太陽能驅(qū)動的無動力風(fēng)帽作用下工業(yè)廠房通風(fēng)量研究*

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.西部綠色建筑國家重點實驗室，陜西 西安 710055）

0 引言

對于具有強熱源的工業(yè)廠房，往往需要較大的室內(nèi)通風(fēng)量來排走余熱，無動力風(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、建筑朝向和圍護結(jié)構(gòu)等的影響，存在著隨機性和復(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，無動力風(fēng)帽提供的通風(fēng)量往往無法滿足室內(nèi)環(huán)境的需求，如何提高無動力風(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，太陽能逐漸被用于強化現(xiàn)有的自然通風(fēng)方式，比如太陽能煙囪、太陽能墻等。ISMAIL M等［4］研究了風(fēng)能與太陽能混合動力屋頂通風(fēng)器在實際建筑中的應(yīng)用，相比于常規(guī)通風(fēng)器，混合動力屋頂通風(fēng)器使室內(nèi)空氣溫度和相對濕度分別降低了0.7℃和1.7%。LAI C M［5］研制了一種風(fēng)能和光能混合動力的屋頂通風(fēng)器樣機，并且通過低速風(fēng)洞試驗研究了該樣機的通風(fēng)性能，發(fā)現(xiàn)在室外風(fēng)速小于5 m/s時屋頂通風(fēng)器能提高通風(fēng)效率。因此，在原有無動力風(fēng)帽基礎(chǔ)上，本文設(shè)計了一種太陽能驅(qū)動的無動力風(fēng)帽，將太陽能轉(zhuǎn)化為無動力風(fēng)帽葉片旋轉(zhuǎn)的動能，從而增大室內(nèi)通風(fēng)量。通過模型實驗測試分析了太陽能驅(qū)動的無動力風(fēng)帽作用下工業(yè)廠房通風(fēng)量的變化規(guī)律，為太陽能驅(qū)動的無動力風(fēng)帽的推廣應(yīng)用奠定一定的基礎(chǔ)。

1 實驗方案

1.1 實驗臺搭建

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

圖1 太陽能驅(qū)動的無動力風(fēng)帽

在下側(cè)窗中央位置設(shè)置測點S1，在上側(cè)窗中央位置設(shè)置測點S2，兩個測點處分別使用SWA03＋萬向微風(fēng)速探頭測試風(fēng)速和溫度，SWA03＋與設(shè)備電腦連接，測量間隔為5 min。本文搭建了太陽能驅(qū)動的無動力風(fēng)帽聯(lián)合自然通風(fēng)系統(tǒng)實驗臺，風(fēng)帽位于實驗臺頂部，并在其上方安裝直流有刷電機，電機與外部太陽能光伏板連接，實驗裝置如圖2所示。實驗臺尺寸1500 mm×900 mm×1 650 mm，在實驗臺前后兩側(cè)（Y=0 mm和Y=900 mm），距離地面150 mm處與距離實驗臺頂部100 mm（Z=150 mm和Z=1 550 mm）處，設(shè)長寬為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)口與相同口徑的無動力風(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，放置于實驗臺底部中央，其表面溫度可根據(jù)需要進行調(diào)節(jié)，可調(diào)范圍為0～400℃。

圖2 實驗?zāi)Ｐ脱b置示意

1.2 測點設(shè)置

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

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

表1 測試儀器參數(shù)

1.3 工況設(shè)置

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

首先測試風(fēng)壓作用下全天太陽輻射強度的變化對風(fēng)帽通風(fēng)量的影響，如表2所示。兩種開窗模式分別測試2 d，共測試4d，測試從當(dāng)天8：00開始，19：00結(jié)束。

表2 不同太陽輻射強度變化工況設(shè)置

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

2 結(jié)果分析與討論

2.1 不同太陽輻射強度下太陽能驅(qū)動的無動力風(fēng)帽通風(fēng)量

為測量太陽輻射強度對兩種開窗模式下無動力風(fēng)帽通風(fēng)量的影響，選取4d進行測試。對于開窗模式1選取2021年9月11日和9月19日測試，開窗模式2選取2021年10月5日和10月6日測試。不同太陽輻射強度對無動力風(fēng)帽通風(fēng)量的影響如圖3所示。

