基于光伏光热的地下空间太阳能烟囱效应影响因素研究

向　波，余　涛，袁艳平，孙亮亮，曹晓玲



基于光伏光热的地下空间太阳能烟囱效应影响因素研究

向波，余涛，袁艳平※，孙亮亮，曹晓玲

（西南交通大学机械工程学院，成都 610031）

提出了将太阳能烟囱效应与太阳能光伏光热（PV/T）技术相结合来强化地下空间通风的技术措施。为研究该通风模式的影响因素，基于质量和热量平衡理论，建立了风井通风性能的数学模型，分析了换热器管排数、风井高度、热水水温和流速对通风性能的影响。结果表明：风井内换热器存在最大有效管排，管间距为0.032、0.038、0.047 m时换热器的最大有效管排数分别为9、13、18，在有效管排数范围内，随着管排数的增加风井出口温度升高，通风量先增大后减小；空气质量流量随着风井高度增加、热水温度升高明显增大，随着热水流速增大而缓慢增大；风井出口空气温度随着风井高度增加而降低，随着热水温度升高、流速增大而升高。最后，通过拟合得到计算风井空气质量流量的经验公式。

太阳能；传热；通风；PV/T；地下空间；通风风井

0 引 言

随着地下空间（如综合管廊、地下车库等）开发数量日益增多，地下空间的节能也越来越受到关注[1-3]。地下空间因其地势低且相对封闭，易沉积污染物，需要设置有效的通风系统[4-6]，常用的风机通风设备能耗高，噪音大[7]，而自然通风无需动力设备，是一种节能环保的通风方式[8-11]，但其受外界环境气象条件影响大，通风量不稳定，在实际地下工程应用中具有一定的局限性。为弥补自然通风的不足，常利用太阳能烟囱来强化地下空间自然通风[12-14]。

太阳能烟囱是利用太阳辐射加热风井的空气，空气吸热产生浮升力，形成烟囱效应达到强化自然通风目的[15-16]。许多学者研究了太阳能烟囱的通风性能并对其结构进行了优化[17-18]。近年来，也有不少太阳能烟囱与其他技术结合强化自然通风效果的报道，如太阳能烟囱结合蒸发冷却腔、太阳能烟囱结合地埋空气换热器、太阳能烟囱结合内置光伏（PV）驱动直流风机等技术措施[19-21]，但这些文献研究都集中于地上建筑。针对地下建筑，郭敏等[12]提出将太阳能烟囱效应与太阳能热水器相结合用于地下建筑通风，并对其通风性能进行理论分析和数值模拟。结果表明，太阳能可以满足该通风换气方式60%的能量需求，降低了电能等其他形式能源的消耗。

上述关于太阳能烟囱研究多针对地上建筑，由于地下空间环境的特殊性，无法建造类似地上建筑的太阳能烟囱，相关的研究较少。光伏（PV）发电技术是一种常见的太阳能利用技术[22-23]，PV组件接收的太阳能大部分都转化为热量，使得PV组件温度升高，从而导致光电转换效率降低[24]。工程中，可采用PV/T技术通过水或空气回收发电时产生的热量来提高光电转换效率[25-26]。若将太阳能烟囱效应与PV/T技术相结合应用于地下空间通风，则不仅可以维持PV组件在较高光电转换效率的温度范围内，而且PV/T产生的低温余热还可用于强化地下空间自然通风，降低地下空间通风能耗，最大限度地提高了太阳能综合利用效率。

本文提出了太阳能烟囱效应与PV/T技术相结合的技术措施，将PV/T集热器产生的余热应用于地下空间通风。文章针对风井部分，分析了其内部流动和换热平衡，建立了风井通风性能的数学模型，并初步探讨了换热器管排数、风井高度、热水水温和流速对通风效果的影响。

