太阳能烟囱强化自然通风的发展现状研究

张华扬 秦 萍 曹晓玲



太阳能烟囱强化自然通风的发展现状研究

张华扬 秦 萍 曹晓玲

（西南交通大学机械工程学院 成都 610031）

综合介绍了太阳能烟囱强化自然通风的主要结构形式（Trombe墙式太阳能烟囱、竖直集热板屋顶式太阳能烟囱、倾斜集热板屋顶式太阳能烟囱）以及研究现状；在总结国内外学者主要研究成果的基础上，指出了目前太阳能强烟囱化自然通风研究应用中存在的问题及今后的研究方向。

自然通风；太阳能烟囱；研究现状；问题；研究方向

0 引言

近年来，随着常规能源消耗问题和环境问题日益突出，利用自然通风改善室内热环境越来越受到人们的重视。但自然通风方式的通风量受自然条件和建筑结构的约束难以有效控制，通风效果不稳定；而利用太阳能强化自然通风，将一些通风技术与现代太阳能利用技术完美结合，利用太阳辐射为空气流动提供动力，强化自然对流换热从而获得良好的通风效果。

太阳能烟囱巧妙地应用太阳辐射能量与烟囱的拔风作用来强化室内的空气流动。它的一个或多个壁面是由玻璃构成的透明墙体，可以利用透过玻璃壁面的太阳辐射热增大烟囱内外温差从而增加浮升力和热压，促进室内空气的流动。利用烟囱的抽吸作用强化自然对流换热，使流动加速，增加室内通风量，改善通风效果，从而达到通风、降温、排除有害气体的目的。目前研究较为普遍的太阳能烟囱结构形式有三种：Trombe墙式太阳能烟囱（图1）、竖直集热板屋顶式太阳能烟囱（图2）、倾斜集热板屋顶式太阳能烟囱（图3）。国内外学者对太阳能烟囱强化自然通风技术开展了一系列探索性研究并应用于建筑领域。主要集中于三个方面[1]：（1）基于烟囱的结构特性对通风效果的影响来优化太阳能烟囱的结构参数；（2）太阳能烟囱强化自然通风的理论模型与数值模拟方法；（3）多层建筑的太阳能烟囱强化自然通风技术以及与其他系统的联合使用。本文总结了太阳能烟囱强化自然通风的各种研究方法，综合介绍了太阳能烟囱强化自然通风的主要结构形式以及研究现状。同时，在总结国内外学者主要研究成果的基础上，本文对现有研究中一些亟待解决的问题进行了阐述，以期为今后太阳能烟囱的深入研究提供参考。

图1 Trombe墙式太阳能烟囱

图2 竖直集热板屋顶式太阳能烟囱

图3 倾斜集热板屋顶式太阳能烟囱

1 基于烟囱的结构特性对通风效果的影响来优化太阳能烟囱的结构参数

在现有的研究中，不论是利用理论分析、实验研究还是数值模拟方法，都已证实太阳能烟囱强化自然通风的性能是随着太阳辐射强度的增加而提高的[2-5]。然而太阳辐射具有不确定性，难以控制，而除此因素外，太阳能烟囱自身的结构特性也是影响通风性能的一个重要因素，而此因素可以人为地进行因地制宜的设计调整，具有可控性，因此有必要对太阳能烟囱的结构特性对通风性能的影响进行总结。

1.1 烟囱结构尺寸对通风性能的影响

太阳能烟囱结构尺寸对通风性能的影响主要是指烟囱的高度、深度（玻璃盖板与集热墙的间距）以及倾角（对于倾斜集热板屋顶式太阳能烟囱的情况）对烟囱内空气自然对流的流动特点的影响，进而对太阳能烟囱的自然通风量产生影响。

