基于烟囱效应的地下空间竖井通风系统参数优化

张亚琴 孙亮亮 袁艳平 曹晓玲 赵 娟



基于烟囱效应的地下空间竖井通风系统参数优化

张亚琴 孙亮亮 袁艳平 曹晓玲 赵 娟

（西南交通大学机械工程学院 成都 610031）

为研究竖井通风系统中关键参数对系统性能的影响程度，以诱导通风量及热水换热温差为试验指标，选取竖井高度（A）、竖井通道直径（B）、入口水温（C）及水流量（D）作为四个试验因素，通过极差分析方法对各试验因素的影响程度进行了正交试验方案设计。研究结果表明，竖井高度、竖井通道直径、入口水温三个因素对诱导通风量影响程度较大，而水流量对其影响程度最小；入口水温对热水换热温差的影响程度最大，竖井通道直径对其影响程度最小。综合考虑两方面试验指标，在试验范围内选出了四个因素最佳组合方案为A3B2C3D1。

竖井通风；影响因素；正交试验法

0 引言

建筑行业作为我国经济发展的重要行业，对能源的应用也相当广泛。据国家统计局有关数据显示，我国建筑能耗约占总能耗的30%，而通风能耗约占整个建筑能耗的20%以上[1]。因此，考虑减少通风所带来的能耗具有很大的节能价值，同时建筑节能是关系到我国的经济高速健康发展、改变能源相对短缺局面的关键。太阳能烟囱技术是一种利用太阳能来代替传统能源或减少传统能源消耗，依靠空气吸收太阳辐射热产生浮升力，从而实现或强化建筑室内自然通风的有效技术，是目前学者研究的热点之一。

在对太阳能烟囱提高通风效率的研究过程中，研究者发现，其结构形式及尺寸对它的通风效果有很大的影响。Chen Z D[2]等人对一个高1.5m、长0.62m、宽高比为1:15～2:5的太阳能烟囱模型进行了实验研究，得到倾斜角度为45°、宽高比为2:15时具有最佳通风效果，其通风速率比烟囱垂直情况下多45%左右。Khedari[3]等人对屋顶太阳能集热器进行了通风测量，得到当太阳能烟囱高1m、倾角30°、通道宽度0.14m时可达到最佳通风效果。Mather等[4,5]从理论和实验方法评估了在热气候条件下利用太阳能诱导室内通风的可能性，发现诱导通风量随太阳辐射强度、吸热壁面与玻璃盖板间的空气通道尺寸的增加而线性增加。

从以上研究来看，由于太阳能烟囱通道内气流流动状况的复杂性及结构形式的多样化，造成对研究归纳烟囱最佳宽高比存在困难，其不同形式及结构尺寸的太阳能烟囱其最佳尺寸值也不相同。对太阳能烟囱的影响因素优化过程中，前期普遍采用单因素分析法，计算繁琐、工作量大，且无法确定各因素对系统性能的影响程度及优化顺序。

正交试验法作为一门工程化科学设计方法，通过各因素间合理的组合方案，能够大大降低模拟计算量，提高研究分析效率，而且通过极差分析方法，可以确定各因素对系统性能的影响程度，近而确定其优化顺序[8]。王亮[9]等通过无交互正交试验法模拟分析了地道与太阳能烟囱复合通风系统模型中地道长度、地道宽度、太阳能烟囱高度、地道进风口与太阳能烟囱出风口面积比等参数对房间通风量和室内温度的影响程度，并对各试验因素的优化次序进行了分析。姚盼等[10]运用正交试验法研究了太阳能热水系统关键参数及其交互作用对系统性能的影响程度。

鉴于此，该文建立空气与水耦合传热的竖井通风模型（如图1所示），以诱导通风量和热水换热温差为试验指标，选取竖井高度、竖井通道直径、入口水温、水流量四个关键参数为试验因素，采用三水平无交互正交试验法对模型模拟工况进行合理设计，通过极差分析法得出系统各试验因素对试验指标的影响程度，从而为工程设计及优化提供参考依据。

1 系统简介

1.1 系统组成

如图1所示为该文提出的“基于烟囱效应的地下空间竖井通风系统”，该系统主要由PV/T集热器、贮热水箱、循环水泵、蓄电设备、竖井、地下空间、和末端用热水设备等组成。

图1 基于烟囱效应的地下空间竖井通风系统示意图

1.2 工作原理

将太阳能PV/T系统放置在建筑物的顶部，白天PV板通过吸收太阳辐射能进行发电，贮热水箱内的水流进循环管道不断带走PV板运行过程中产生的余热，当达到一定的温度后，将水通过管道送至竖井内部的环形流道，然后通过内壁面与空气进行热交换，空气因温度升高产生向上的浮升力，从而形成“烟囱效应”来诱导空气向上流动。只要能够实现持续加热，竖井底部就会吸入大量的空气，而室外空气可通过通风口得以补充，从而可实现地下空间通风效果。