1 风井物理模型

1.1 系统描述

如图1所示为本文提出的太阳能烟囱效应与PV/T技术相结合的通风系统，该系统主要由光伏光热（PV/T）集热器、循环水泵、换热器、风井、地下空间和蓄电设备组成。其工作原理为：在晴朗白天，PV/T集热器发电可供地下空间用电设备使用，运行时产生的多余热量通过水带走，被加热的水送至风井底部的换热器，风井底部空气被换热器加热密度减小，风井内空气因密度差产生向上浮升力，从而形成烟囱效应，烟囱效应使得空气沿着风井上升，此时风井底部空气由地下空间的冷空气填充并被持续加热，风井内将形成稳定的上升气流，可实现地下空间的通风作用。该系统相对独立，利用太阳能产生的电能和热量可维持自身系统的运行，不需要消耗外界其他能源。对于偏远地区的隧道等地下空间，建设和维护电网的成本都比较高，这些地区使用该系统供电和通风是经济的选择，而且充分利用了太阳能，节约资源。

图1 太阳能烟囱效应与PV/T技术相结合的通风系统

1.2 风井物理模型的简化

图2a所示为风井二维物理模型，图中风井纵向高度为，横截面为长、宽的矩形，==1 m，风井内的换热器为顺排管束，如图2b，换热器第1排管距离风井底部′=2 m，管外径=0.02 m，横向和纵向管间距分别为1和2，1=2。

风井内的传热是涉及导热、对流传热和辐射传热共同作用的混合动态传热过程，为了简化问题，现作以下假设：

1）风井内形成稳定的一维空气流；

2）风井内壁面绝热；

3）忽略风井内辐射传热；

4）忽略空气在风井内流动的沿程阻力；

5）忽略风井外部环境的风压作用；

6）忽略换热器水管的热阻；

7）忽略地下空间内部阻力，认为其与室外大气相通；

8）通过换热器加热后的空气密度保持不变。

注：ρa0、ρa1、ρa2分别为断面0-0、Ⅰ-Ⅰ、Ⅱ-Ⅱ处空气密度，kg·m-3；va1和va2分别为断面Ⅰ-Ⅰ和Ⅱ-Ⅱ处空气平均流速，m·s-1；ta1和ta2为风井入口和出口空气温度，℃；H为风井纵向高度，m；W为风井截面宽度，m；h’为换热器第1排管到风井底部的距离，m； s1和s2分别为横向和纵向管间距，m；d为换热管外径，m；n为管排数。

2 风井内流动与传热数学模型及求解方法

2.1 流动控制方程

风井内空气流动满足伯努利方程和连续性方程，取地下空间底部为基准面0-0，换热器最下排管处断面Ⅰ-Ⅰ，风井出口断面Ⅱ-Ⅱ，则有：

0-0和Ⅰ-Ⅰ断面的流动平衡方程为：

Ⅰ-Ⅰ和Ⅱ-Ⅱ断面的流动平衡方程为：

Ⅰ-Ⅰ和Ⅱ-Ⅱ断面的连续性方程为：

式中0、1、2分别为断面0-0、Ⅰ-Ⅰ、Ⅱ-Ⅱ的静压，Pa。为简化问题，认为地下空间与外界相通，静压0=2=0，可认为基准面处（0=0）空气静止，即a0=0，空气温度为20 ℃；0、1、2分别为断面0-0、Ⅰ-Ⅰ、Ⅱ-Ⅱ的位置标高，m；a0、a1、a2分别为断面0-0、Ⅰ-Ⅰ、Ⅱ-Ⅱ处空气密度，kg/m3，a0=a1=1.205 kg/m3；a0、a1、a2分别为断面0-0、Ⅰ-Ⅰ、Ⅱ-Ⅱ处空气平均流速，m/s。a1为换热器底部空气的来流速度；为重力加速度，m/s2；1和2分别为Ⅰ-Ⅰ和Ⅱ-Ⅱ处风井断面面积，m2；1为风井空气入口局部阻力系数，取值0.5[27]；2为空气流经换热盘管的局部阻力系数，参考文献[28]，可按式（4）计算：

