孟曉靜 康思遠(yuǎn) 曹瑩雪

（1.西安建筑科技大學(xué)資源工程學(xué)院，陜西 西安 710002；2.西部綠色建筑國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710055）

0 引言

對(duì)于具有強(qiáng)熱源的工業(yè)廠房，往往需要較大的室內(nèi)通風(fēng)量來(lái)排走余熱，無(wú)動(dòng)力風(fēng)帽輔助自然通風(fēng)的方式被廣泛應(yīng)用。由于自然通風(fēng)受到氣候條件、建筑朝向和圍護(hù)結(jié)構(gòu)等的影響，存在著隨機(jī)性和復(fù)雜性［1］。在夏季室內(nèi)外熱壓差較小或室外風(fēng)速較小時(shí)，無(wú)動(dòng)力風(fēng)帽提供的通風(fēng)量往往無(wú)法滿(mǎn)足室內(nèi)環(huán)境的需求，如何提高無(wú)動(dòng)力風(fēng)帽的通風(fēng)量是值得研究的課題。岳高偉等［2］模擬了室內(nèi)不同通風(fēng)方式和風(fēng)速下甲醛的分布特征，并給出優(yōu)化的通風(fēng)方式和送風(fēng)速度。CHEN Z D等［3］開(kāi)發(fā)了一種利用電解產(chǎn)生氫氣泡的技術(shù)，分析了溫度差異導(dǎo)致的自然通風(fēng)流量與濃度差異引起的自然通風(fēng)流量的相似性。近年來(lái)，太陽(yáng)能逐漸被用于強(qiáng)化現(xiàn)有的自然通風(fēng)方式，比如太陽(yáng)能煙囪、太陽(yáng)能墻等。ISMAIL M等［4］研究了風(fēng)能與太陽(yáng)能混合動(dòng)力屋頂通風(fēng)器在實(shí)際建筑中的應(yīng)用，相比于常規(guī)通風(fēng)器，混合動(dòng)力屋頂通風(fēng)器使室內(nèi)空氣溫度和相對(duì)濕度分別降低了0.7℃和1.7%。LAI C M［5］研制了一種風(fēng)能和光能混合動(dòng)力的屋頂通風(fēng)器樣機(jī)，并且通過(guò)低速風(fēng)洞試驗(yàn)研究了該樣機(jī)的通風(fēng)性能，發(fā)現(xiàn)在室外風(fēng)速小于5 m/s時(shí)屋頂通風(fēng)器能提高通風(fēng)效率。因此，在原有無(wú)動(dòng)力風(fēng)帽基礎(chǔ)上，本文設(shè)計(jì)了一種太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)的無(wú)動(dòng)力風(fēng)帽，將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為無(wú)動(dòng)力風(fēng)帽葉片旋轉(zhuǎn)的動(dòng)能，從而增大室內(nèi)通風(fēng)量。通過(guò)模型實(shí)驗(yàn)測(cè)試分析了太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)的無(wú)動(dòng)力風(fēng)帽作用下工業(yè)廠房通風(fēng)量的變化規(guī)律，為太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)的無(wú)動(dòng)力風(fēng)帽的推廣應(yīng)用奠定一定的基礎(chǔ)。

1 實(shí)驗(yàn)方案

1.1 實(shí)驗(yàn)臺(tái)搭建

由于現(xiàn)有的無(wú)動(dòng)力屋頂通風(fēng)嚴(yán)重依賴(lài)室外環(huán)境條件，本文設(shè)計(jì)了一種由太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)的無(wú)動(dòng)力風(fēng)帽，如圖1所示。將直流有刷電機(jī)放置于無(wú)動(dòng)力風(fēng)帽頂部，用齒輪焊接風(fēng)帽與電機(jī)轉(zhuǎn)軸以增大接觸面積，電機(jī)用鋼架支撐，電機(jī)額定功率10 W，額定功率下轉(zhuǎn)速600 r/min。電機(jī)與太陽(yáng)能光伏板用專(zhuān)用導(dǎo)線(xiàn)連接，太陽(yáng)能光伏板尺寸540 mm×670 mm，最大輸出功率50 W。太陽(yáng)能光伏板放置于室外空曠地方，全天可以被太陽(yáng)照射。在電機(jī)與太陽(yáng)能板之間可加裝太陽(yáng)能專(zhuān)用蓄電池。

