太陽(yáng)能煙囪-地埋管聯(lián)合自然通風(fēng)及其對(duì)室內(nèi)熱環(huán)境的影響研究

張雅雅,龍?zhí)旌?葉 愷,鄭迪萌,張紓瑀,李永財(cái)

（重慶大學(xué) 土木工程學(xué)院，重慶 400045）

0 引言

隨著人們生活水平的提高，暖通空調(diào)系統(tǒng)能耗占據(jù)了建筑總能耗的50%以上[1]。利用可再生能源代替部分化石能源，減少空調(diào)系統(tǒng)能耗對(duì)緩解能源危機(jī)具有積極意義。

利用太陽(yáng)能促進(jìn)室內(nèi)通風(fēng)的太陽(yáng)能煙囪以及利用地?zé)崮軐?duì)室外空氣進(jìn)行預(yù)處理的地道風(fēng)系統(tǒng)具有廣闊的應(yīng)用前景，已被廣泛應(yīng)用[2]～[7]。2010年M.Maerefat[8]提出了一種由太陽(yáng)能煙囪和地埋管聯(lián)合使用的被動(dòng)式太陽(yáng)能系統(tǒng)。該耦合系統(tǒng)利用太陽(yáng)能煙囪產(chǎn)生的煙囪效應(yīng)為地道風(fēng)系統(tǒng)提供通風(fēng)的動(dòng)力，使室外新風(fēng)不斷補(bǔ)入室內(nèi)。這種聯(lián)合運(yùn)行方式舍棄了傳統(tǒng)地道風(fēng)系統(tǒng)的風(fēng)機(jī)，節(jié)省了風(fēng)機(jī)的能耗，同時(shí)也提高了太陽(yáng)能煙囪的應(yīng)用范圍，使得太陽(yáng)能煙囪在除過渡季節(jié)以外的其他季節(jié)也可以使用。盡管上述耦合系統(tǒng)具有諸多優(yōu)點(diǎn)，但目前該耦合系統(tǒng)還沒有引起足夠重視，相關(guān)研究較少，且大部分研究更偏向于通過模擬來進(jìn)行理論分析，而忽視了實(shí)驗(yàn)研究，但對(duì)于一個(gè)復(fù)雜的耦合系統(tǒng)來說，實(shí)驗(yàn)研究是必不可少的。實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蚋鎸?shí)準(zhǔn)確的反應(yīng)系統(tǒng)的性能。本文利用全尺寸實(shí)驗(yàn)臺(tái)對(duì)太陽(yáng)能煙囪-地埋管耦合系統(tǒng)在夏季的運(yùn)行情況進(jìn)行了研究，重點(diǎn)分析了該系統(tǒng)的通風(fēng)性能以及對(duì)室內(nèi)熱環(huán)境的影響。

1 實(shí)驗(yàn)方案

1.1 實(shí)驗(yàn)臺(tái)及原理

太陽(yáng)能煙囪-地埋管耦合系統(tǒng)全尺寸實(shí)驗(yàn)臺(tái)位于安徽省銅陵市，地處夏熱冬冷地區(qū)，夏季室外溫度和相對(duì)濕度較高。實(shí)驗(yàn)臺(tái)如圖1所示。

