太陽(yáng)能煙囪在強(qiáng)化建筑自然通風(fēng)中的應(yīng)用

1、太陽(yáng)能煙囪在強(qiáng)化建筑自然通風(fēng)中的應(yīng)用 摘要：介紹了太陽(yáng)能煙囪強(qiáng)化自然通風(fēng)的原理、意義及太陽(yáng)能煙囪的實(shí)例應(yīng)用。在總結(jié)了國(guó)內(nèi)外學(xué)者關(guān)于太陽(yáng)能煙囪強(qiáng)化自然通風(fēng)的研究成果的基礎(chǔ)上，提出三種可用于實(shí)際的復(fù)合太陽(yáng)能煙囪系統(tǒng)。 關(guān)鍵詞：太陽(yáng)能煙囪；自然通風(fēng)；生態(tài)建筑；復(fù)合系統(tǒng) 中圖分類號(hào)：s891+.5 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：a 文章編號(hào)： 0 引言 太陽(yáng)能是世界上最豐富的可再生能源，太陽(yáng)能的利用技術(shù)，也一直備受關(guān)注。如何將太陽(yáng)能有效地融入建筑設(shè)計(jì)中以實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能建筑一體化已成為生態(tài)建筑研究的熱點(diǎn)問(wèn)題。太陽(yáng)能煙囪作為被動(dòng)式太陽(yáng)能利用形式之一，最早是由法國(guó)太陽(yáng)能實(shí)驗(yàn)室主任felix trombe教授在1967年提出的，其

2、研究成果在當(dāng)時(shí)引起了人們的普遍關(guān)注。在近幾十年的時(shí)間里，國(guó)內(nèi)外對(duì)太陽(yáng)能煙囪進(jìn)行了大量實(shí)驗(yàn)及數(shù)值模擬研究，提出了各種各樣的太陽(yáng)能煙囪結(jié)構(gòu)形式，并應(yīng)用于室內(nèi)通風(fēng)及其他領(lǐng)域。 1 太陽(yáng)能煙囪強(qiáng)化自然通風(fēng)的原理 太陽(yáng)能煙囪基于熱壓作用下的通風(fēng)原理，巧妙地應(yīng)用太陽(yáng)輻射熱和煙囪的“拔風(fēng)”作用來(lái)強(qiáng)化室內(nèi)自然通風(fēng)。太陽(yáng)能煙囪通過(guò)吸收太陽(yáng)輻射能加熱腔內(nèi)空氣，增大煙囪內(nèi)外溫差從而增強(qiáng)熱壓，同時(shí)利用煙囪效應(yīng)的抽吸作用強(qiáng)化自然通風(fēng)，增加室內(nèi)通風(fēng)量，改善通風(fēng)效果。常見(jiàn)的太陽(yáng)能煙囪形式有：trombe墻體式、豎直集熱板屋頂式、傾斜集熱板屋頂式，另外還有墻壁-屋頂式、輔助風(fēng)塔通風(fēng)式結(jié)構(gòu)等。1 利用太陽(yáng)能煙囪技術(shù)來(lái)強(qiáng)化室內(nèi)的

3、自然通風(fēng)具有很顯著的意義，主要表現(xiàn)為： 1)加強(qiáng)室內(nèi)自然通風(fēng)，能夠提高室內(nèi)空氣質(zhì)量，避免由于空氣質(zhì)量的下降而引發(fā)空調(diào)綜合癥。同時(shí)，太陽(yáng)能煙囪強(qiáng)化室內(nèi)自然通風(fēng)的動(dòng)力為太陽(yáng)能，較之機(jī)械通風(fēng)可節(jié)省風(fēng)機(jī)能耗。 2) 太陽(yáng)能煙囪技術(shù)對(duì)綠色生態(tài)建筑的發(fā)展具有積極的推動(dòng)作用。作為被動(dòng)式太陽(yáng)能利用形式之一，太陽(yáng)能強(qiáng)化通風(fēng)技術(shù)因其設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、造價(jià)低及效果明顯等優(yōu)點(diǎn)而頗受建筑設(shè)計(jì)者的青睞，近年來(lái)成為生態(tài)建筑能源系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的一個(gè)必備的節(jié)能與生態(tài)元素。 2 太陽(yáng)能煙囪強(qiáng)化自然通風(fēng)的影響因素 通過(guò)對(duì)太陽(yáng)能煙囪通風(fēng)效果進(jìn)行研究，尋找可獲得最佳通風(fēng)量的優(yōu)化結(jié)構(gòu)是十分必要的。同時(shí)，以強(qiáng)化室內(nèi)自然通風(fēng)為目的的太陽(yáng)能煙囪能否達(dá)到預(yù)