1.1.1 实验研究

在全尺寸实验方面，Bouchair等[6]对太阳能烟囱进行了较为全面的研究，其烟囱的几何尺寸为：高2m，宽4m，深度(即玻璃盖板与集热墙的间距）从0.1m到1.0m之间变化，入口的高度分0.1m和0.4m两种情况。通过实验发现，在烟囱的高深比=10时，烟囱内的空气流量达到最大值。通过烟雾追踪法显示气流组织形式时，作者还发现在深度大于0.5m时就会出现逆流情况。在小比例实验模型研究中，Spencer等[7]运用电解盐溶液产生的氢气泡来模拟浮升力效果的方法，研究了处于均匀热流密度下太阳能烟囱的通风性能，研究指出通风量随着烟囱深度的增加而增大，但当烟囱的高深比达到2.5时出口端就会出现逆流的现象，抑制了通风量的增加。Chen等[8]研究了倾斜集热板屋顶式烟囱的通风效果，烟囱模型尺寸为高1.5m，宽0.62m，深度可从0.1m至0.6m间变化；烟囱的倾角分别为15˚，30˚，45˚，60˚，太阳辐射强度从200W/m2到600W/m2之间变化。实验没有找到烟囱的最佳值，但在烟囱深度为0.2m、倾角为45˚、热流密度为400W/m2的条件下烟囱可达到最佳通风效果。荆海薇[2]与郝彩侠[9]在理论分析的基础上，分别在烟囱的一个壁面受热与两个壁面受热的条件下，对高度为2m，长度为1m，深度分别为400mm，700mm，1000mm和1200mm的竖直集热板屋顶式太阳能烟囱在得热量变化的情况下，实验研究了其温度场、速度场和自然通风量的变化。结果表明：在所研究的范围内，对于一个壁面受热的竖直集热板屋顶式太阳能烟囱，确实存在一个可以获得最大通风量的高度与空气通道深度的比值，这个比值大约是2；而对于两个壁面受热的情况却没有找到最佳高深比。

1.1.2 数值模拟

在数值模拟方面，Gan[10]使用CFD计算方法预测通风量随蓄热墙温度、太阳辐射强度、蓄热墙高度和通道深度以及蓄热墙厚度的变化关系并推荐增加内表面墙的厚度。王丽萍[11]运用数值模拟方法对Trombe墙式、竖直集热板屋顶式以及倾斜集热板屋顶式三种用于室内自然通风的太阳能烟囱模型进行了分析计算。对稳态条件下，不同模型、不同结构尺寸的太阳能烟囱的通风量、温度场和速度场进行了预测。薛宇峰[12]运用CFD软件对上海地区夏季一个典型的带太阳能烟囱的工业厂房（40m×24m×20m）的自然通风特性进行了数值研究。结果表明随烟囱高度的增加存在通风量显著增加的最佳诱导段，烟囱内的气流速度矢量图表明烟囱内涡流的消失是气流量骤增的重要原因。

1.2 烟囱结构形式对通风性能的影响

太阳能烟囱结构形式对通风性能的影响通常是指前面提到的三种结构形式的太阳能烟囱对通风量的影响。从本质上讲，这三种结构形式的太阳能烟囱强化自然通风的机理是相同的，即利用太阳辐射热增加烟囱内外温差从而增大浮升力和热压，以促进室内空气的流动。但是考虑到各自的优缺点与实际使用的地理位置、安装成本以及建筑一体化等客观实际情况，使用何种结构形式的太阳能烟囱则要因地制宜的研究与选择。Trombe墙式结构存在最佳的烟囱高深比值，容易实现烟囱的最佳性能，具有夏季降低冷负荷、冬季减少室内热损失以及外形美观、占用空间少等优点，但同时具有影响室内开窗采光、墙体内部易产生回流等缺点。竖直集热板屋顶式结构安装方便，同时不会影响房间的开窗布局，通风性能良好，但竖直集热板屋顶式结构的太阳能烟囱却受到了建筑空间以及外观突兀等因素的限制而没有得到很好的发展。倾斜集热板屋顶式结构则沿着屋顶的坡度进行设计安装，避免了空间及外观的制约，研究表明[13]，倾斜集热板屋顶式结构的太阳能烟囱内部的速度场分部均匀，通风效率也高于竖直集热板屋顶式。

