太阳能烟囱-地埋管联合自然通风及其对室内热环境的影响研究

张雅雅,龙天河,叶 恺,郑迪萌,张纾瑀,李永财

（重庆大学 土木工程学院，重庆 400045）

0 引言

随着人们生活水平的提高，暖通空调系统能耗占据了建筑总能耗的50%以上[1]。利用可再生能源代替部分化石能源，减少空调系统能耗对缓解能源危机具有积极意义。

利用太阳能促进室内通风的太阳能烟囱以及利用地热能对室外空气进行预处理的地道风系统具有广阔的应用前景，已被广泛应用[2]～[7]。2010年M.Maerefat[8]提出了一种由太阳能烟囱和地埋管联合使用的被动式太阳能系统。该耦合系统利用太阳能烟囱产生的烟囱效应为地道风系统提供通风的动力，使室外新风不断补入室内。这种联合运行方式舍弃了传统地道风系统的风机，节省了风机的能耗，同时也提高了太阳能烟囱的应用范围，使得太阳能烟囱在除过渡季节以外的其他季节也可以使用。尽管上述耦合系统具有诸多优点，但目前该耦合系统还没有引起足够重视，相关研究较少，且大部分研究更偏向于通过模拟来进行理论分析，而忽视了实验研究，但对于一个复杂的耦合系统来说，实验研究是必不可少的。实验能够更真实准确的反应系统的性能。本文利用全尺寸实验台对太阳能烟囱-地埋管耦合系统在夏季的运行情况进行了研究，重点分析了该系统的通风性能以及对室内热环境的影响。

1 实验方案

1.1 实验台及原理

太阳能烟囱-地埋管耦合系统全尺寸实验台位于安徽省铜陵市，地处夏热冬冷地区，夏季室外温度和相对湿度较高。实验台如图1所示。

图1 全尺寸实验台示意图Fig.1 Thermal parameters of outer building envelope

该实验台由两个房间、地埋管部分以及太阳能烟囱部分组成。墙体的材料从外向内依次为保温板、烧结多孔空心砖和找平水泥砂浆；屋顶的材料从上到下是保温板、钢筋混凝土现浇板和水泥砂浆。具体热工参数如表1所示。由于场地限制，测试房间的东墙和对比房间的西墙相邻，两墙间隔30 cm。地埋管直径300mm，材料为PVC，由倾斜入口段、水平工作干管段和竖直出口段3部分组成。水平干管长30m，是冷却室外空气的主要部分。因为在地表以下2～3m深处土壤温度受太阳辐射影响很小，可忽略不计[9]，综合考虑施工成本和系统效能，水平干管埋深为3m，室外入口管道呈45°倾角以减少空气流动阻力，室内出口管道竖直设置，出入口管段部分主要功能是连接室外环境和室内环境。因为接近地表处的土壤受太阳辐射影响温度较高，所以当被水平埋管工作段冷却的空气经出口段管道进入室内时，又会被温度较高的土壤重新升温，部分抵消地埋管的冷却降温效果。为了减少预冷空气与土壤的换热，入口地埋管段用保温材料隔热。太阳能烟囱部分由水平的太阳能集热器和竖直的烟囱组成。为了最大限度的利用太阳能，集热器安装在屋顶，倾角为30°，面朝南。集热器长7m，宽1.5m，高0.3m，4个侧面以及背面由不锈钢制成，并用保温材料隔热，内测涂有黑色吸热涂料，顶部为玻璃盖板。竖直烟囱高6m，直径0.3m，烟囱主要是提供高差，外壁附有保温材料以减少冬季热量损失。在晴天，太阳能集热器中的空气被太阳辐射加热，密度减小，在热压差的作用下，空气从烟囱口排出，集热器中则形成了一个负压区，室外新鲜空气通过地埋管被吸入室内，在这一过程中，空气在水平地埋管段中与土壤进行换热，进一步降低了室外新风的温度。在测试期间测试房间的门窗用泡沫填缝剂作封闭处理，以免发生气流短路。

