太陽能煙囪自然通風(fēng)在建筑節(jié)能中的應(yīng)用分析

李國棟

（上海東方延華節(jié)能技術(shù)服務(wù)股份有限公司，上海 200060）

太陽能煙囪自然通風(fēng)在建筑節(jié)能中的應(yīng)用分析

李國棟*

（上海東方延華節(jié)能技術(shù)服務(wù)股份有限公司，上海 200060）

自然通風(fēng)技術(shù)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(nèi)熱環(huán)境和降低空調(diào)能耗的主要技術(shù)手段，太陽能煙囪將上述兩種手段有機(jī)結(jié)合起來，是一種基于建筑物高度引起的壓力差的自然通風(fēng)設(shè)備。它利用太陽輻射作為動(dòng)力，為空氣流動(dòng)提供浮升力，將熱能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能。本文對(duì)某項(xiàng)目中用于室內(nèi)自然通風(fēng)的太陽能煙囪進(jìn)行數(shù)值模擬。利用如Realizable κ-ε湍流模型、離散坐標(biāo)輻射模型以及SIMPLEC算法對(duì)建筑內(nèi)的風(fēng)速和溫度等分布進(jìn)行分析計(jì)算。對(duì)比不同的建筑設(shè)計(jì)參數(shù)諸如通風(fēng)量、進(jìn)風(fēng)口面積出與風(fēng)口面積等參數(shù)的影響，來闡明“煙囪效應(yīng)”對(duì)室內(nèi)環(huán)境的影響。

強(qiáng)化自然通風(fēng)；太陽能煙囪；建筑節(jié)能

0　引言

近年來，建筑設(shè)計(jì)理念正在變化，在考慮建筑時(shí)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(shè)計(jì)應(yīng)該是環(huán)保經(jīng)濟(jì)的，現(xiàn)在越來越多的建筑設(shè)計(jì)考慮用再生能源以減少對(duì)傳統(tǒng)能源的耗用并改善環(huán)境。例如，我們?cè)诙煊锰柲芴峁┎膳?，夏天利用自然通風(fēng)為建筑降溫，這些設(shè)計(jì)既減少了建筑耗能也提升了建筑的舒適性。自然通風(fēng)是最常見的通風(fēng)換氣方式，與機(jī)械通風(fēng)相比，自然通風(fēng)不僅節(jié)省能源消耗，而且能提高室內(nèi)空氣質(zhì)量和人體舒適性。

太陽能煙囪作為強(qiáng)化自然通風(fēng)的一種方式如圖 1，其通風(fēng)原理是熱壓通風(fēng)。太陽輻射透過透明玻璃蓋板進(jìn)入煙囪通道后被蓄熱材料吸收，從而加熱通道內(nèi)的空氣，使之產(chǎn)生內(nèi)外密度差，完成熱壓到風(fēng)壓的轉(zhuǎn)換，驅(qū)動(dòng)通道內(nèi)空氣向上流動(dòng)。夏季時(shí)室內(nèi)空氣由集熱墻下部進(jìn)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(dá)到通風(fēng)效果。冬季工作原理與夏季相同但運(yùn)行工況相反，室外冷空氣進(jìn)入太陽能煙囪通道，經(jīng)集熱墻加熱溫度升高后，從集熱墻上部入口進(jìn)入室內(nèi)，從而達(dá)到通風(fēng)換氣以及供暖的目的［1-3］。

圖1　太陽能煙囪原理圖

在實(shí)際運(yùn)用中，存在各種影響太陽能煙囪強(qiáng)化自然通風(fēng)的因素，如何提高其通風(fēng)效率是學(xué)者們研究的主要問題。太陽能煙囪的結(jié)構(gòu)形式、空氣通道寬度、進(jìn)口面積、出口面積、壁面熱流、太陽輻射強(qiáng)度、煙囪的高度和深度（玻璃蓋板與集熱墻的間距）對(duì)建筑物所形成的速度場(chǎng)、溫度場(chǎng)都存在較大影響，因而自然通風(fēng)的通風(fēng)量也有所不同，直接影響室內(nèi)的通風(fēng)換氣效果［4-5］。