圖3 不同太陽輻射強度對無動力風(fēng)帽通風(fēng)量的影響

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

對于開窗模式2，10月5日和10月6日均是多云，只有5日15：00太陽能提供的動能使電機達(dá)到額定功率，故通風(fēng)量隨著太陽輻射強度變化的趨勢明顯。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)到電機額定功率之前，風(fēng)帽通風(fēng)量的變化規(guī)律與太陽輻射強度的變化規(guī)律基本一致。

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

圖4 風(fēng)帽通風(fēng)量隨太陽強度分布

2.2 太陽輻射強度一定時無動力風(fēng)帽的通風(fēng)量

當(dāng)陰雨天太陽輻射強度不足以為電機提供足夠動能，或者工業(yè)廠房會有夜間作業(yè)，而此時卻沒有太陽能為電機提供動能。為能準(zhǔn)確穩(wěn)定的調(diào)控電機功率大小，用太陽能專用蓄電池連接太陽能光伏板與電機，太陽能光伏板為蓄電池充電，蓄電池為電機提供動力。

太陽能輸入功率一定時，不同熱源表面溫度下太陽能驅(qū)動的無動力風(fēng)帽通風(fēng)量如圖5所示。由2.1節(jié)結(jié)果分析可知，太陽輻射強度在240 W/m2時電機達(dá)到額定功率，那么電機功率0、2.5、5、7.5、10 W分別對應(yīng)太陽輸出功率0、60、120、180、240 W/m2。

圖5 太陽輻射強度一定時風(fēng)帽通風(fēng)量

由圖5可以看出，隨著電機功率的增加，風(fēng)帽的通風(fēng)量整體呈升高趨勢。當(dāng)太陽輻射強度為0、60和120 W/m2時，開窗模式1風(fēng)帽的通風(fēng)量整體低于開窗模式2風(fēng)帽的通風(fēng)量。這是由于熱源的存在，熱源周圍的空氣被加熱，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。開窗模式1中有一部分氣體通過上側(cè)窗排出，而開窗模式2沒有上側(cè)窗，所有的氣體都由風(fēng)帽排出，故開窗模式1風(fēng)帽通風(fēng)量小于開窗模式2。當(dāng)太陽輻射強度達(dá)到120 W/m2之后，開窗模式1風(fēng)帽的通風(fēng)量與開窗模式2風(fēng)帽的通風(fēng)量接近。這是由于電機驅(qū)動風(fēng)帽旋轉(zhuǎn)過快，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，太陽輻射強度超過120 W/m2后開窗模式1上側(cè)窗形成短路氣流，不利于熱源周圍的熱空氣排出，應(yīng)當(dāng)關(guān)閉。

從圖5中還可以看出，開窗模式1中太陽輻射強度小于60 W/m2和開窗模式2中太陽輻射強度小于120 W/m2時，風(fēng)帽的通風(fēng)量隨著熱源表面溫度的增大而增大，此時熱壓通風(fēng)為主導(dǎo)。而當(dāng)太陽輻射強度大于上述值時，熱源表面溫度對風(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)帶動風(fēng)壓為主導(dǎo)。

3 結(jié)論

本文提出了一種太陽能驅(qū)動的無動力風(fēng)帽，搭建了太陽能驅(qū)動的無動力風(fēng)帽聯(lián)合自然通風(fēng)系統(tǒng)實驗臺，測試分析了太陽能驅(qū)動的無動力風(fēng)帽通風(fēng)量的變化規(guī)律，得到以下結(jié)論：

1）在沒有達(dá)到電機額定功率之前，太陽能強度驅(qū)動的無動力風(fēng)帽通風(fēng)量的變化規(guī)律與太陽輻射強度的變化規(guī)律基本一致。

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

3）開窗模式1下太陽輻射強度小于60 W/m2和開窗模式2下太陽輻射強度小于120 W/m2時，室內(nèi)通風(fēng)量隨熱源表面溫度變化明顯，此時熱壓通風(fēng)為主導(dǎo)；而太陽輻射強度大于上述值時，風(fēng)帽轉(zhuǎn)動帶來的風(fēng)壓通風(fēng)為主導(dǎo)，熱源表面溫度對室內(nèi)通風(fēng)量的影響較小。