表1 屋面、墙面等材料热工参数Table 1 Thermal parameters of outer building envelope

1.2 实验仪器及测试过程

实验在8月某个晴天进行，测试持续24 h，期间测试房间门窗紧闭，通过地埋管进行通风，而对比房间窗户开启，进行传统的自然通风。为了对室内热环境进行分析，在两个房间的南内墙和北内墙上分别布置了3个K型热电偶，热电偶在壁面中心沿纵向均匀放置，3个热电偶的平均值作为内墙的温度，室内温度由位于房间中心且距离地面1.7m处的K型热电偶测得。数据采集仪每隔5min自动记录所有热电偶的数据。地埋管进出口处分别放置温湿度自动记录仪，测量进出口空气温湿度。出口风量由3个Omega FMA902A-MA热线式空气流速传感器测量。传感器布置在距地埋管中心5，10，15 cm的同一截面上，布置方式如图2所示。

图2 空气流速传感器布置方式Fig.2 Locations of airflow sensors

取其平均值作为地埋管出口的风速，通风量可由平均风速和管道横截面积求出。同时在室外放置太阳能辐射计，每小时采集并记录数据。

2 实验结果分析

2.1 室外气候环境分析

太阳能烟囱-地埋管耦合系统的性能与太阳辐射强度及室外空气温度有很大的关系。实验当日太阳辐射强度及室外空气温度如图3所示。

图3 太阳辐射强度与室外空气温度Fig.3 Solar radiation intensity and outdoor air temperature

太阳辐射强度从4：00后由0逐渐上升，至12：00达到最大值1 103W/m2，之后缓慢下降，到20：00辐射强度已降为0。室外空气温度的最低值出现在5：00，为26.3℃，最高值出现在16：00，为40.1℃。空气温度最高值与最低值出现的时间相比太阳辐射强度均有所滞后，这是因为虽然影响空气温度的主要因素是太阳辐射，但大部分太阳光热并不直接加热空气，而是通过地面辐射间接影响空气温度。

2.2 通风量分析

图4为通风量与太阳辐射强度关系。

图4 太阳辐射强度与通风量Fig.4 Solar radiation intensity and airflow rate

由图4可知，通风量与辐射强度的趋势基本一致，仅略有延迟，这是太阳辐射通过太阳能集热器间接加热其中的空气造成的。在7：00之后通风量小幅降低，推测是由于此时室外空气温度已开始上升，但太阳辐射强度还相对较小，因此热压减小，通风量降低。从8：00开始，通风量随太阳辐射强度的增大而上升，在12：00左右达到最大值252m3/h，并在之后的2个多小时内持续保持在较高水平，15：00左右通风量开始缓慢降低，在接近17：00时由于太阳辐射强度快速降低，通风量急剧减小。在太阳能辐射强度较低甚至没有辐射的0：00-8：00及19：00-0：00，室内的通风量依然能维持在50m3/h左右，这是由于围护结构在白天储存了太阳辐射，表面温度较高，在夜间，围护结构向室内散热，室内温度升高，室内外形成了热压差。实验结果表明，与地埋管联合使用提高了太阳能烟囱的适用性，该耦合系统可以连续24 h为室内提供新风。

2.3 地埋管进出口空气温度分析

在热压的作用下，室外空气被吸入地埋管并在地埋管中被降温。出口空气温度的变化也印证了这一说法。在整个测试周期内，进口空气温度以及通风量变化范围很大，但出口空气温度的波动很小，均维持在26～28℃，最高温度出现在16：30。图5为地埋管进出口空气温度随时间的变化关系。

图5 地埋管进出口空气温度Fig.5 Inletand outletair temperature of earth to air heat exchanger

由图5可知，地埋管对室外空气的降温效果明显，在7：00-19：00室外空气温度较高的时间段内，平均温降为9.2℃，最大温降可达12.5℃。而在其余时段室外空气温度较低，降温效果虽不明显，但平均温降也在0.5℃以上。

