太阳能烟囱强化自然通风在建筑节能中的应用研究

王云山 王兰 杨晶

摘 要：该文通过数值模拟主要研究了太阳能烟囱高度、深度之间的优化关系，以及空气质量流量与太阳能烟囱几何尺寸之间的关系。得到了NuL取得最大值时，在105 ≤ RaL ≤ 1012范围内，（b/L）opt的关联式。RaL值越高，NuL取得最大值时，（b/L）opt越小。得到了无量纲质量流量M取得最大值时（b/L）opt的值，在RaL相同时，它大于NuL取得最大值时的（b/L）opt值，且同时优化太阳能烟囱内空气的传热和流动性能是不可行的。

关键词：太阳能烟囱 通风 节能

中图分类号：TK519 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2015）05（c）-0012-02

太阳能烟囱作为一项改善建筑热环境、有效降低空调耗能，同时能够创造可持续发展的绿色建筑技术越来越被人们所重视。太阳能烟囱技术是指它的一个或多个壁面是由玻璃盖板构成的透明墙体，利用透过透明玻璃的太阳辐射热增大烟囱内外的温差从而增加空气的浮力和热压，利用烟囱效应的抽吸作用强化自然对流换热，使流速增大，增大室内通风量，改善通风效果，从而使房间达到通风、降温、排除有害气体的目的，太阳能烟囱的应用研究对于推动新能源与生态建筑一体化具有重要意义[1-2]。

该文主要研究了太阳能烟囱高度、深度之间的优化关系，以及空气质量流量与太阳能烟囱几何尺寸之间的关系。

1 计算模型

图1中，1为玻璃盖板，2为集热墙，进口为A，集热墙厚度为E，烟囱宽度为b，高度为L，空气由室内进入进口在烟囱内向上经出口流出。UWF条件指墙体温度均匀为Tw，下面分析中b/L=0.005～0.5，A/L=E/L=0.1。在纯粹自然对流中，浮力导致的流动强度可用瑞利数Ra来判定：

（1）

若瑞利数小于108，浮力驱动的对流为层流；瑞利数大于108 时，为湍流。

基于壁面L的GrL数为[3]：

（2）

1.1 控制方程

在室内空气流动计算中的浮升力项采用Oberbeck–Boussinesq近似，假定在垂直方向上浮升力项除了密度变化外，流体的热物性参数为常数，假定墙体为绝热壁面，热流量均匀，则稳态、二维、不可压缩、紊流的Navier–Stokes方程可以简化为[4]：

式中Uj，T和P分别为平均速度，平均温度和平均压降，β是热膨胀系数。为湍流应力，为热通量，假定：

（6）

νt为湍流运动粘度，Prt为湍流普朗特数，Sij是平均应变张量，可由下式计算：

为Kr?necker变量，k为湍流动能，。假定湍流普朗特数Pr=0.86。

1.2 边界条件

在壁面上，对于平均和紊流速度分量采用无滑移边界条件。UWF条件指墙体温度均匀且为Tw，进口壁面绝热，壁面1为绝热壁面，对于层流情况，采用非对称加热，紊流计算中，壁面上k=0。出口的垂直断面上，平均压降采用，k的初始值由紊流强度I给定，，为烟囱入口平均流速。在入口上I=（3/2）I22，w=k/vt在自然对流中，由于入口上初始流速值预先未知，在出口断面上假定P=0。此外忽略速度分量、温度的变化及紊流动能[5]。

2 模拟结果与分析

基于壁面L的平均Nusselt数：

（7）

L指墙体高度，对于墙体2，L为L-A，Nux为局部Nusselt数，Nux=hxL/k，hx为局部传热系数。烟囱内无量纲质量流量：M=m/ρν，m为烟囱内单位宽度上的质量流量（kgm-1·s-1）[6]。

对于层流，图2给出了在105≤RaL≤108时，NuL1（外壁1）和NuL2（内壁2）。图3给出了在105≤RaL≤108时的M值。在外壁1上，（b/L）opt= 0.235，0.150，0.090和0.058时，RaL = 105，106，107和108取得最大值。在内壁2上，（b/L）opt= 0.220，0.125，0.079和0.050时，RaL=105，106，107和108取得最大值。RaL值越高，NuL取得最大值时，（b/L）opt越小。

从图3中可以看到在RaL=106，105，107和108层流时，无量纲质量流量M随b/L的变化趋势。（b/L）opt=0.325，0.240，0.205和0.225时，M取得最大值，在湍流，RaL=107，108，109，105和1012时，对应于（b/L）opt=0.240，0.285，0.150，0.080和0.076时，M取得最大值。在RaL相同时，M取得最大值时，（b/L）opt的值大于NuL取得最大值时的（b/L）opt值。因此，同时优化太阳能烟囱内空气的传热和流动性能是不可行的。

从图4a–c，可以看出在RaL=108，5×1010和1012湍流时，NuL1和NuL2随b/L的变化情况。RaL值越高，NuL取得最大值时，（b/L）opt越小。

从图2和图4的数值模拟结果中，可以得到在105≤RaL≤1012范围内的如下近似表达式：

（b/L）opt = 1.500-0.1868（ln RaL）+8.031× （8）

10-3（ln2 RaL）-1.160×10-4（ln3 RaL）

3 结论

（1）得到了NuL取得最大值时，在105 ≤RaL≤1012范围内，（b/L）opt的关联式。RaL值越高，NuL取得最大值时，（b/L）opt越小。

（2）得到了无量纲质量流量取得最大值时（b/L）opt的值，在RaL相同时，它大于NuL取得最大值时的（b/L）opt值。因此，同时优化太阳能烟囱内空气的传热和流動性能是不可行的。

参考文献

[1] Tarazi N K.Model of a Trombe wall[J].Renewable Energy， 1991，1（3-4）：533-541.

[2] Ji E， Yi H，He W，et al.PV-Trombe wall design for buildings in composite climates [J].Journal of Solar Energy Engineering，Transactions of the ASME， 2007，129（4）：431-437.

[3] 薛宇峰，苏亚欣.太阳能烟囱结构对通风效果影响的数值研究[J].暖通空调， 2011，41（10）：79-83.

[4] 赵平歌.太阳能烟囱增强热压自然通风的计算研究[J].西安工业学院学报，2004，24（2）：181-184.

[5] 苏亚欣，柳仲宝.太阳能烟囱自然通风的一维稳态模型[J].土木建筑与环境工程，2011，33（5）：102-107.

[6] EBacharoudis，M G Vrachopoulos.Study ofthe natural convection phenomena inside a wall solar chimney with one wall adiabatic and one wall under a heat flux[J].Applied Thermal Engineering，2007，27（13）：2266-2275.