圖1 太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)的無(wú)動(dòng)力風(fēng)帽

在下側(cè)窗中央位置設(shè)置測(cè)點(diǎn)S1，在上側(cè)窗中央位置設(shè)置測(cè)點(diǎn)S2，兩個(gè)測(cè)點(diǎn)處分別使用SWA03＋萬(wàn)向微風(fēng)速探頭測(cè)試風(fēng)速和溫度，SWA03＋與設(shè)備電腦連接，測(cè)量間隔為5 min。本文搭建了太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)的無(wú)動(dòng)力風(fēng)帽聯(lián)合自然通風(fēng)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)，風(fēng)帽位于實(shí)驗(yàn)臺(tái)頂部，并在其上方安裝直流有刷電機(jī)，電機(jī)與外部太陽(yáng)能光伏板連接，實(shí)驗(yàn)裝置如圖2所示。實(shí)驗(yàn)臺(tái)尺寸1500 mm×900 mm×1 650 mm，在實(shí)驗(yàn)臺(tái)前后兩側(cè)（Y=0 mm和Y=900 mm），距離地面150 mm處與距離實(shí)驗(yàn)臺(tái)頂部100 mm（Z=150 mm和Z=1 550 mm）處，設(shè)長(zhǎng)寬為1 250 mm×150 mm的下側(cè)窗①②與上側(cè)窗③④。模型頂部中央處設(shè)直徑為150 mm的通風(fēng)口與相同口徑的無(wú)動(dòng)力風(fēng)帽連接，通風(fēng)口喉管處安裝蜂窩構(gòu)造，蜂窩器能夠降低氣流的湍流速度。熱源直徑為250 mm，放置于實(shí)驗(yàn)臺(tái)底部中央，其表面溫度可根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)節(jié)，可調(diào)范圍為0～400℃。

圖2 實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ脱b置示意

1.2 測(cè)點(diǎn)設(shè)置

在風(fēng)帽通風(fēng)口處設(shè)置測(cè)點(diǎn)S3，S3處安裝風(fēng)速、溫度探頭，探頭連接TSI9565風(fēng)速儀主機(jī)，記錄風(fēng)帽排風(fēng)速度和排風(fēng)溫度，測(cè)量間隔為5 min。

太陽(yáng)能板放置與地面的夾角和當(dāng)日西安當(dāng)?shù)靥?yáng)光線(xiàn)與地面的夾角相同，在太陽(yáng)能板50 cm處放置太陽(yáng)輻射傳感器連接JT2020多功能測(cè)試儀，測(cè)量太陽(yáng)輻射總強(qiáng)度，測(cè)量間隔5 min。測(cè)試儀器的測(cè)量范圍和測(cè)量精度如表1所示。

表1 測(cè)試儀器參數(shù)

1.3 工況設(shè)置

為了測(cè)得風(fēng)帽通風(fēng)量隨著太陽(yáng)輻射強(qiáng)度的變化規(guī)律，本文設(shè)置兩種開(kāi)窗模式。開(kāi)窗模式1為開(kāi)啟下側(cè)窗①②與上側(cè)窗③④，開(kāi)窗模式2為開(kāi)啟下側(cè)窗①②，關(guān)閉上側(cè)窗③④。

首先測(cè)試風(fēng)壓作用下全天太陽(yáng)輻射強(qiáng)度的變化對(duì)風(fēng)帽通風(fēng)量的影響，如表2所示。兩種開(kāi)窗模式分別測(cè)試2 d，共測(cè)試4d，測(cè)試從當(dāng)天8：00開(kāi)始，19：00結(jié)束。

表2 不同太陽(yáng)輻射強(qiáng)度變化工況設(shè)置

然后考慮太陽(yáng)輻射強(qiáng)度一定時(shí)，熱壓和風(fēng)壓共同作用下室內(nèi)通風(fēng)量變化規(guī)律。開(kāi)啟室內(nèi)熱源，調(diào)節(jié)熱源表面溫度，分別選取100、200、300、400℃。加裝太陽(yáng)能專(zhuān)用蓄電池，太陽(yáng)能蓄電池為電機(jī)提供穩(wěn)定功率，電機(jī)功率選取2.5、5、7.5、10 W。研究不同熱源表面溫度和電機(jī)功率下無(wú)動(dòng)力風(fēng)帽的通風(fēng)量。

2 結(jié)果分析與討論

2.1 不同太陽(yáng)輻射強(qiáng)度下太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)的無(wú)動(dòng)力風(fēng)帽通風(fēng)量

為測(cè)量太陽(yáng)輻射強(qiáng)度對(duì)兩種開(kāi)窗模式下無(wú)動(dòng)力風(fēng)帽通風(fēng)量的影響，選取4d進(jìn)行測(cè)試。對(duì)于開(kāi)窗模式1選取2021年9月11日和9月19日測(cè)試，開(kāi)窗模式2選取2021年10月5日和10月6日測(cè)試。不同太陽(yáng)輻射強(qiáng)度對(duì)無(wú)動(dòng)力風(fēng)帽通風(fēng)量的影響如圖3所示。

