shuō)明人體熱舒適性越高。

由于環(huán)境的熱舒適度是一個(gè)主觀評(píng)價(jià)的指標(biāo)，PMV無(wú)法代表所有人的舒適滿意程度。因此，F(xiàn)anger為了體現(xiàn)人與人之間不同的生理差別，又提出了PPD（Predicted Percentage of Dissatisfied）指標(biāo)來(lái)預(yù)測(cè)人們對(duì)環(huán)境的不滿意程度。PPD指標(biāo)值在0～100%之間，數(shù)值越低說(shuō)明人員不滿意率越少。

根據(jù)PMV/PPD的計(jì)算公式，得出各廠房改造方案評(píng)價(jià)指標(biāo)如表2所示：

表2 廠房改造方案PMV/PPD指標(biāo)

由計(jì)算結(jié)果可以看出III型熱舒適條件最好，I型次之，未經(jīng)改造廠房原型的不滿意人數(shù)百分率最多。

2.3 車(chē)間內(nèi)溫度場(chǎng)及速度場(chǎng)分析

根據(jù)上述分析，綜合來(lái)看I型和III型的太陽(yáng)能煙囪對(duì)帶熱源工業(yè)廠房的通風(fēng)效果較好，I型的通風(fēng)換氣效果最佳而III型對(duì)人員舒適度的改善最明顯。因此下面對(duì)這兩種類型的太陽(yáng)能煙囪廠房做進(jìn)一步分析。

圖4～圖7分別表示了SC-I型與SC-III型廠房?jī)?nèi)部溫度、速度分布。在速度矢量圖上可以看出，III型廠房在左右進(jìn)風(fēng)口角落里有較小范圍的漩渦，人員活動(dòng)區(qū)整體氣流流動(dòng)較為均勻，在高度Z=10左右有兩個(gè)范圍較大的渦旋。I型廠房在高度Z=1m以下區(qū)域氣流組織相對(duì)紊亂，而由于出風(fēng)口位置影響在高度Z=10左右兩個(gè)大渦流比III型廠房中的分布更對(duì)稱。從溫度分布圖上可以看到在人員活動(dòng)區(qū)域（Z＜2m）I型廠房溫度更高，這可能是受氣流組織混亂影響所致，但在高度Z＞10m后I型廠房溫度分布相對(duì)III型較低，這通常是廠房行吊車(chē)的工作高度，在出口處的溫度差異更為明顯，III型出口溫度則為310K，比I型高出了近2K。

圖4 SC-I型廠房溫度分布圖

圖5 SC-I型廠房速度矢量圖

圖6 SC-III型廠房溫度分布圖

圖7 SC-III型廠房速度矢量圖

通過(guò)分析可以認(rèn)為在太陽(yáng)輻照相對(duì)穩(wěn)定（陰雨天氣較少）地區(qū)可采用SC-III型的廠房形式，在人員活動(dòng)范圍內(nèi)有較好的降溫效果。如有高空作業(yè)任務(wù)的情況下SC-I型具有更好的適用性，并且在光照不足或者陰雨天氣下利用廠房?jī)?nèi)部熱壓進(jìn)行自然通風(fēng)效果要優(yōu)于III型，因?yàn)镮型保留了兩扇出風(fēng)天窗。

3 結(jié)論

1）本文利用CFD 方法模擬研究了由文獻(xiàn)[8]所提供的熱源廠房，并將模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證，證明此次模擬所建立的模型是比較成功的，從而驗(yàn)證了計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬的有效性。

2）引入太陽(yáng)能煙囪對(duì)廠房進(jìn)行增強(qiáng)自然通風(fēng)效果的改造，本文建立了4種不同形式帶太陽(yáng)能煙囪的廠房，通過(guò)與原型的對(duì)比發(fā)現(xiàn)在溫度與風(fēng)速上有不同程度的優(yōu)化。

3）對(duì)SC-I型與SC-III型進(jìn)行溫度場(chǎng)與速度場(chǎng)詳細(xì)的分析，通過(guò)詳細(xì)的對(duì)比得出兩種太陽(yáng)能煙囪廠房不同的適用情況：白天天氣晴朗地區(qū)可采用SC-III型廠房。需保證穩(wěn)定通風(fēng)效果或者有高空行吊作業(yè)的廠房更適宜采用SC-I型。