2 太阳能烟囱强化自然通风的理论模型与数值模拟方法

2.1 基于能量平衡的传热理论模型

能量平衡的传热理论模型是基于对太阳能烟囱的各组成部分的传热过程的分析，建立相关能量平衡的数学模型，从而得到烟囱内部空气的温度分布。太阳能烟囱的能量平衡关系包括：（1）集热墙对太阳辐射热的吸收及其内部的导热、与烟囱气流通道内的空气的自然对流换热以及与玻璃盖板的辐射换热；（2）烟囱气流通道内的空气分别与集热墙及玻璃盖板的自然对流换热；（3）玻璃盖板对太阳辐射热的吸收及其内部的导热、与烟囱气流通道内的空气的自然对流换热以及与集热墙的辐射换热。Ong等[14]则基于上述传热理论模型，在忽略玻璃盖板与集热墙的导热热阻的基础上，建立了玻璃盖板、集热墙以及烟囱内的空气的热平衡方程，计算了烟囱内的空气流量、集热效率以及玻璃盖板和墙体平均温度等参数。Bansal等[15]应用该模型，在对玻璃表面与室外空气的对流换热系数以及空气质量流量表达式中的一个比例系数进行修正之后也建立了热平衡方程，并计算了烟囱的空气流量随太阳辐射强度的变化。Afonso等[16]则利用能量平衡的方法建立了一维非稳态的传热模型，并应用有限差分法进行了求解研究，在此模型中传热系数随日温度变化而变化，计算结果与借助示踪气体技术测得的空气流动结果一致。柳仲宝[17]基于能量守恒定律，在考虑了太阳能烟囱玻璃盖板和集热墙内部热阻的前提下，对前人的太阳能烟囱数学模型进行了修正，建立了新的稳态传热数学模型，进而探讨了太阳能烟囱的结构参数对通风性能的影响。结果表明，增加玻璃盖板和集热墙的导热热阻的数学模型计算得到的结果与相关实验测试的结果更加接近。

2.2 基于计算流体力学的数值模拟方法

相比于实验方法，CFD软件模拟的方法则可以精确计算局部对流换热系数和局部气流的流动特点，因此可以详细地给出自然通风的温度场和速度场等的分布规律，同时也为详细地研究烟囱气流通道内空气的流动、换热提供了研究手段。Barozzi等[18]较早地模拟了基于太阳能烟囱的房间通风系统。利用建筑物的屋顶作为太阳能烟囱产生空气流并给房间提供冷量，并用实验方法对1:12的小模型系统进行了测试。用实验结果对二维层流模型的数值预测进行了验证。他们提出考虑紊流和三维影响并采用合适的边界条件，流动预测可以改进。Gan等[19]应用RNG湍流模型对Trombe墙的自然通风特性进行了三维模拟，研究表明，通风量随集热墙高度、宽度、气流通道深度以及太阳辐射强度的变化而变化，并建议增加集热墙的厚度和减少热损失以提高集热效率。Rodrigues等[20]则采用湍流模型和有限容积法离散方程模拟了二维湍流流动条件下太阳能烟囱内部空气的温度场与速度场，分析了G数以及N数对通风性能的影响。此外，赵平歌[21]采用零方程模型及Mitflow程序求解了太阳能烟囱模型中的三维温度场和速度场。孙猛等[22]选择带有浮力修正的湍流模型并结合Phoenics 3.2程序完成了对太阳能烟囱通风性能的三维模拟。这些研究结果对太阳能烟囱的结构优化设计提供了参考。

3 多层建筑的太阳能烟囱强化自然通风技术以及与其他系统的联合使用

现实中的建筑一般都不止一层，因此有必要对太阳能烟囱强化通风技术在多层或者高层建筑中的应用进行研究，另外单独使用某种结构形式的太阳能烟囱的通风效果往往有限，而与其它设备联合使用时不仅可以达到更好的通风效果，而且也拓宽了太阳能烟囱的适用范围。Letan等[23]首先对一个小比例模型进行了实验研究和CFD模拟，然后对一个五层高的实际建筑进行了数值模拟，研究表明，即使当太阳辐射热流很小时，对于夏季的通风与冬季的供暖是可以实现的。Bansal[24]介绍了风塔与太阳能烟囱结合的作用及其优点，根据风塔内压力损失相等和烟囱中空气流量、能量平衡，并结合风塔与烟囱各自得到的公式从而得到总的空气流量公式。研究表明，这种带有辅助风塔的太阳能烟囱自然通风系统，在较低的风速下通风效果改善明显，当室外风速为1.0m/s，就风塔本身而言能产生0.75kg/s的风量，而在太阳能烟囱辅助的情况下，当太阳辐射强度为700W/m2，能产生1.4kg/s的风量。杜威等[25]以兰州二层别墅为例，以太阳能烟囱联合风机作为驱动力，利用喷雾加湿冷却机理，采用CFD方法对这种空调的性能进行了研究，结果表明，随着入口风速的升高，风道入口的空气温度发生波动变化，房间地板表面温度呈现整体下降趋势。雷先鹏[26]以Trombe式太阳能烟囱为例，基于长沙地区的气候条件，使用湍流模型和增强壁面函数法，对稳态条件下太阳能烟囱应用于多层建筑时的通风性能进行了详细分析。结果表明，建筑各层的通风量不相等，一层通风量大于其它楼层。太阳能烟囱用在两层建筑时存在最佳宽度，当层数增加到三层及以上时，烟囱入口容易产生逆流，给烟囱通风性能带来不利影响。