有關(guān)利用太陽能煙囪強(qiáng)化自然通風(fēng)的研究主要集中于煙囪的高度和深度以及進(jìn)口面積的優(yōu)化，通過實(shí)驗(yàn)研究和理論模擬得到最大氣體流速條件下對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)。例如Bansal等［6］定性地分析了太陽能煙囪與風(fēng)塔共同引發(fā)的自然對(duì)流，結(jié)果預(yù)測(cè)出太陽能煙囪的效果在低風(fēng)速下較好。Bouchair［7］對(duì)典型的空洞太陽能煙囪用于室內(nèi)時(shí)的自然對(duì)流過程進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，研究發(fā)現(xiàn)存在一個(gè)可以獲得最大通風(fēng)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(jié)果還發(fā)現(xiàn)，當(dāng)煙囪寬度間隔在 20 cm～30 cm時(shí)氣體的質(zhì)量流速最大；當(dāng)間隔低于10 cm時(shí)，進(jìn)口面積對(duì)質(zhì)量流速無影響；當(dāng)間隔升至30 cm～50 cm時(shí)，隨面積的增大，氣體流速增大。同時(shí)，流速還隨著表面溫度的增加而增大［8］。

目前對(duì)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(fēng)效率的研究，能用于實(shí)際工程的模型則較少；此外，現(xiàn)有的研究主要針對(duì)太陽能煙囪在單個(gè)房間的通風(fēng)性能，但現(xiàn)實(shí)中建筑一般都為多層，因此有必要對(duì)太陽能煙囪強(qiáng)化通風(fēng)在高層建筑及住宅樓中的應(yīng)用進(jìn)行研究。本文針對(duì)這一問題，運(yùn)用某項(xiàng)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(chǎng)和速度場(chǎng)分布，從而闡明通風(fēng)量與進(jìn)風(fēng)口面積、出風(fēng)口面積等參數(shù)之間的關(guān)系，為太陽能煙囪在建筑節(jié)能方案中的實(shí)際應(yīng)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(xiàng)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(jié)構(gòu)經(jīng)簡(jiǎn)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(nèi)墻的窗戶尺寸均為0.5 m，煙囪頂部?jī)蓚?cè)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(nèi)地面得熱量為42 W/m2，模型為冬季采暖模式。

圖2　某項(xiàng)目中太陽能煙囪建筑物理模型結(jié)構(gòu)示意圖

2　數(shù)學(xué)模型

為模擬太陽能煙囪內(nèi)的溫度分布及流場(chǎng)分布情況，可以采用數(shù)值計(jì)算法得出集熱墻體、玻璃板內(nèi)間隔各時(shí)刻、各部位的溫度和熱流的近似數(shù)值解，其數(shù)學(xué)計(jì)算方法相對(duì)比較簡(jiǎn)單，物理意義明確，而且對(duì)周期性邊界條件可以直接進(jìn)行離散處理，故采取計(jì)算機(jī)輔助軟件ANSYS-FLUENT進(jìn)行計(jì)算。

2.1模型的選擇

(2)管線埋設(shè)于地下，處于隱蔽狀態(tài)，為確定位置可用管線探測(cè)儀、雷達(dá)等多種探測(cè)方法。目前，業(yè)內(nèi)開始借助潛望鏡進(jìn)行管線探測(cè)。潛望鏡主要用于井、涵洞，以及暗溝暗區(qū)管線探測(cè)，在不需人員進(jìn)入的情況下可以直觀觀察到內(nèi)部構(gòu)造和線路情況，同時(shí)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(cè)作用，而且還可以直觀查看排水管線的內(nèi)部構(gòu)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(duì)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(nèi)部流體的瑞利數(shù)在 105～1012之間變化。因此，本文選用由標(biāo)準(zhǔn)κ-ε模型和RNG κ-ε模型相結(jié)合Realizable κ-ε模型來求解最為恰當(dāng)。

