張亞琴 孫亮亮 袁艷平 曹曉玲 趙 娟

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基于煙囪效應(yīng)的地下空間豎井通風(fēng)系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化

張亞琴 孫亮亮 袁艷平 曹曉玲 趙 娟

（西南交通大學(xué)機械工程學(xué)院 成都 610031）

為研究豎井通風(fēng)系統(tǒng)中關(guān)鍵參數(shù)對系統(tǒng)性能的影響程度，以誘導(dǎo)通風(fēng)量及熱水換熱溫差為試驗指標，選取豎井高度（A）、豎井通道直徑（B）、入口水溫（C）及水流量（D）作為四個試驗因素，通過極差分析方法對各試驗因素的影響程度進行了正交試驗方案設(shè)計。研究結(jié)果表明，豎井高度、豎井通道直徑、入口水溫三個因素對誘導(dǎo)通風(fēng)量影響程度較大，而水流量對其影響程度最??；入口水溫對熱水換熱溫差的影響程度最大，豎井通道直徑對其影響程度最小。綜合考慮兩方面試驗指標，在試驗范圍內(nèi)選出了四個因素最佳組合方案為A3B2C3D1。

豎井通風(fēng)；影響因素；正交試驗法

0 引言

建筑行業(yè)作為我國經(jīng)濟發(fā)展的重要行業(yè)，對能源的應(yīng)用也相當廣泛。據(jù)國家統(tǒng)計局有關(guān)數(shù)據(jù)顯示，我國建筑能耗約占總能耗的30%，而通風(fēng)能耗約占整個建筑能耗的20%以上[1]。因此，考慮減少通風(fēng)所帶來的能耗具有很大的節(jié)能價值，同時建筑節(jié)能是關(guān)系到我國的經(jīng)濟高速健康發(fā)展、改變能源相對短缺局面的關(guān)鍵。太陽能煙囪技術(shù)是一種利用太陽能來代替?zhèn)鹘y(tǒng)能源或減少傳統(tǒng)能源消耗，依靠空氣吸收太陽輻射熱產(chǎn)生浮升力，從而實現(xiàn)或強化建筑室內(nèi)自然通風(fēng)的有效技術(shù)，是目前學(xué)者研究的熱點之一。

在對太陽能煙囪提高通風(fēng)效率的研究過程中，研究者發(fā)現(xiàn)，其結(jié)構(gòu)形式及尺寸對它的通風(fēng)效果有很大的影響。Chen Z D[2]等人對一個高1.5m、長0.62m、寬高比為1:15～2:5的太陽能煙囪模型進行了實驗研究，得到傾斜角度為45°、寬高比為2:15時具有最佳通風(fēng)效果，其通風(fēng)速率比煙囪垂直情況下多45%左右。Khedari[3]等人對屋頂太陽能集熱器進行了通風(fēng)測量，得到當太陽能煙囪高1m、傾角30°、通道寬度0.14m時可達到最佳通風(fēng)效果。Mather等[4,5]從理論和實驗方法評估了在熱氣候條件下利用太陽能誘導(dǎo)室內(nèi)通風(fēng)的可能性，發(fā)現(xiàn)誘導(dǎo)通風(fēng)量隨太陽輻射強度、吸熱壁面與玻璃蓋板間的空氣通道尺寸的增加而線性增加。

從以上研究來看，由于太陽能煙囪通道內(nèi)氣流流動狀況的復(fù)雜性及結(jié)構(gòu)形式的多樣化，造成對研究歸納煙囪最佳寬高比存在困難，其不同形式及結(jié)構(gòu)尺寸的太陽能煙囪其最佳尺寸值也不相同。對太陽能煙囪的影響因素優(yōu)化過程中，前期普遍采用單因素分析法，計算繁瑣、工作量大，且無法確定各因素對系統(tǒng)性能的影響程度及優(yōu)化順序。

正交試驗法作為一門工程化科學(xué)設(shè)計方法，通過各因素間合理的組合方案，能夠大大降低模擬計算量，提高研究分析效率，而且通過極差分析方法，可以確定各因素對系統(tǒng)性能的影響程度，近而確定其優(yōu)化順序[8]。王亮[9]等通過無交互正交試驗法模擬分析了地道與太陽能煙囪復(fù)合通風(fēng)系統(tǒng)模型中地道長度、地道寬度、太陽能煙囪高度、地道進風(fēng)口與太陽能煙囪出風(fēng)口面積比等參數(shù)對房間通風(fēng)量和室內(nèi)溫度的影響程度，并對各試驗因素的優(yōu)化次序進行了分析。姚盼等[10]運用正交試驗法研究了太陽能熱水系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)及其交互作用對系統(tǒng)性能的影響程度。