圖1 全尺寸實(shí)驗(yàn)臺(tái)示意圖Fig.1 Thermal parameters of outer building envelope

該實(shí)驗(yàn)臺(tái)由兩個(gè)房間、地埋管部分以及太陽(yáng)能煙囪部分組成。墻體的材料從外向內(nèi)依次為保溫板、燒結(jié)多孔空心磚和找平水泥砂漿；屋頂?shù)牟牧蠌纳系较率潜匕?、鋼筋混凝土現(xiàn)澆板和水泥砂漿。具體熱工參數(shù)如表1所示。由于場(chǎng)地限制，測(cè)試房間的東墻和對(duì)比房間的西墻相鄰，兩墻間隔30 cm。地埋管直徑300mm，材料為PVC，由傾斜入口段、水平工作干管段和豎直出口段3部分組成。水平干管長(zhǎng)30m，是冷卻室外空氣的主要部分。因?yàn)樵诘乇硪韵?～3m深處土壤溫度受太陽(yáng)輻射影響很小，可忽略不計(jì)[9]，綜合考慮施工成本和系統(tǒng)效能，水平干管埋深為3m，室外入口管道呈45°傾角以減少空氣流動(dòng)阻力，室內(nèi)出口管道豎直設(shè)置，出入口管段部分主要功能是連接室外環(huán)境和室內(nèi)環(huán)境。因?yàn)榻咏乇硖幍耐寥朗芴?yáng)輻射影響溫度較高，所以當(dāng)被水平埋管工作段冷卻的空氣經(jīng)出口段管道進(jìn)入室內(nèi)時(shí)，又會(huì)被溫度較高的土壤重新升溫，部分抵消地埋管的冷卻降溫效果。為了減少預(yù)冷空氣與土壤的換熱，入口地埋管段用保溫材料隔熱。太陽(yáng)能煙囪部分由水平的太陽(yáng)能集熱器和豎直的煙囪組成。為了最大限度的利用太陽(yáng)能，集熱器安裝在屋頂，傾角為30°，面朝南。集熱器長(zhǎng)7m，寬1.5m，高0.3m，4個(gè)側(cè)面以及背面由不銹鋼制成，并用保溫材料隔熱，內(nèi)測(cè)涂有黑色吸熱涂料，頂部為玻璃蓋板。豎直煙囪高6m，直徑0.3m，煙囪主要是提供高差，外壁附有保溫材料以減少冬季熱量損失。在晴天，太陽(yáng)能集熱器中的空氣被太陽(yáng)輻射加熱，密度減小，在熱壓差的作用下，空氣從煙囪口排出，集熱器中則形成了一個(gè)負(fù)壓區(qū)，室外新鮮空氣通過地埋管被吸入室內(nèi)，在這一過程中，空氣在水平地埋管段中與土壤進(jìn)行換熱，進(jìn)一步降低了室外新風(fēng)的溫度。在測(cè)試期間測(cè)試房間的門窗用泡沫填縫劑作封閉處理，以免發(fā)生氣流短路。

表1 屋面、墻面等材料熱工參數(shù)Table 1 Thermal parameters of outer building envelope

1.2 實(shí)驗(yàn)儀器及測(cè)試過程

實(shí)驗(yàn)在8月某個(gè)晴天進(jìn)行，測(cè)試持續(xù)24 h，期間測(cè)試房間門窗緊閉，通過地埋管進(jìn)行通風(fēng)，而對(duì)比房間窗戶開啟，進(jìn)行傳統(tǒng)的自然通風(fēng)。為了對(duì)室內(nèi)熱環(huán)境進(jìn)行分析，在兩個(gè)房間的南內(nèi)墻和北內(nèi)墻上分別布置了3個(gè)K型熱電偶，熱電偶在壁面中心沿縱向均勻放置，3個(gè)熱電偶的平均值作為內(nèi)墻的溫度，室內(nèi)溫度由位于房間中心且距離地面1.7m處的K型熱電偶測(cè)得。數(shù)據(jù)采集儀每隔5min自動(dòng)記錄所有熱電偶的數(shù)據(jù)。地埋管進(jìn)出口處分別放置溫濕度自動(dòng)記錄儀，測(cè)量進(jìn)出口空氣溫濕度。出口風(fēng)量由3個(gè)Omega FMA902A-MA熱線式空氣流速傳感器測(cè)量。傳感器布置在距地埋管中心5，10，15 cm的同一截面上，布置方式如圖2所示。

圖2 空氣流速傳感器布置方式Fig.2 Locations of airflow sensors

取其平均值作為地埋管出口的風(fēng)速，通風(fēng)量可由平均風(fēng)速和管道橫截面積求出。同時(shí)在室外放置太陽(yáng)能輻射計(jì)，每小時(shí)采集并記錄數(shù)據(jù)。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 室外氣候環(huán)境分析

太陽(yáng)能煙囪-地埋管耦合系統(tǒng)的性能與太陽(yáng)輻射強(qiáng)度及室外空氣溫度有很大的關(guān)系。實(shí)驗(yàn)當(dāng)日太陽(yáng)輻射強(qiáng)度及室外空氣溫度如圖3所示。

圖3 太陽(yáng)輻射強(qiáng)度與室外空氣溫度Fig.3 Solar radiation intensity and outdoor air temperature

太陽(yáng)輻射強(qiáng)度從4：00后由0逐漸上升，至12：00達(dá)到最大值1 103W/m2，之后緩慢下降，到20：00輻射強(qiáng)度已降為0。室外空氣溫度的最低值出現(xiàn)在5：00，為26.3℃，最高值出現(xiàn)在16：00，為40.1℃?？諝鉁囟茸罡咧蹬c最低值出現(xiàn)的時(shí)間相比太陽(yáng)輻射強(qiáng)度均有所滯后，這是因?yàn)殡m然影響空氣溫度的主要因素是太陽(yáng)輻射，但大部分太陽(yáng)光熱并不直接加熱空氣，而是通過地面輻射間接影響空氣溫度。