圖3 不同太陽(yáng)輻射強(qiáng)度對(duì)無(wú)動(dòng)力風(fēng)帽通風(fēng)量的影響

對(duì)于開(kāi)窗模式1，9月11日由于晴天太陽(yáng)輻射強(qiáng)度大，太陽(yáng)能提供的動(dòng)能較大，風(fēng)帽的通風(fēng)量增加更快，電機(jī)從8：00開(kāi)始驅(qū)動(dòng)風(fēng)帽旋轉(zhuǎn)，12：00達(dá)到電機(jī)的額定功率，此時(shí)風(fēng)帽的通風(fēng)量達(dá)到310 m3/h，12：00以后風(fēng)帽通風(fēng)量增長(zhǎng)較為緩慢。當(dāng)天在15：00時(shí)風(fēng)帽的通風(fēng)量達(dá)到最大值385 m3/h，隨之通風(fēng)量開(kāi)始減少，且從18：00開(kāi)始降幅明顯。19日陰天，風(fēng)帽的通風(fēng)量緩步增長(zhǎng)，由于陰天太陽(yáng)輻射強(qiáng)度小，所以風(fēng)帽的通風(fēng)量增幅不穩(wěn)定，甚至在太陽(yáng)輻射強(qiáng)度降低的時(shí)期有停止轉(zhuǎn)動(dòng)的現(xiàn)象，但是總體趨勢(shì)隨著太陽(yáng)輻射強(qiáng)度的變化而變化。并且在15：00達(dá)到最大通風(fēng)量320 m3/h。

對(duì)于開(kāi)窗模式2，10月5日和10月6日均是多云，只有5日15：00太陽(yáng)能提供的動(dòng)能使電機(jī)達(dá)到額定功率，故通風(fēng)量隨著太陽(yáng)輻射強(qiáng)度變化的趨勢(shì)明顯。并且2 d分別在15：00達(dá)到通風(fēng)量最大值327 m3/h和223 m3/h。因此，在達(dá)到電機(jī)額定功率之前，風(fēng)帽通風(fēng)量的變化規(guī)律與太陽(yáng)輻射強(qiáng)度的變化規(guī)律基本一致。

風(fēng)帽的通風(fēng)量隨太陽(yáng)輻射強(qiáng)度的變化如圖4所示。由圖可以看出，兩種開(kāi)窗模式下，風(fēng)帽的通風(fēng)量隨著太陽(yáng)輻射強(qiáng)度的增加而增大。太陽(yáng)輻射強(qiáng)度達(dá)到240 W/m2之前風(fēng)帽通風(fēng)量增幅較快，而太陽(yáng)輻射強(qiáng)度達(dá)到240 W/m2之后，通風(fēng)量增加程度減緩。由此可以看出，太陽(yáng)輻射強(qiáng)度達(dá)到240 W/m2時(shí)達(dá)到直流有刷電機(jī)的額定功率，超過(guò)額定功率后風(fēng)帽通風(fēng)量仍然有所增加，電機(jī)將超額定功率運(yùn)行。從圖中還可以看出，當(dāng)太陽(yáng)輻射強(qiáng)度過(guò)低時(shí)，電機(jī)未能驅(qū)動(dòng)風(fēng)帽旋轉(zhuǎn)，太陽(yáng)輻射強(qiáng)度小于10 W/m2時(shí)風(fēng)帽通風(fēng)量為0。

圖4 風(fēng)帽通風(fēng)量隨太陽(yáng)強(qiáng)度分布

2.2 太陽(yáng)輻射強(qiáng)度一定時(shí)無(wú)動(dòng)力風(fēng)帽的通風(fēng)量

當(dāng)陰雨天太陽(yáng)輻射強(qiáng)度不足以為電機(jī)提供足夠動(dòng)能，或者工業(yè)廠房會(huì)有夜間作業(yè)，而此時(shí)卻沒(méi)有太陽(yáng)能為電機(jī)提供動(dòng)能。為能準(zhǔn)確穩(wěn)定的調(diào)控電機(jī)功率大小，用太陽(yáng)能專(zhuān)用蓄電池連接太陽(yáng)能光伏板與電機(jī)，太陽(yáng)能光伏板為蓄電池充電，蓄電池為電機(jī)提供動(dòng)力。