2.2求解器選擇與設(shè)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(duì)低速、不可壓縮流體開發(fā)設(shè)計(jì)的?；诿芏鹊那蠼馄魇轻槍?duì)高速、可壓縮流體開發(fā)的。太陽能煙囪內(nèi)部空氣流動(dòng)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(wǎng)格的設(shè)定

本文只考慮煙囪內(nèi)部熱壓的作用而忽略煙囪進(jìn)、出風(fēng)口處風(fēng)壓的影響，將進(jìn)、出風(fēng)口的邊界條件設(shè)定為壓力0 Pa，環(huán)境溫度293 K，并采用制定湍流強(qiáng)度和水力直徑的方法來對(duì)進(jìn)/出口進(jìn)行紊流條件設(shè)定，空氣動(dòng)力系數(shù)為 0.8，水力直徑根據(jù)不同的尺寸的風(fēng)口計(jì)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(yùn)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(jìn)風(fēng)口，湍流強(qiáng)度和粘度量均設(shè)為1；本文選用網(wǎng)格尺寸為0.05 mm。

3　分析過程及結(jié)論

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

3.1所有進(jìn)風(fēng)口全部打開

文章中的模擬模型采用軟件通用模型，計(jì)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(jì)算的精度為10-6。

圖3　速度場(chǎng)示意圖

模型結(jié)果說明進(jìn)風(fēng)口尺寸大，室外新風(fēng)進(jìn)入室內(nèi)的速度低；進(jìn)風(fēng)口尺寸減小，室外新風(fēng)進(jìn)入室內(nèi)的速度增加。所以，在冬季采暖工況下，太陽能煙囪導(dǎo)致室內(nèi)熱量損失；而且室內(nèi)熱量損失與開窗尺寸相關(guān)，開窗尺寸越小，建筑熱損失越大，室外空氣進(jìn)入室內(nèi)的速度越大，建筑內(nèi)溫降越明顯。

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

圖4　溫度場(chǎng)示意圖

3.2進(jìn)風(fēng)口關(guān)閉

3.2.1一層進(jìn)風(fēng)口關(guān)閉

從圖5的模擬結(jié)果看出，當(dāng)把一層進(jìn)風(fēng)口關(guān)閉時(shí)，室外空氣不能通過一層進(jìn)風(fēng)口進(jìn)入室內(nèi)，因此一層進(jìn)風(fēng)口的風(fēng)速為 0。二層進(jìn)風(fēng)口的風(fēng)速為0.608 m/s，三層進(jìn)風(fēng)口的風(fēng)速為0.438 m/s，建筑的通風(fēng)量為0.385 m/s。

圖5　速度場(chǎng)示意圖

通過圖6模擬看出，關(guān)閉一層進(jìn)風(fēng)口后，沒有室外冷空氣的進(jìn)入，一層內(nèi)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(jìn)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(chǎng)示意圖

3.2.2二層進(jìn)風(fēng)口關(guān)閉

當(dāng)二層的進(jìn)風(fēng)口關(guān)閉（圖7），二層進(jìn)風(fēng)為0；一層進(jìn)風(fēng)口的風(fēng)速為0.815 m/s，三層進(jìn)風(fēng)口的風(fēng)速為0.443 m/s。建筑的通風(fēng)量為0.3881 m/s。

圖7　速度場(chǎng)示意圖

二層進(jìn)風(fēng)口關(guān)閉后，室外空氣不能進(jìn)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(jìn)入一層建筑的速度比進(jìn)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(chǎng)示意圖

3.2.3三層進(jìn)風(fēng)口關(guān)閉

如圖9所示，關(guān)閉三層進(jìn)風(fēng)口后，三層的風(fēng)速為0，一層進(jìn)風(fēng)口的速度為0.794 m/s，二層的進(jìn)風(fēng)口的風(fēng)速為0.602 m/s。建筑的通風(fēng)量為0.399 m/s。