2.2 通風(fēng)量分析

圖4為通風(fēng)量與太陽(yáng)輻射強(qiáng)度關(guān)系。

圖4 太陽(yáng)輻射強(qiáng)度與通風(fēng)量Fig.4 Solar radiation intensity and airflow rate

由圖4可知，通風(fēng)量與輻射強(qiáng)度的趨勢(shì)基本一致，僅略有延遲，這是太陽(yáng)輻射通過太陽(yáng)能集熱器間接加熱其中的空氣造成的。在7：00之后通風(fēng)量小幅降低，推測(cè)是由于此時(shí)室外空氣溫度已開始上升，但太陽(yáng)輻射強(qiáng)度還相對(duì)較小，因此熱壓減小，通風(fēng)量降低。從8：00開始，通風(fēng)量隨太陽(yáng)輻射強(qiáng)度的增大而上升，在12：00左右達(dá)到最大值252m3/h，并在之后的2個(gè)多小時(shí)內(nèi)持續(xù)保持在較高水平，15：00左右通風(fēng)量開始緩慢降低，在接近17：00時(shí)由于太陽(yáng)輻射強(qiáng)度快速降低，通風(fēng)量急劇減小。在太陽(yáng)能輻射強(qiáng)度較低甚至沒有輻射的0：00-8：00及19：00-0：00，室內(nèi)的通風(fēng)量依然能維持在50m3/h左右，這是由于圍護(hù)結(jié)構(gòu)在白天儲(chǔ)存了太陽(yáng)輻射，表面溫度較高，在夜間，圍護(hù)結(jié)構(gòu)向室內(nèi)散熱，室內(nèi)溫度升高，室內(nèi)外形成了熱壓差。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，與地埋管聯(lián)合使用提高了太陽(yáng)能煙囪的適用性，該耦合系統(tǒng)可以連續(xù)24 h為室內(nèi)提供新風(fēng)。

2.3 地埋管進(jìn)出口空氣溫度分析

在熱壓的作用下，室外空氣被吸入地埋管并在地埋管中被降溫。出口空氣溫度的變化也印證了這一說法。在整個(gè)測(cè)試周期內(nèi)，進(jìn)口空氣溫度以及通風(fēng)量變化范圍很大，但出口空氣溫度的波動(dòng)很小，均維持在26～28℃，最高溫度出現(xiàn)在16：30。圖5為地埋管進(jìn)出口空氣溫度隨時(shí)間的變化關(guān)系。

圖5 地埋管進(jìn)出口空氣溫度Fig.5 Inletand outletair temperature of earth to air heat exchanger

由圖5可知，地埋管對(duì)室外空氣的降溫效果明顯，在7：00-19：00室外空氣溫度較高的時(shí)間段內(nèi)，平均溫降為9.2℃，最大溫降可達(dá)12.5℃。而在其余時(shí)段室外空氣溫度較低，降溫效果雖不明顯，但平均溫降也在0.5℃以上。

2.4 室內(nèi)外溫度分析

室內(nèi)溫度是評(píng)價(jià)太陽(yáng)能煙囪-地埋管耦合系統(tǒng)性能的重要指標(biāo)。圖6為測(cè)試房間與對(duì)比房間的室內(nèi)溫度。

圖6 測(cè)試房間與對(duì)比房間室內(nèi)溫度Fig.6 Air temperature of test room and comparison room

由圖6可知，24 h內(nèi)，使用耦合系統(tǒng)進(jìn)行自然通風(fēng)的測(cè)試房間的室溫波動(dòng)明顯低于對(duì)比房間。在白天，隨著室外空氣溫度的上升，對(duì)比房間室溫上升明顯，在16：00室溫甚至達(dá)到了35.3℃，全天最大溫差為7.2℃，而測(cè)試房間的室溫雖然也有所上升，但基本維持在28～30℃，最大溫差為1.2℃。但夜晚的大部分時(shí)間，對(duì)比房間的室溫則略低于測(cè)試房間。0：00-6：00及19：00-24：00內(nèi)兩房間的平均空氣溫差0.57℃。

圖7為測(cè)試房間室內(nèi)溫度與室外空氣溫度的對(duì)比圖。結(jié)合圖4分析可知，5：00之前，室內(nèi)溫度隨室外空氣溫度的降低而降低。從6：00開始，室外空氣溫度明顯上升，室內(nèi)溫度也隨之上升。8：00之后，由于通風(fēng)量快速增加，室內(nèi)溫度持續(xù)小幅下降。11：00左右，通風(fēng)量已基本穩(wěn)定，但室外空氣溫度依然在持續(xù)上升，逐步成為了影響室內(nèi)溫度的主要因素，室內(nèi)溫度隨室外空氣溫度的上升而上升。15：00-18：00，室外空氣溫度和通風(fēng)量均快速下降，室內(nèi)溫度也開始降低。21：00過后，室內(nèi)溫度隨室外空氣溫度的降低而降低。

