太阳能烟囱自然通风在建筑节能中的应用分析

李国栋

（上海东方延华节能技术服务股份有限公司，上海 200060）

太阳能烟囱自然通风在建筑节能中的应用分析

李国栋*

（上海东方延华节能技术服务股份有限公司，上海 200060）

自然通风技术和新能源开发利用，是现代建筑节能中普遍采用的改善室内热环境和降低空调能耗的主要技术手段，太阳能烟囱将上述两种手段有机结合起来，是一种基于建筑物高度引起的压力差的自然通风设备。它利用太阳辐射作为动力，为空气流动提供浮升力，将热能转化为动能。本文对某项目中用于室内自然通风的太阳能烟囱进行数值模拟。利用如Realizable κ-ε湍流模型、离散坐标辐射模型以及SIMPLEC算法对建筑内的风速和温度等分布进行分析计算。对比不同的建筑设计参数诸如通风量、进风口面积出与风口面积等参数的影响，来阐明“烟囱效应”对室内环境的影响。

强化自然通风；太阳能烟囱；建筑节能

0　引言

近年来，建筑设计理念正在变化，在考虑建筑时尚外观的前提下，还要考虑建筑与环境的影响。优秀的建筑设计应该是环保经济的，现在越来越多的建筑设计考虑用再生能源以减少对传统能源的耗用并改善环境。例如，我们在冬天用太阳能提供采暖，夏天利用自然通风为建筑降温，这些设计既减少了建筑耗能也提升了建筑的舒适性。自然通风是最常见的通风换气方式，与机械通风相比，自然通风不仅节省能源消耗，而且能提高室内空气质量和人体舒适性。

太阳能烟囱作为强化自然通风的一种方式如图 1，其通风原理是热压通风。太阳辐射透过透明玻璃盖板进入烟囱通道后被蓄热材料吸收，从而加热通道内的空气，使之产生内外密度差，完成热压到风压的转换，驱动通道内空气向上流动。夏季时室内空气由集热墙下部进入太阳能烟囱通道，被吸收太阳辐射的集热墙加热温度升高、密度降低后从上部出口排出至室外，以此达到通风效果。冬季工作原理与夏季相同但运行工况相反，室外冷空气进入太阳能烟囱通道，经集热墙加热温度升高后，从集热墙上部入口进入室内，从而达到通风换气以及供暖的目的［1-3］。

图1　太阳能烟囱原理图

在实际运用中，存在各种影响太阳能烟囱强化自然通风的因素，如何提高其通风效率是学者们研究的主要问题。太阳能烟囱的结构形式、空气通道宽度、进口面积、出口面积、壁面热流、太阳辐射强度、烟囱的高度和深度（玻璃盖板与集热墙的间距）对建筑物所形成的速度场、温度场都存在较大影响，因而自然通风的通风量也有所不同，直接影响室内的通风换气效果［4-5］。

有关利用太阳能烟囱强化自然通风的研究主要集中于烟囱的高度和深度以及进口面积的优化，通过实验研究和理论模拟得到最大气体流速条件下对应的结构参数。例如Bansal等［6］定性地分析了太阳能烟囱与风塔共同引发的自然对流，结果预测出太阳能烟囱的效果在低风速下较好。Bouchair［7］对典型的空洞太阳能烟囱用于室内时的自然对流过程进行了实验研究，研究发现存在一个可以获得最大通风量的最佳太阳能烟囱高度和空气通道的宽度的比值，如果烟囱宽度过大，在通道中心存在空气回流。结果还发现，当烟囱宽度间隔在 20 cm～30 cm时气体的质量流速最大；当间隔低于10 cm时，进口面积对质量流速无影响；当间隔升至30 cm～50 cm时，随面积的增大，气体流速增大。同时，流速还随着表面温度的增加而增大［8］。

目前对于太阳能烟囱的研究多集中于如何提高太阳辐射热的吸收以及通风效率的研究，能用于实际工程的模型则较少；此外，现有的研究主要针对太阳能烟囱在单个房间的通风性能，但现实中建筑一般都为多层，因此有必要对太阳能烟囱强化通风在高层建筑及住宅楼中的应用进行研究。本文针对这一问题，运用某项目中太阳能烟囱的节能方案为例，通过用 CFD软件建模，并分析太阳能烟囱高层建筑在多种情况下的气流的温度场和速度场分布，从而阐明通风量与进风口面积、出风口面积等参数之间的关系，为太阳能烟囱在建筑节能方案中的实际应用提供参考。