式中为空气流向的管束纵向排数；0为对应于管束中单管的阻力系数。

单位时间内被排出地下空间的空气质量a可由下式计算：

2.2 换热平衡方程

由1.2节假设可知，风井内空气与换热器的换热方式为空气横掠管束对流换热，空气吸热量全部来自于水的放热量，因此换热器处的热平衡方程为

式中a1和a2分别为风井入口和出口空气温度，℃，a1= 20 ℃；w1和w2分别为换热器入口和出口水温，℃；pa为空气的定压比热容，J/(kg·K)；pw为水的定压比热容，J/(kg·K)；w为水的密度，kg/m3；w为水的流速，m/s；d为换热器热水管的横截面积，m2；p为换热器传热面积，m2；h为空气与换热器之间的平均对流换热系数，W/(m2·K)；Δ为换热器处对数平均传热温差，℃。

空气横掠换热器管束与管内的水换热可视为顺利多次交叉流，当交叉次数大于等于4时，其平均传热温差可按纯顺流的平均传热温差计算[29]，其计算公式为

式中Nu为努谢尔特数；a为空气导热系数，W/(m2·K)。由于风井内烟囱效应显著，可形成稳定的空气流动，故空气与换热器传热过程可视为横掠管束的强迫对流传热过程，则Nu采用文献[29]中给出的经验公式计算：

空气的特征温度a为膜平均温度：

2.3 数学模型求解过程

式（1）－式（15）为风井内流动与传热过程的完整数学描述，应用上述数学模型即可对图2所示的风井自然通风进行计算。本文采用MATLAB软件求解上述数学模型，求解过程如图3所示。

图3 数学模型求解流程图

3 通风效果影响因素分析

风井内的空气流量是通风效果优劣最直观的体现，而温度变化产生密度差是空气流动的驱动力。本文研究了换热器管排数、风井高度和PV/T集热器产生的热水温度、流速对风井出口空气温度和空气质量流量的影响。

3.1 管排数对通风特性的影响

由图4a可知，风井出口空气温度随着换热器管排数的增加而增大，换热器出口水温随着换热器管排数的增加而减小。显然，管排数越多，换热器换热面积越大，空气被加热后的温度越高，水的出口温度就越低，空气与换热器换热量随之增加，烟囱效应增强，当管排数超过一定值后，风井出口空气温度上升和换热器出口水温度下降达到极限值，空气与换热器不再换热，定义此时的换热器管排数为最大有效管排数，用max表示。当≥max时，为无效管排。最大有效管排数通常与管间距、管径、热水水温、热水流速等参数有关。图4a所示情况下，管间距为0.032、0.038、0.047 m时换热器的最大有效管排数分别为9、13、18。

从以上结果及分析来看，风井内的换热器存在有效管排数，因此后面的分析都是在有效管排数内。

有效管排数范围内，风井内空气质量流量随管排数的增加先增加，后减小，如图4b所示。虽然增加管排数可以增大换热面积，但空气流过换热器的阻力也会随之增大。当管排数小于一定值时，增加管排数导致的流动阻力增加程度较小，烟囱效应产生的浮升力足以克服流动阻力，使得空气流速仍会增大，因此增大了风井内的通风量。当管排数增加到一定值后，换热量和浮升力达到最大，从而空气质量流量达到最大值，再增加管排，流动阻力的增大对速度的影响超过了换热器加热对空气所受浮升力的影响，所以空气的流速减小，从而通风量减小。管间距为0.032、0.038、0.047 m的换热器的管排数分别为6、8、11时空气质量流量达到最大值。所以，在风井内布置换热管时，既要保证足够的换热面积，又要避免因管排数增加导致的流动阻力增加。

a. 出口温度a. Outlet temperatureb. 空气质量流量b. Air mass flow rates

3.2 风井高度对通风特性的影响

由图5可知，风井出口空气温度随着风井高度增加而减小，而空气质量流量随风井高度增加逐渐增大。当换热器以及换热器内热水的参数保持一定时，风井高度增加则烟囱效应增强，从而提高了风井内的空气质量流量。