圖9　速度場(chǎng)示意圖

如圖 10所示，關(guān)閉三層的進(jìn)風(fēng)口，三層內(nèi)的溫度在沒有外界空氣的影響下溫度平穩(wěn)；一層進(jìn)風(fēng)口風(fēng)速比二層進(jìn)風(fēng)口的大，所以一層的溫度場(chǎng)較二層溫度變化大。

圖10　溫度場(chǎng)示意圖

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

通過上述模擬分析可知：建筑的通風(fēng)量與進(jìn)風(fēng)口面積有關(guān)系。進(jìn)風(fēng)口越大，通風(fēng)效果越好。

圖11　不同進(jìn)風(fēng)口關(guān)閉后建筑的通風(fēng)量

3.3出風(fēng)口關(guān)閉

3.3.1左出風(fēng)口關(guān)閉

關(guān)閉左出風(fēng)口后，左出風(fēng)口的風(fēng)速為 0。模擬計(jì)算出的右出風(fēng)口的速度為0.515 m/s，建筑的通風(fēng)量為0.429 m/s。

從圖 12的溫度場(chǎng)示意圖可以看出，一層進(jìn)風(fēng)口的風(fēng)速最快，因此溫降也最快，三層溫降最慢。

圖12　左出風(fēng)口關(guān)閉后的溫度場(chǎng)示意圖

3.3.2右出風(fēng)口關(guān)閉

關(guān)閉右出風(fēng)口后，空氣只從左出風(fēng)口出去，方向與進(jìn)風(fēng)口相反。經(jīng)模擬得出，一層、二層、三層進(jìn)風(fēng)口溫度和出風(fēng)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(chǎng)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(fēng)口關(guān)閉后的溫度場(chǎng)示意圖

由圖 14可以看出風(fēng)口對(duì)各層進(jìn)風(fēng)口速度的影響。出風(fēng)口全部開啟時(shí)進(jìn)風(fēng)速度和通風(fēng)量最大。關(guān)閉右出風(fēng)口后對(duì)進(jìn)風(fēng)速和通風(fēng)量影響較大，增加了建筑內(nèi)通風(fēng)循環(huán)。而且出風(fēng)口的風(fēng)速也較大。

圖14　出風(fēng)口的開關(guān)對(duì)進(jìn)風(fēng)口風(fēng)速的影響

4　結(jié)論

1）在過渡季節(jié)可通過開啟窗戶以保證建筑內(nèi)空氣質(zhì)量，并節(jié)省空調(diào)設(shè)備能耗。

2）大通風(fēng)量建筑的通風(fēng)量與進(jìn)風(fēng)口的開啟情況有關(guān)系，由于建筑一層進(jìn)風(fēng)口風(fēng)速最快（約為0.8 m/s），當(dāng)需通風(fēng)換氣、且要選擇性地開啟風(fēng)口的情況下，模型計(jì)算結(jié)果顯示關(guān)閉一層進(jìn)風(fēng)口影響最大，平均風(fēng)速降為 0.38 m/s； 關(guān)閉三層進(jìn)風(fēng)口影響最小，平均風(fēng)速降至0.4 m/s。因此，太陽能煙囪的通風(fēng)量控制策略可依據(jù)此結(jié)果制定，以實(shí)現(xiàn)空調(diào)設(shè)備節(jié)能。

3）結(jié)合溫度與風(fēng)速場(chǎng)的模擬計(jì)算結(jié)果得知，當(dāng)室外氣溫較低，建筑內(nèi)又要通風(fēng)換氣時(shí)，可以優(yōu)先關(guān)閉左出風(fēng)口，開啟右出風(fēng)口，這樣既能保證室內(nèi)空氣質(zhì)量節(jié)約了空調(diào)設(shè)備能耗，又能保證室內(nèi)溫降不會(huì)太大。

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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(hào)普陀科技大廈11樓，郵編200060。聯(lián)系電話：021-62987595。E-mail：li_guodong_@126.com。