该系统可有效利用PV/T系统内的余热来实现强化地下空间自然通风、降低机械通风能耗目的，而且可降低PV板温度，提高其光电转换效率；与此同时，系统循环水泵的动力消耗也可由PV/T系统产生的电能提供，从而可最大限度地提高太阳能的综合利用效率。尤其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，使用该系统供电和通风是经济的选择。

2 模型描述

2.1 物理模型

根据给定条件，建立空气与水耦合传热竖井通风模型，竖井高为，竖井通道直径；外侧环形水区域为30mm，传热壁面采用铝型散热板材，壁厚为2mm，其物性参数见表1所示；竖井外壁面采用玻璃棉管壳做保温处理，厚度为55mm，物性参数见表2；按一般PV/T集热器产生的热水水温，取入口水温w1=40～60℃[11]；假设室外环境温度及竖井内部初始空气温度都为20℃，以确保完全在热压作用下来实现竖井通风效果。图2、3为竖井横、纵断面示意图。

图2 竖井横断面示意图

图3 竖井纵断面示意图

表1 传热壁面物性参数

表2 保温材料物性参数

2.2 数学模型与求解方法

（1）室外气象参数不变，竖井内形成稳定的一维空气流；

（2）所有壁面都假设是无滑移的，烟囱外壁面绝热，其他壁面未考虑其蓄热特性；

（3）未考虑室外风压的影响；

（4）忽略竖井内辐射传热；

（5）考虑密度差引起的浮升力的影响和重力作用；

（6）所有物性参数均视为常数，但动量方程中密度的变化遵循Boussinesq假设。空气的物性参数如表3所示。

表3 空气的物性参数

基于上述假设，压力速度耦合采用SIMPLEC算法，采用二阶迎风格式对方程进行离散，对于压力的离散方式采用专门适用于体积力流动的加权体积力差值格式计算。模拟过程中边界条件设置如图4所示。

图4 边界条件

2.3 模型验证

图5 数值计算与实验结果对比

文献[12]中李安桂等人对一个高2m、长1m、宽在0.4～1.2m之间变化的竖直式太阳能烟囱进行了实验研究。为了验证该文数值计算方法的正确性，故对文献[12]中太阳能烟囱的实验模型进行相应数值模拟研究，并与实验数据进行对比分析，结果如图5所示。

采用相对误差作为度量标准，对实验过程中每个模拟数据和实验数据进行对比计算。

式中，sim,i为模拟数据；exp,i为实验数据；为测量序数。

表4 实验与模拟数据相对误差

图5显示了模拟与实验条件下，当热流密度为200、400W/m2时，该太阳能烟囱在宽度分别为400、700、1000、1200mm下的诱导通风量对比情况。从图中两者的偏差变化情况来看，随着烟囱宽度的增大其误差也略微呈现增大的趋势，除了热流密度为200W/m2、宽度为700mm时的模拟结果比实验结果小，其他情况下模拟值都大于实验测量值，这一现象也与文献[13,14,15]基本一致。实测值相比数值模拟值波动的可能原因有：（1）实验中由于采用热球风速仪测定空气流速，无法对其进行准确测量，造成结果偏差；（2）实验中烟囱通道壁面材料对空气流动存在阻力等；（3）实验测量值很可能受到气候条件等因素影响，随着烟囱宽度的增加，出口易出现回流现象等。综上，考虑到模拟计算用边界条件及材料物性参数与实验条件的偏差，以及相对误差分析（绝对值在3.33%～7.14%），认为数值计算结果与实验结果吻合较好，从而验证了该数值计算模型与方法的正确性。

3 研究方案与分析方法

3.1 试验指标及因素确定

为了改善空气与水耦合传热竖井通风模型的诱导通风效果，该文确定了合理的正交试验方案，最终选取了竖井高度、竖井通道直径、入口水温、水流量四个试验因素来考察对系统诱导通风量及热水换热温差的影响程度。

3.2 无交互正交试验因素水平确定

在确定各试验因素的水平数时，考虑仿真模拟试验条件，并遵循尽量减少试验次数的原则，将竖井高度、竖井通道直径、入口水温、水流量四个试验因素都选为三水平，各试验因素的水平值在所选范围内等间距确定，无交互正交试验因素与水平见表5。

表5 无交互正交试验因素与水平

3.3 模拟方案确定

为了充分考虑四个试验因素在无交互作用情况下对诱导通风量及热水换热温差的影响，同时保证任一因素的任一水平与其他因素的任一水平有且仅相碰一次的前提下，选用L9（34）型标准正交表[16]，确定了无交互正交试验的试验参数，表6为诱导通风量正交模拟的试验参数；表7为热水换热温差正交模拟的试验参数。

表6 诱导通风量正交模拟的试验参数

表7 热水换热温差正交模拟的试验参数

续表7 热水换热温差正交模拟的试验参数