a. 出口空气温度a. Outlet air temperatureb. 空气质量流量b. Air mass flow rates

图5b中风井高度从10 m增加到30 m，水温为40、50、60 ℃时，空气质量流量分别增加了75.2%、74.5%、73.8%。因此，要得到大的通风量就需要增加风井高度，该结论与文献[12]一致。烟囱效应的增强会增大换热器前端的空气来流速度，使得空气与换热器之间的对流换热量增加，但空气流量增加的幅度更大，故出口空气温度随风井高度的增加而降低。虽然增加风井高度有利于通风量的增加，但风井的建造成本也会增加，应根据地下空间类型选取适宜风井高度。

3.3 换热器入口水温对通风特性的影响

换热器内的热水来自于PV/T集热器，产生的热水温度（即换热器入口水温）是影响风井通风效果的重要因素，产生热水的温度与太阳辐射强度、PV/T集热器的面积和连接方式等有关，一般PV/T集热器能产生温度在40～60 ℃之间的低温热水[30]。图6给出换热器入口热水温度对风井出口空气温度、空气质量流量的影响，显然，风井通风效果随着水温升高而明显加强，温度从40 ℃增加到60 ℃，热水流速为1、2、3、4 m/s时，空气质量流量分别增加了35.1%、36.8%、37.5%、37.9%。水温越高，换热温差越大，风井内空气吸热量越大，空气温升越高，烟囱效应就越明显，空气质量流量越大。为保证换热器入口较高的水温，可以适当增大集热器面积，根据季节和当地纬度确定集热器最佳安装倾角。

a. 出口空气温度a. Outlet air temperatureb. 空气质量流量b. Air mass flow rates

3.4 换热器水流速对通风特性的影响

图7为风井出口空气温度和空气质量流量随换热器内热水流速的变化，由图7可知，二者都随热水流速的增大，总体增大的幅度较小。这表明适当增大热水流速可以加强风井内自然通风，但换热器有一定的换热效率，当水流速增大到一定数值后，换热量基本不变，诱导通风量也趋于稳定。当w1为40、50、60 ℃，热水流速w从1 m/s变化到4 m/s时，空气的质量流量分别增加了9.2%、10.5%、11.5%，可见热水流速对通风效果影响较小。供水水泵要耗能，因此，需考虑最经济的热水流速。

3.5 空气质量流量拟合分析

从前文可知，若已知换热器和风井横截面参数，影响风井内空气质量流量的主要因素可用函数定性地描述为

结合、w1、w对空气质量流量的影响规律，通过拟合可得计算空气质量流量的经验公式为

式（11）的适用范围：=10，1=0.038 m，10 m≤≤ 30 m，40 ℃≤w1≤60 ℃，1 m/s≤w≤4 m/s。风井内空气质量流量a随0.512w10.781w0.064的变化情况如图8所示。对于其他管排数、管间距的换热器，也可以采用类似的方法得到相应经验公式。该经验公式可以为基于换热器的竖井自然通风系统设计提供参考。

a. 出口空气温度a. Outlet air temperatureb. 空气质量流量b. Air mass flow rates

图8 空气质量流量随H0.512tw10.781vw0.064的变化

4 结 论

本文在已有研究基础上，提出将太阳能烟囱效应与PV/T技术相结合，采用PV/T集热器产生的热水送入换热器加热风井空气以强化地下空间自然通风。基于质量和能量守恒，本文建立了风井通风性能的数学模型，分析了换热器管排数、风井高度、热水水温和流速对风井空气质量流量和出口空气温度的影响，得出以下结论：

1）采用换热器加热风井内的空气，管排数对通风效果有较大的影响。换热器存在最大有效管排数，管间距为0.032、0.038、0.047 m时换热器的最大有效管排数分别为9、13、18。在有效管排数范围内，随着管排数的增加风井出口温度升高，通风量先增大后减小。

