一種被動(dòng)式太陽(yáng)能通風(fēng)的數(shù)值研究

1、一種被動(dòng)式太陽(yáng)能通風(fēng)的數(shù)值研究趙平歌 (西安工業(yè)大學(xué)，西安，710032)摘 要：本文從太陽(yáng)能煙囪簡(jiǎn)介出發(fā)，通過(guò)對(duì)煙囪模型進(jìn)行數(shù)值模擬，分析太陽(yáng)能煙囪通風(fēng)量與煙囪高度、寬度、進(jìn)排風(fēng)口面積、加熱面之間的關(guān)系，指出煙囪寬度和出風(fēng)口位置與通風(fēng)量密切相關(guān)，并給出相應(yīng)的太陽(yáng)能煙囪通風(fēng)量計(jì)算公式。引言在被動(dòng)式太陽(yáng)房的設(shè)計(jì)中，廣泛的采用窗、附加陽(yáng)光間、太陽(yáng)能煙囪等來(lái)實(shí)現(xiàn)自然通風(fēng)。其目的是使空氣在太陽(yáng)能的作用下被加熱，利用煙囪效應(yīng)的抽吸作用使流動(dòng)加速，強(qiáng)化自然通風(fēng)效果；顯然，這種自然通風(fēng)是在有限空間內(nèi)進(jìn)行的?？梢灶A(yù)見(jiàn)，當(dāng)在小溫差小間距時(shí)以導(dǎo)熱為主存在阻滯區(qū)，而當(dāng)間距足夠大時(shí)，接近于自由空間。基于以上分析，有限

2、空間內(nèi)的自然通風(fēng)不僅與其推動(dòng)力有關(guān)，而且與抽吸通道的幾何參數(shù)（高度、間距、寬度）及通道側(cè)緣是否開(kāi)放等有關(guān)。通過(guò)分析研究，建立這些參數(shù)與自然通風(fēng)的定量關(guān)系，對(duì)于應(yīng)用有限空間自然通風(fēng)方式的各種裝置的設(shè)計(jì)及其優(yōu)化有著重要的實(shí)際意義。 本文將通過(guò)模擬計(jì)算和理論分析，討論幾何參數(shù)不同時(shí)的自然通風(fēng)效果，并建立相應(yīng)的計(jì)算公式。 1 太陽(yáng)能煙囪系統(tǒng)簡(jiǎn)介太陽(yáng)能煙囪一般包括兩個(gè)部分，一個(gè)是太陽(yáng)能加熱器，另一個(gè)是煙囪，如圖1所示。這種系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目的是通過(guò)吸收太陽(yáng)能加快通風(fēng)效果。其關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)為高度、橫斷面面積以及煙囪熱系統(tǒng)進(jìn)出口溫度1?？諝庠谔?yáng)能加熱器內(nèi)溫度升高，體積膨脹產(chǎn)生浮力，帶動(dòng)空氣流動(dòng)。這種系統(tǒng)最大的優(yōu)點(diǎn)

3、是其自身平衡能力，天越熱，太陽(yáng)能集熱器溫升越大，則氣流越快。圖1.太陽(yáng)能煙囪系統(tǒng)2.數(shù)值計(jì)算模型文獻(xiàn)1通過(guò)理論分析由伯努利方程和連續(xù)性方程得出太陽(yáng)能煙囪內(nèi)通風(fēng)量的計(jì)算公式： （2.1） （2.2）其中，ao出風(fēng)口面積ai進(jìn)風(fēng)口面積h進(jìn)風(fēng)口與出風(fēng)口中心距離 ti進(jìn)風(fēng)溫度t進(jìn)、排風(fēng)溫度差cd流出系數(shù)流出系數(shù)cd是描述煙囪幾何參數(shù)和通風(fēng)量關(guān)系的參數(shù)值，其受太陽(yáng)能煙囪幾何形狀和流量的影響，可取不同值。本文針對(duì)一種特定的煙囪形式通過(guò)數(shù)值模擬來(lái)求解該模型中的速度場(chǎng)和溫度場(chǎng)，以尋求與之相適宜的幾何參數(shù)與通風(fēng)量的關(guān)系。在本文的研究中，煙囪始終保持垂直即，而煙囪高度、進(jìn)排風(fēng)口面積以及由此產(chǎn)生的進(jìn)、排風(fēng)溫差發(fā)生變