1　建筑物理模型及环境参数

本文选取某节能项目中能体现“太阳能烟囱”的建筑作为物理模型，该大楼的建筑（剖面）结构经简化后如图2所示。建筑共三层并连接烟囱，每层外墙窗户的高度均不同，一楼的高度为 0.3 m，二楼为0.4 m，三楼为0.5 m，内墙的窗户尺寸均为0.5 m，烟囱顶部两侧有高1 m的窗子连接室外。烟囱的高度为15 m，宽度为4 m，室外温度为20℃。烟囱右边的墙体通过太阳照射得到的热量为40 W/m2，室内地面得热量为42 W/m2，模型为冬季采暖模式。

图2　某项目中太阳能烟囱建筑物理模型结构示意图

2　数学模型

为模拟太阳能烟囱内的温度分布及流场分布情况，可以采用数值计算法得出集热墙体、玻璃板内间隔各时刻、各部位的温度和热流的近似数值解，其数学计算方法相对比较简单，物理意义明确，而且对周期性边界条件可以直接进行离散处理，故采取计算机辅助软件ANSYS-FLUENT进行计算。

2.1模型的选择

(2)管线埋设于地下，处于隐蔽状态，为确定位置可用管线探测仪、雷达等多种探测方法。目前，业内开始借助潜望镜进行管线探测。潜望镜主要用于井、涵洞，以及暗沟暗区管线探测，在不需人员进入的情况下可以直观观察到内部构造和线路情况，同时也保证了人员下井的安全。潜望镜在排水管线专业中可更好地发挥探测作用，而且还可以直观查看排水管线的内部构造和淤积堵塞情况，为排水管线的隐患排查显示出更大的作用。

对于本文所研究的太阳能烟囱来讲，已有研究［9］证明处于恒热流边界条件下太阳能烟囱内部流体的瑞利数在 105～1012之间变化。因此，本文选用由标准κ-ε模型和RNG κ-ε模型相结合Realizable κ-ε模型来求解最为恰当。

2.2求解器选择与设定

在FLUENT软件中包含两类求解器，基于压力的求解器和基于密度的求解器。压力求解器是针对低速、不可压缩流体开发设计的。基于密度的求解器是针对高速、可压缩流体开发的。太阳能烟囱内部空气流动属于前者，故使用压力求解器。压力求解器又分 Segregated Solver（分离式）和 Coupled Solver（耦合式）两种，本模型选用后者。

2.3边界条件及网格的设定

本文只考虑烟囱内部热压的作用而忽略烟囱进、出风口处风压的影响，将进、出风口的边界条件设定为压力0 Pa，环境温度293 K，并采用制定湍流强度和水力直径的方法来对进/出口进行紊流条件设定，空气动力系数为 0.8，水力直径根据不同的尺寸的风口计算确定；流体选择非线性boussinesq流空气，速度 1.2 m/s，热膨胀系数为0.00341；重力加速度为-9.81 m/s，运行温度293 K，密度1.2 kg/m3；烟囱立面的热通量为40 W/m2，地面热通量为42 W/m2；左面窗为进风口，湍流强度和粘度量均设为1；本文选用网格尺寸为0.05 mm。

3　分析过程及结论

本文主要分析以下六种开窗情景模式下的室内空气循环速度和温度，根据室内不同的功能需要，提出节能方案，以减少建筑能耗，实现节能的目的。六种风口开启模式分别是：1）所有进风口全部打开；2）只关闭一层进风口；3）只关闭二层进风口；4）只关闭三层进风口；5）只关闭烟囱左出风口；6）只关闭烟囱右出风口。

3.1所有进风口全部打开

文章中的模拟模型采用软件通用模型，计算是基于Realizable κ-ε模型下。假定流体为连续流体，并根据所给模型参数输入，模型计算的精度为10-6。

图3　速度场示意图

模型结果说明进风口尺寸大，室外新风进入室内的速度低；进风口尺寸减小，室外新风进入室内的速度增加。所以，在冬季采暖工况下，太阳能烟囱导致室内热量损失；而且室内热量损失与开窗尺寸相关，开窗尺寸越小，建筑热损失越大，室外空气进入室内的速度越大，建筑内温降越明显。

从图4我们可以看出，一层室内温度降低最明显且低温区域最大；三层室内的温降最小且低温区域最小。这也说明了进风口尺寸越小，进入室内的冷空气速度快，致使建筑内温降显著。