2.4 室内外温度分析

室内温度是评价太阳能烟囱-地埋管耦合系统性能的重要指标。图6为测试房间与对比房间的室内温度。

图6 测试房间与对比房间室内温度Fig.6 Air temperature of test room and comparison room

由图6可知，24 h内，使用耦合系统进行自然通风的测试房间的室温波动明显低于对比房间。在白天，随着室外空气温度的上升，对比房间室温上升明显，在16：00室温甚至达到了35.3℃，全天最大温差为7.2℃，而测试房间的室温虽然也有所上升，但基本维持在28～30℃，最大温差为1.2℃。但夜晚的大部分时间，对比房间的室温则略低于测试房间。0：00-6：00及19：00-24：00内两房间的平均空气温差0.57℃。

图7为测试房间室内温度与室外空气温度的对比图。结合图4分析可知，5：00之前，室内温度随室外空气温度的降低而降低。从6：00开始，室外空气温度明显上升，室内温度也随之上升。8：00之后，由于通风量快速增加，室内温度持续小幅下降。11：00左右，通风量已基本稳定，但室外空气温度依然在持续上升，逐步成为了影响室内温度的主要因素，室内温度随室外空气温度的上升而上升。15：00-18：00，室外空气温度和通风量均快速下降，室内温度也开始降低。21：00过后，室内温度随室外空气温度的降低而降低。

图7 测试房间室内温度与室外空气温度Fig.7 Test room air temperature and outdoor air temperature

由以上分析可知，与传统的开窗通风相比，采用太阳能烟囱-地埋管耦合系统进行自然通风时，其室温在白天明显低于对比房间，且在24 h内室温的波动很小。但是在夜间测试房间略高于对比房间，说明夜间开窗通风更有利于降低室内温度。因此需要优化太阳能烟囱-地埋管耦合系统的运行策略，当室内温度低于室外空气温度时运行耦合系统预冷室外空气，而当室内温度高于室外空气温度时停止运行耦合系统，开窗通风。从而能更好的营造舒适的室内热环境。

2.5 壁面温度分析

图8，9分别为两个房间的内表面温度。可以看出，尽管在夜间对比房间的室内温度略低于测试房间，但在整个测试周期内无论是南墙还是北墙，测试房间墙壁的内表面温度均低于对比房间的墙壁温度，温度的波动也更小。由于送风量在8：00-9：00快速增大，测试房间的壁温在9：00小幅下降。室外空气温度在16：00达到最高值，对比房间南墙内表面温度在17：00达到了最高值，滞后时间为1 h，而测试房间南墙内表面的最高温度出现在20：00，滞后时间为4 h，同时两面墙壁温度的最高值相差2.33℃。两个房间北墙的内表面温度几乎都在16：00达到了最高值，但温差却达到了3.12℃。

图8 测试房间与对比房间南墙内表面温度Fig.8 Inner surface temperature of the south wall of test room and comparison room

图9 测试房间与对比房间北墙内表面温度Fig.9 Inner surface temperature of the north wall of test room and comparison room

3 结论

本文通过实验测试的方法探究太阳能烟囱-地埋管耦合系统在夏热冬冷地区的通风性能以及对建筑室内热环境的影响。研究结论如下。

①太阳能烟囱和地埋管系统联合可以连续24 h为室内提供新风，通风量在12：00左右达到最大值252m3/h，夜间通风量基本维持在50m3/h以上。

②地埋管可以有效降低室外空气的温度，进口空气温度越高降温效果越明显，最高温降可达12.5℃，即使在温度较低的夜间，温降也基本维持在0.5℃以上。

③在白天，测试房间的温度波动很小，基本维持在28～30℃，明显低于未使用耦合系统的对比房间室温以及室外空气温度。该耦合系统可以显著改善白天室内热环境，但夜间效果略逊于开窗自然通风，因此须要优化太阳能烟囱-地埋管耦合系统的运行策略。

④在测试周期内，测试房间的墙壁内表面温度均低于对比房间。测试房间南墙内表面最高温度出现在20：00，相较对比房间南墙内表面最高温度出现的时间滞后了3 h。测试房间壁面温度较低，与室内空气的对流传热降低，有利于营造良好的室内热环境。