圖7 測(cè)試房間室內(nèi)溫度與室外空氣溫度Fig.7 Test room air temperature and outdoor air temperature

由以上分析可知，與傳統(tǒng)的開窗通風(fēng)相比，采用太陽(yáng)能煙囪-地埋管耦合系統(tǒng)進(jìn)行自然通風(fēng)時(shí)，其室溫在白天明顯低于對(duì)比房間，且在24 h內(nèi)室溫的波動(dòng)很小。但是在夜間測(cè)試房間略高于對(duì)比房間，說明夜間開窗通風(fēng)更有利于降低室內(nèi)溫度。因此需要優(yōu)化太陽(yáng)能煙囪-地埋管耦合系統(tǒng)的運(yùn)行策略，當(dāng)室內(nèi)溫度低于室外空氣溫度時(shí)運(yùn)行耦合系統(tǒng)預(yù)冷室外空氣，而當(dāng)室內(nèi)溫度高于室外空氣溫度時(shí)停止運(yùn)行耦合系統(tǒng)，開窗通風(fēng)。從而能更好的營(yíng)造舒適的室內(nèi)熱環(huán)境。

2.5 壁面溫度分析

圖8，9分別為兩個(gè)房間的內(nèi)表面溫度?？梢钥闯?，盡管在夜間對(duì)比房間的室內(nèi)溫度略低于測(cè)試房間，但在整個(gè)測(cè)試周期內(nèi)無論是南墻還是北墻，測(cè)試房間墻壁的內(nèi)表面溫度均低于對(duì)比房間的墻壁溫度，溫度的波動(dòng)也更小。由于送風(fēng)量在8：00-9：00快速增大，測(cè)試房間的壁溫在9：00小幅下降。室外空氣溫度在16：00達(dá)到最高值，對(duì)比房間南墻內(nèi)表面溫度在17：00達(dá)到了最高值，滯后時(shí)間為1 h，而測(cè)試房間南墻內(nèi)表面的最高溫度出現(xiàn)在20：00，滯后時(shí)間為4 h，同時(shí)兩面墻壁溫度的最高值相差2.33℃。兩個(gè)房間北墻的內(nèi)表面溫度幾乎都在16：00達(dá)到了最高值，但溫差卻達(dá)到了3.12℃。

圖8 測(cè)試房間與對(duì)比房間南墻內(nèi)表面溫度Fig.8 Inner surface temperature of the south wall of test room and comparison room

圖9 測(cè)試房間與對(duì)比房間北墻內(nèi)表面溫度Fig.9 Inner surface temperature of the north wall of test room and comparison room

3 結(jié)論

本文通過實(shí)驗(yàn)測(cè)試的方法探究太陽(yáng)能煙囪-地埋管耦合系統(tǒng)在夏熱冬冷地區(qū)的通風(fēng)性能以及對(duì)建筑室內(nèi)熱環(huán)境的影響。研究結(jié)論如下。

①太陽(yáng)能煙囪和地埋管系統(tǒng)聯(lián)合可以連續(xù)24 h為室內(nèi)提供新風(fēng)，通風(fēng)量在12：00左右達(dá)到最大值252m3/h，夜間通風(fēng)量基本維持在50m3/h以上。

②地埋管可以有效降低室外空氣的溫度，進(jìn)口空氣溫度越高降溫效果越明顯，最高溫降可達(dá)12.5℃，即使在溫度較低的夜間，溫降也基本維持在0.5℃以上。

③在白天，測(cè)試房間的溫度波動(dòng)很小，基本維持在28～30℃，明顯低于未使用耦合系統(tǒng)的對(duì)比房間室溫以及室外空氣溫度。該耦合系統(tǒng)可以顯著改善白天室內(nèi)熱環(huán)境，但夜間效果略遜于開窗自然通風(fēng)，因此須要優(yōu)化太陽(yáng)能煙囪-地埋管耦合系統(tǒng)的運(yùn)行策略。

④在測(cè)試周期內(nèi)，測(cè)試房間的墻壁內(nèi)表面溫度均低于對(duì)比房間。測(cè)試房間南墻內(nèi)表面最高溫度出現(xiàn)在20：00，相較對(duì)比房間南墻內(nèi)表面最高溫度出現(xiàn)的時(shí)間滯后了3 h。測(cè)試房間壁面溫度較低，與室內(nèi)空氣的對(duì)流傳熱降低，有利于營(yíng)造良好的室內(nèi)熱環(huán)境。