图4　温度场示意图

3.2进风口关闭

3.2.1一层进风口关闭

从图5的模拟结果看出，当把一层进风口关闭时，室外空气不能通过一层进风口进入室内，因此一层进风口的风速为 0。二层进风口的风速为0.608 m/s，三层进风口的风速为0.438 m/s，建筑的通风量为0.385 m/s。

图5　速度场示意图

通过图6模拟看出，关闭一层进风口后，没有室外冷空气的进入，一层内的温度分布呈层状，高温空气在上层，低温空气在下层。二层和三层比较，由于进入三层的冷空气速度小于二层，所以三层的温降较小，且低温区域较小。

图6　温度场示意图

3.2.2二层进风口关闭

当二层的进风口关闭（图7），二层进风为0；一层进风口的风速为0.815 m/s，三层进风口的风速为0.443 m/s。建筑的通风量为0.3881 m/s。

图7　速度场示意图

二层进风口关闭后，室外空气不能进入建筑二层，温度分布呈层状，较高温度的空气由于密度小，处于上部；较低温度的空气密度大，处于下部。进入一层建筑的速度比进入三层的速度大，所以一层的温降较三层快（如图8）。

图8　温度场示意图

3.2.3三层进风口关闭

如图9所示，关闭三层进风口后，三层的风速为0，一层进风口的速度为0.794 m/s，二层的进风口的风速为0.602 m/s。建筑的通风量为0.399 m/s。

图9　速度场示意图

如图 10所示，关闭三层的进风口，三层内的温度在没有外界空气的影响下温度平稳；一层进风口风速比二层进风口的大，所以一层的温度场较二层温度变化大。

图10　温度场示意图

图11为建筑在不同进风口关闭的情况下的通风量。从上图可以直观的看出，在进风口全开的情况下，建筑的通风量为最大；其次是关闭三层进风口，建筑最小通风量为关闭一层进风口。

通过上述模拟分析可知：建筑的通风量与进风口面积有关系。进风口越大，通风效果越好。

图11　不同进风口关闭后建筑的通风量

3.3出风口关闭

3.3.1左出风口关闭

关闭左出风口后，左出风口的风速为 0。模拟计算出的右出风口的速度为0.515 m/s，建筑的通风量为0.429 m/s。

从图 12的温度场示意图可以看出，一层进风口的风速最快，因此温降也最快，三层温降最慢。

图12　左出风口关闭后的温度场示意图

3.3.2右出风口关闭

关闭右出风口后，空气只从左出风口出去，方向与进风口相反。经模拟得出，一层、二层、三层进风口温度和出风口温度分别为 0.732 m/s、0.524 m/s、0.348 m/s、0.604 m/s。从图13温度场示意图看出，一层的温降最为明显，三层温降最小。

图13　右出风口关闭后的温度场示意图

由图 14可以看出风口对各层进风口速度的影响。出风口全部开启时进风速度和通风量最大。关闭右出风口后对进风速和通风量影响较大，增加了建筑内通风循环。而且出风口的风速也较大。

图14　出风口的开关对进风口风速的影响

4　结论

1）在过渡季节可通过开启窗户以保证建筑内空气质量，并节省空调设备能耗。

2）大通风量建筑的通风量与进风口的开启情况有关系，由于建筑一层进风口风速最快（约为0.8 m/s），当需通风换气、且要选择性地开启风口的情况下，模型计算结果显示关闭一层进风口影响最大，平均风速降为 0.38 m/s； 关闭三层进风口影响最小，平均风速降至0.4 m/s。因此，太阳能烟囱的通风量控制策略可依据此结果制定，以实现空调设备节能。

3）结合温度与风速场的模拟计算结果得知，当室外气温较低，建筑内又要通风换气时，可以优先关闭左出风口，开启右出风口，这样既能保证室内空气质量节约了空调设备能耗，又能保证室内温降不会太大。

［1］ 毛雪东， 郭玉梅. 某寒冷地区燃煤电厂主厂房通风设计［J］. 制冷技术， 2013， 33（3）: 56-58.

［2］ 潘毅群. 办公楼的室内空气品质与通风［J］. 制冷技术，2000， 20（3）: 29-32.

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［5］ 何云， 刘滔， 唐润生. 太阳能烟囱技术应用研究［J］. 阳光能源， 2007:62-64.

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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

*李国栋（1987-），男，节能工程师，硕士。研究方向：建筑节能改造。联系地址：上海市西康路1255号普陀科技大厦11楼，邮编200060。联系电话：021-62987595。E-mail：li_guodong_@126.com。