太陽(yáng)能輸入功率一定時(shí)，不同熱源表面溫度下太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)的無(wú)動(dòng)力風(fēng)帽通風(fēng)量如圖5所示。由2.1節(jié)結(jié)果分析可知，太陽(yáng)輻射強(qiáng)度在240 W/m2時(shí)電機(jī)達(dá)到額定功率，那么電機(jī)功率0、2.5、5、7.5、10 W分別對(duì)應(yīng)太陽(yáng)輸出功率0、60、120、180、240 W/m2。

圖5 太陽(yáng)輻射強(qiáng)度一定時(shí)風(fēng)帽通風(fēng)量

由圖5可以看出，隨著電機(jī)功率的增加，風(fēng)帽的通風(fēng)量整體呈升高趨勢(shì)。當(dāng)太陽(yáng)輻射強(qiáng)度為0、60和120 W/m2時(shí)，開(kāi)窗模式1風(fēng)帽的通風(fēng)量整體低于開(kāi)窗模式2風(fēng)帽的通風(fēng)量。這是由于熱源的存在，熱源周?chē)目諝獗患訜?，與室外較冷的氣體產(chǎn)生密度差從而產(chǎn)生熱壓差，使得底部的氣體在熱壓的作用下向上移動(dòng)。開(kāi)窗模式1中有一部分氣體通過(guò)上側(cè)窗排出，而開(kāi)窗模式2沒(méi)有上側(cè)窗，所有的氣體都由風(fēng)帽排出，故開(kāi)窗模式1風(fēng)帽通風(fēng)量小于開(kāi)窗模式2。當(dāng)太陽(yáng)輻射強(qiáng)度達(dá)到120 W/m2之后，開(kāi)窗模式1風(fēng)帽的通風(fēng)量與開(kāi)窗模式2風(fēng)帽的通風(fēng)量接近。這是由于電機(jī)驅(qū)動(dòng)風(fēng)帽旋轉(zhuǎn)過(guò)快，室內(nèi)氣體整體向風(fēng)帽聚攏，所有的氣體均由風(fēng)帽排出，開(kāi)窗模式1中的上側(cè)窗未起到排風(fēng)的作用。因此，在有熱源存在的情況下，太陽(yáng)輻射強(qiáng)度超過(guò)120 W/m2后開(kāi)窗模式1上側(cè)窗形成短路氣流，不利于熱源周?chē)臒峥諝馀懦?，?yīng)當(dāng)關(guān)閉。

從圖5中還可以看出，開(kāi)窗模式1中太陽(yáng)輻射強(qiáng)度小于60 W/m2和開(kāi)窗模式2中太陽(yáng)輻射強(qiáng)度小于120 W/m2時(shí)，風(fēng)帽的通風(fēng)量隨著熱源表面溫度的增大而增大，此時(shí)熱壓通風(fēng)為主導(dǎo)。而當(dāng)太陽(yáng)輻射強(qiáng)度大于上述值時(shí)，熱源表面溫度對(duì)風(fēng)帽通風(fēng)量的影響較小，室內(nèi)通風(fēng)量由風(fēng)帽葉片旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)風(fēng)壓為主導(dǎo)。

3 結(jié)論

本文提出了一種太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)的無(wú)動(dòng)力風(fēng)帽，搭建了太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)的無(wú)動(dòng)力風(fēng)帽聯(lián)合自然通風(fēng)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)，測(cè)試分析了太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)的無(wú)動(dòng)力風(fēng)帽通風(fēng)量的變化規(guī)律，得到以下結(jié)論：

1）在沒(méi)有達(dá)到電機(jī)額定功率之前，太陽(yáng)能強(qiáng)度驅(qū)動(dòng)的無(wú)動(dòng)力風(fēng)帽通風(fēng)量的變化規(guī)律與太陽(yáng)輻射強(qiáng)度的變化規(guī)律基本一致。

2）太陽(yáng)輻射強(qiáng)度達(dá)到120 W/m2時(shí)，開(kāi)窗模式1的上側(cè)窗形成短路氣流，并未起到排風(fēng)的作用，故此時(shí)應(yīng)當(dāng)關(guān)閉上側(cè)窗。

3）開(kāi)窗模式1下太陽(yáng)輻射強(qiáng)度小于60 W/m2和開(kāi)窗模式2下太陽(yáng)輻射強(qiáng)度小于120 W/m2時(shí)，室內(nèi)通風(fēng)量隨熱源表面溫度變化明顯，此時(shí)熱壓通風(fēng)為主導(dǎo)；而太陽(yáng)輻射強(qiáng)度大于上述值時(shí)，風(fēng)帽轉(zhuǎn)動(dòng)帶來(lái)的風(fēng)壓通風(fēng)為主導(dǎo)，熱源表面溫度對(duì)室內(nèi)通風(fēng)量的影響較小。