2）风井的高度增加，烟囱效应增强，通风量明显增大，但风井出口的空气温度降低。

3）升高换热器入口水温可明显增大风井出口空气温度和风井通风量。水流速对通风效果影响较小，适当增大热水流速可增大通风量，但流速增大到一定数值后，通风量趋于稳定。

4）通过拟合得到计算风井通风换气量的经验公式。

文章对基于光伏光热的地下空间太阳能烟囱效应影响因素做了初步研究，但仅建立了风井内的通风数学模型，实际情况中应根据不同类型的地下空间通风需求，考虑PV/T集热器（集热面积、集热器连接方式）、风井几何参数及换热器布置形式之间的相互匹配问题，上述这些问题将在下一步工作中进行研究。

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Study on influencing factor of solar chimney effect in underground space based on photovoltaic-thermal

Xiang Bo, Yu Tao, Yuan Yanping※, Sun Liangliang, Cao Xiaoling

(610031,)

Pollutants are easy to be concentrated in the underground space because of the low terrain and the enclosure space. Therefore, an effective ventilation system is required to create a clean indoor environment. Ventilation fan is widely used in the underground space, but the fan has high energy consumption and is very noisy. Thus, both energy conservation and environmental protection are significantly important for the design of ventilation system, and solar chimney is a feasible method by using solar energy in order to realize these 2 purposes. Due to the special underground space environment, it’s impossible to construct a solar chimney as the ground building, which must be combined with other technologies. PV (photovoltaic) technology is a common solar energy utilization technology, but most of solar energy irradiating on PV cells is converted into heat when it is operating, resulting in a rising PV temperature and a dropping photoelectric conversion efficiency. In this project, photovoltaic-thermal technology is used to recover the heat of PV cells to maintain a high photoelectric conversion efficiency. This paper proposes a system combining the solar chimney effect with the photovoltaic-thermal technology for the purpose of enhancing the natural ventilation in the underground space. On one hand, this system can maintain the PV temperature at a high photoelectric conversion efficiency. On the other hand, the extra heat can be used in the underground space ventilation. Therefore, the ventilation energy consumption is reduced and the comprehensive utilization efficiency of solar energy is increased. To study the influencing factors of the ventilation system, a mathematical model for evaluating the ventilation performance of the ventilation shaft is established based on the conservation of energy and mass, which is solved by MATLAB software. The influences of heat exchanger tube row, height of ventilation shaft, water temperature and velocity on the ventilation performance are analyzed. Results show that the heat exchanger has a maximum effective tube row in each case, and the tube pitches of 0.032, 0.038 and 0.047 m correspond to the maximum effective tube rows of 9, 13, and 18, respectively. The outlet air temperature increases with the tube row, while the air mass flow rate increases and then decreases with the tube row. The air mass flow rate obviously increases with the height of ventilation shaft and the inlet water temperature, while it slowly increases with the water velocity. The outlet air temperature decreases with the height of ventilation shaft and increases with the water temperature and the water velocity. Finally, an empirical formula for calculating the air mass flow rate is fitted.

solar energy; heat transfer; ventilation; PV/T; underground space; ventilation shaft

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.18.019

TK519

A

1002-6819(2017)-18-0141-07

2017-04-21

2017-08-28

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 (2015TD0015）；国家自然科学基金面上项目（51678488）

向 波，男，四川遂宁人，博士生，主要从事地下空间可再生能源应用研究。成都 西南交通大学机械工程学院，610031。Email：xiangbo@my.swjtu.edu.cn

袁艳平，男，湖北洪湖人，博士，教授，博士生导师。主要从事地下空间热湿环境与安全、地源热泵、太阳能建筑一体化、相变储能在暖通领域的应用研究。成都 西南交通大学机械工程学院，610031。Email：ypyuan@home.swjtu.edu.cn