4、化。煙囪模型如圖2所示，計(jì)算范圍如下： 模型尺寸：l（長(zhǎng)）b（寬）h（高），其中l(wèi)=0.55.0m，b=0.1m0.5m，h=2.0m5.0m，b/h0.050.25側(cè)面受到太陽(yáng)照射，其表面溫度tw為 300c 700c出風(fēng)口面積與進(jìn)風(fēng)口面積比ar為0.60.8 為使用穩(wěn)態(tài)模型，出風(fēng)口距離煙囪上頂面尺寸取0.1h，使頂部形成較為穩(wěn)定的氣流。3.結(jié)果及討論針對(duì)圖2所示模型，依次研究受熱面溫度tw，煙囪高度h，長(zhǎng)度l,寬度b,出風(fēng)口與進(jìn)風(fēng)口面積之比對(duì)通風(fēng)量的影響，計(jì)算結(jié)果參見(jiàn)圖3-圖6。 由圖中數(shù)值計(jì)算結(jié)果可知，煙囪通風(fēng)量大小不僅與煙囪的高度，進(jìn)、排風(fēng)口面積及太陽(yáng)輻射熱等因素有關(guān)，還與煙囪寬度及出

5、風(fēng)口位置密切相關(guān)。首先當(dāng)煙囪寬度確定時(shí)，隨著煙囪高度的增加，通風(fēng)量并非越來(lái)越大。這是由于在有限空間內(nèi)增加煙囪高度對(duì)換熱的影響主要表現(xiàn)在改變了過(guò)渡區(qū)特別是正在發(fā)展區(qū)的換熱量。而當(dāng)煙囪高度增大到一定值時(shí)，煙囪內(nèi)的有限空間換熱達(dá)到充分發(fā)展區(qū)，此時(shí)，再增加高度對(duì)換熱影響不大，因此通風(fēng)量有所下降，煙囪寬度對(duì)通風(fēng)量的影響由煙囪的寬高比確定，通風(fēng)量達(dá)到最大值時(shí)，煙囪的寬高比約取1/10。其次煙囪對(duì)空氣的抽吸作用是由于煙囪進(jìn)出口的溫度差引起的，從圖中可以看出出風(fēng)口設(shè)在加熱面一側(cè)時(shí)的通風(fēng)量遠(yuǎn)大于設(shè)在非加熱面時(shí)。對(duì)數(shù)值結(jié)果進(jìn)行回歸分析，將通風(fēng)量公式整理為以下形式： （3.1）其中，b為煙囪寬度；c為常數(shù)，b/h0

6、.2時(shí)取0.55，,b/h0.2時(shí)取0.35。此時(shí)可知：通風(fēng)量與高度、溫差、出風(fēng)口與進(jìn)風(fēng)口面積之比關(guān)系分別為：（1）；（2）；（3），即（4）. 與公式（2.1）相比，修正公式考慮了煙囪寬度對(duì)通風(fēng)量的影響，并根據(jù)煙囪寬高比給出了常數(shù)c的參考值。利用修正后的公式與數(shù)值計(jì)算結(jié)果對(duì)比：4.結(jié)論4.1數(shù)值計(jì)算結(jié)果表明煙囪通風(fēng)量與煙囪寬度密切相關(guān)。在有限的煙囪空間內(nèi)，受熱后的空氣不能像大空間那樣自由膨脹，無(wú)限制的增厚熱邊界層，所以空氣平均溫升比自由空間大，密度更小，可以在熱壓作用下產(chǎn)生一定的抽吸力，加快空氣流動(dòng)；而當(dāng)寬度繼續(xù)增大，由此引起的自然通風(fēng)效果將減弱。4.2由計(jì)算公式與數(shù)值計(jì)算結(jié)果對(duì)比可知，煙囪

7、高度4米以下時(shí)，修正公式與數(shù)值計(jì)算結(jié)果比較吻合；當(dāng)高度達(dá)到5米時(shí)，兩者出現(xiàn)偏差，計(jì)算結(jié)果比實(shí)際通風(fēng)量大得多。由此表明，并非煙囪高度越高，實(shí)際通風(fēng)效果越好。4.3通過(guò)本文的研究表明，針對(duì)實(shí)際的工程，合理的進(jìn)行自然通風(fēng)設(shè)計(jì)對(duì)自然通風(fēng)的實(shí)現(xiàn)有著重要的意義。參考文獻(xiàn)：1n.k.bansal, rajesh mathur, m.s.bhandari. solar chimney for enhanced stack ventilationj, building and enviroment, 1993,3(28): 373-3772韓振興，陸維得等，抽吸式自然對(duì)流換熱的實(shí)驗(yàn)研究j，太陽(yáng)能學(xué)報(bào)， vol.13,no.3,july,1992：250-2543l.f.hamdy,m.a.fikky. passive solar v