鑒于此，該文建立空氣與水耦合傳熱的豎井通風(fēng)模型（如圖1所示），以誘導(dǎo)通風(fēng)量和熱水換熱溫差為試驗指標，選取豎井高度、豎井通道直徑、入口水溫、水流量四個關(guān)鍵參數(shù)為試驗因素，采用三水平無交互正交試驗法對模型模擬工況進行合理設(shè)計，通過極差分析法得出系統(tǒng)各試驗因素對試驗指標的影響程度，從而為工程設(shè)計及優(yōu)化提供參考依據(jù)。

1 系統(tǒng)簡介

1.1 系統(tǒng)組成

如圖1所示為該文提出的“基于煙囪效應(yīng)的地下空間豎井通風(fēng)系統(tǒng)”，該系統(tǒng)主要由PV/T集熱器、貯熱水箱、循環(huán)水泵、蓄電設(shè)備、豎井、地下空間、和末端用熱水設(shè)備等組成。

圖1 基于煙囪效應(yīng)的地下空間豎井通風(fēng)系統(tǒng)示意圖

1.2 工作原理

將太陽能PV/T系統(tǒng)放置在建筑物的頂部，白天PV板通過吸收太陽輻射能進行發(fā)電，貯熱水箱內(nèi)的水流進循環(huán)管道不斷帶走PV板運行過程中產(chǎn)生的余熱，當達到一定的溫度后，將水通過管道送至豎井內(nèi)部的環(huán)形流道，然后通過內(nèi)壁面與空氣進行熱交換，空氣因溫度升高產(chǎn)生向上的浮升力，從而形成“煙囪效應(yīng)”來誘導(dǎo)空氣向上流動。只要能夠?qū)崿F(xiàn)持續(xù)加熱，豎井底部就會吸入大量的空氣，而室外空氣可通過通風(fēng)口得以補充，從而可實現(xiàn)地下空間通風(fēng)效果。

該系統(tǒng)可有效利用PV/T系統(tǒng)內(nèi)的余熱來實現(xiàn)強化地下空間自然通風(fēng)、降低機械通風(fēng)能耗目的，而且可降低PV板溫度，提高其光電轉(zhuǎn)換效率；與此同時，系統(tǒng)循環(huán)水泵的動力消耗也可由PV/T系統(tǒng)產(chǎn)生的電能提供，從而可最大限度地提高太陽能的綜合利用效率。尤其對于偏遠地區(qū)的隧道等地下空間，建設(shè)和維護電網(wǎng)的成本都比較高，使用該系統(tǒng)供電和通風(fēng)是經(jīng)濟的選擇。

2 模型描述

2.1 物理模型

根據(jù)給定條件，建立空氣與水耦合傳熱豎井通風(fēng)模型，豎井高為，豎井通道直徑；外側(cè)環(huán)形水區(qū)域為30mm，傳熱壁面采用鋁型散熱板材，壁厚為2mm，其物性參數(shù)見表1所示；豎井外壁面采用玻璃棉管殼做保溫處理，厚度為55mm，物性參數(shù)見表2；按一般PV/T集熱器產(chǎn)生的熱水水溫，取入口水溫w1=40～60℃[11]；假設(shè)室外環(huán)境溫度及豎井內(nèi)部初始空氣溫度都為20℃，以確保完全在熱壓作用下來實現(xiàn)豎井通風(fēng)效果。圖2、3為豎井橫、縱斷面示意圖。

圖2 豎井橫斷面示意圖

圖3 豎井縱斷面示意圖

表1 傳熱壁面物性參數(shù)

表2 保溫材料物性參數(shù)

2.2 數(shù)學(xué)模型與求解方法

（1）室外氣象參數(shù)不變，豎井內(nèi)形成穩(wěn)定的一維空氣流；

（2）所有壁面都假設(shè)是無滑移的，煙囪外壁面絕熱，其他壁面未考慮其蓄熱特性；

（3）未考慮室外風(fēng)壓的影響；

（4）忽略豎井內(nèi)輻射傳熱；

（5）考慮密度差引起的浮升力的影響和重力作用；

（6）所有物性參數(shù)均視為常數(shù)，但動量方程中密度的變化遵循Boussinesq假設(shè)。空氣的物性參數(shù)如表3所示。

表3 空氣的物性參數(shù)