4 太阳能烟囱研究应用中存在的问题及研究方向

到目前为止，国内外学者已对太阳能烟囱进行了大量的研究，在理论、实验、以及数值模拟等方面取得了一定的研究成果。但目前的研究大多是提出各种各样的数学模型，各种形式的太阳能烟囱的结构参数和环境参数对通风效果的影响以及如何提高对太阳辐射热的吸收，能用于实际工程设计的资料较少，这极大的限制了室内空气质量的提高、节能建筑的设计以及太阳能烟囱用于设计太阳房的大规模推广。现有的研究还存在着以下几点不足之处：

（1）有文献记载的成果依然是经验性的，或是定性的或是半定量的，目前尚未形成系统的定量化理论与应用研究成果。对各种结构的太阳能烟囱缺乏统一完整的理论分析，结果较为零乱，缺乏实际指导意义，能够用于工程设计的资料不多。因此对于太阳能烟囱的特性还有待于进一步的研究和探讨。

（2）现有的研究尚未对不同结构形式的太阳能烟囱进行经济性比较，缺乏在不同气候条件下的可行性分析。不同结构形式的太阳能烟囱的原理基本一致，应该建立统一的理论研究模型，这样数值模拟的研究结果才具有可比性，也才能更好地指导太阳能烟囱的实际应用。

（3）目前关于太阳能烟囱的研究多数只是针对稳态情况进行的，然而太阳能自然通风过程是非稳态的瞬态过程，目前只有有限的文献做了这方面的研究。太阳能烟囱内空气的瞬间流动是复杂的自然对流流动，运用数值模拟时必须充分掌握有关湍流模拟及编程方面的知识，且模拟的正确性依赖于所选择的模型能否准确地描述物理现象，对现象的任何简略或假设都会影响到模型结果的可靠性。其次，数值模拟的实际应用中还存在着一些特殊问题，如风口模型、热源和辐射模型等。

（4）现有文献对各种太阳能烟囱的结构参数和环境因素对通风效果的影响进行了分析，但没有就各种参数的综合影响进行研究。今后应加强太阳能烟囱影响因素的综合研究。另外在设计太阳能烟囱系统时，可将太阳能烟囱与其他建筑构件如风塔、天井、楼梯间等结合起来构成整体系统以充分利用太阳能，强化自然通风。

5 结语

舒适、环保和节能已经成为不可逆转的社会潮流，太阳能烟囱强化自然通风作为一项能改善建筑热环境、有效降低空调能耗、同时能够创造可持续发展的绿色建筑技术而具有广阔的应用前景。但从太阳能烟囱强化自然通风的研究应用现状及存在的问题分析可以看出，目前利用太阳能强化自然通风还处于探索、实验阶段，缺乏定性及定量的分析和实际应用研究，而如何让太阳能烟囱真正的成为一项能改善建筑热环境、有效降低空调耗能、同时能够创造绿色建筑的技术，还有待科研人员对其进行深入的定量与定性的理论研究，使其广泛地应用于实际工程中。

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Research Status on Solar Chimney for Strengthening Natural Ventilation

Zhang Huayang Qin Ping Cao Xiaoling

( School of Mechanical Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu, 610031 )

Presents the research progress of main structures of solar chimney enhanced natural ventilation (Trombe wall solar chimney, Vertical roof solar chimney, Inclined roof solar chimney); Based on the domestic and foreign main research results in this field, Points out the existing problems and research direction of solar chimney enhanced natural ventilation in research and application.

natural ventilation; Solar Chimney; research status; problems; research direction

1671-6612（2017）02-130-05

TU834

A

建筑环境与能源高效利用四川省青年科技创新研究团队项目（NO:2015TD0015）

张华扬（1989.12-），男，在读硕士研究生，E-mail：584550062@qq.com

秦 萍（1958-），女，博士，教授，主要从事暖通空调节能技术等方面研究，E-mail：qinping3159@sina.com.cn

2015-12-08