基于上述假設(shè)，壓力速度耦合采用SIMPLEC算法，采用二階迎風(fēng)格式對方程進行離散，對于壓力的離散方式采用專門適用于體積力流動的加權(quán)體積力差值格式計算。模擬過程中邊界條件設(shè)置如圖4所示。

圖4 邊界條件

2.3 模型驗證

圖5 數(shù)值計算與實驗結(jié)果對比

文獻[12]中李安桂等人對一個高2m、長1m、寬在0.4～1.2m之間變化的豎直式太陽能煙囪進行了實驗研究。為了驗證該文數(shù)值計算方法的正確性，故對文獻[12]中太陽能煙囪的實驗?zāi)Ｐ瓦M行相應(yīng)數(shù)值模擬研究，并與實驗數(shù)據(jù)進行對比分析，結(jié)果如圖5所示。

采用相對誤差作為度量標準，對實驗過程中每個模擬數(shù)據(jù)和實驗數(shù)據(jù)進行對比計算。

式中，sim,i為模擬數(shù)據(jù)；exp,i為實驗數(shù)據(jù)；為測量序數(shù)。

表4 實驗與模擬數(shù)據(jù)相對誤差

圖5顯示了模擬與實驗條件下，當熱流密度為200、400W/m2時，該太陽能煙囪在寬度分別為400、700、1000、1200mm下的誘導(dǎo)通風(fēng)量對比情況。從圖中兩者的偏差變化情況來看，隨著煙囪寬度的增大其誤差也略微呈現(xiàn)增大的趨勢，除了熱流密度為200W/m2、寬度為700mm時的模擬結(jié)果比實驗結(jié)果小，其他情況下模擬值都大于實驗測量值，這一現(xiàn)象也與文獻[13,14,15]基本一致。實測值相比數(shù)值模擬值波動的可能原因有：（1）實驗中由于采用熱球風(fēng)速儀測定空氣流速，無法對其進行準確測量，造成結(jié)果偏差；（2）實驗中煙囪通道壁面材料對空氣流動存在阻力等；（3）實驗測量值很可能受到氣候條件等因素影響，隨著煙囪寬度的增加，出口易出現(xiàn)回流現(xiàn)象等。綜上，考慮到模擬計算用邊界條件及材料物性參數(shù)與實驗條件的偏差，以及相對誤差分析（絕對值在3.33%～7.14%），認為數(shù)值計算結(jié)果與實驗結(jié)果吻合較好，從而驗證了該數(shù)值計算模型與方法的正確性。

3 研究方案與分析方法

3.1 試驗指標及因素確定

為了改善空氣與水耦合傳熱豎井通風(fēng)模型的誘導(dǎo)通風(fēng)效果，該文確定了合理的正交試驗方案，最終選取了豎井高度、豎井通道直徑、入口水溫、水流量四個試驗因素來考察對系統(tǒng)誘導(dǎo)通風(fēng)量及熱水換熱溫差的影響程度。

3.2 無交互正交試驗因素水平確定

在確定各試驗因素的水平數(shù)時，考慮仿真模擬試驗條件，并遵循盡量減少試驗次數(shù)的原則，將豎井高度、豎井通道直徑、入口水溫、水流量四個試驗因素都選為三水平，各試驗因素的水平值在所選范圍內(nèi)等間距確定，無交互正交試驗因素與水平見表5。

表5 無交互正交試驗因素與水平

3.3 模擬方案確定

為了充分考慮四個試驗因素在無交互作用情況下對誘導(dǎo)通風(fēng)量及熱水換熱溫差的影響，同時保證任一因素的任一水平與其他因素的任一水平有且僅相碰一次的前提下，選用L9（34）型標準正交表[16]，確定了無交互正交試驗的試驗參數(shù)，表6為誘導(dǎo)通風(fēng)量正交模擬的試驗參數(shù)；表7為熱水換熱溫差正交模擬的試驗參數(shù)。

表6 誘導(dǎo)通風(fēng)量正交模擬的試驗參數(shù)

表7 熱水換熱溫差正交模擬的試驗參數(shù)

續(xù)表7 熱水換熱溫差正交模擬的試驗參數(shù)