4、期的通風(fēng)效果，室外氣象條件對(duì)其有何影響也需進(jìn)一步探討。在這方面，國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)太陽(yáng)能煙囪技術(shù)強(qiáng)化自然通風(fēng)進(jìn)行了大量實(shí)驗(yàn)研究、數(shù)值模擬和解析分析。 2. 1 實(shí)驗(yàn)研究 主要通過(guò)對(duì)太陽(yáng)能煙囪結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，尋找能夠達(dá)到最大通風(fēng)量的最佳煙囪結(jié)構(gòu)，以改善自然通風(fēng)效果。bouchair等人用電加熱高1.95m、寬度可變的全尺度實(shí)驗(yàn)太陽(yáng)能煙囪的前后壁，使其保持均一溫度，并測(cè)試了煙囪內(nèi)的通風(fēng)量。實(shí)驗(yàn)表明，存在一個(gè)可以獲得最大通風(fēng)量的寬度與高度比。如果煙囪寬度過(guò)大，在通道中心存在空氣回流現(xiàn)象。2-3 spencer等人在具有均勻熱流量(一側(cè)用電加熱)的小尺度太陽(yáng)能煙囪模型上進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，其煙囪寬度與高度比變化

5、范圍為11525，煙囪的傾斜角可變。實(shí)驗(yàn)表明，隨著煙囪寬度的增大，通風(fēng)量連續(xù)增大，但沒(méi)有發(fā)現(xiàn)最佳的煙囪寬度。同時(shí)發(fā)現(xiàn)在相同結(jié)構(gòu)尺寸下當(dāng)傾斜角度為45時(shí)，煙囪達(dá)到了最大通風(fēng)量，比豎直煙囪的通風(fēng)量要高出45%。4 2.2 數(shù)值模擬 gan等人應(yīng)用三維cfd技術(shù)研究了影響trombe墻體性能的參數(shù)，表明通風(fēng)量隨蓄熱墻溫度、高度、寬度、厚度以及太陽(yáng)輻射照度而改變，且存在最佳煙囪寬度與高度比的觀點(diǎn)。5,6 harris等人采用聯(lián)合熱網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的cfd模型研究了sc傾斜角、墻壁面發(fā)射率等因素對(duì)誘導(dǎo)通風(fēng)量的影響。7 2.3 解析分析 翟曉強(qiáng)等人通過(guò)對(duì)太陽(yáng)能煙囪進(jìn)行數(shù)值解析分析，得出增加太陽(yáng)輻射強(qiáng)度以及太陽(yáng)能煙

6、囪長(zhǎng)度的增加均可加強(qiáng)太陽(yáng)能煙囪的自然通風(fēng)效果，提高太陽(yáng)能煙囪的通風(fēng)效率。此外，隨著環(huán)境溫度的升高，太陽(yáng)能煙囪的通風(fēng)量將隨之降低，但是，通風(fēng)量的下降幅度較小，因此，在夏季炎熱地區(qū)，太陽(yáng)能煙囪仍可發(fā)揮積極的通風(fēng)作用。8 楊衛(wèi)波等人通過(guò)對(duì)太陽(yáng)能通風(fēng)式屋頂進(jìn)行數(shù)值解析分析，得出隨屋頂傾角的逐漸增大，空氣流量會(huì)增大，但當(dāng)傾角大于60后，基本上保持不變，且排熱量會(huì)下降。這說(shuō)明，為了獲得較好的通風(fēng)與排熱效果，屋頂?shù)膬A角不宜過(guò)大，根據(jù)建筑設(shè)計(jì)可控制在3060。9 bansal等人的研究表明，帶有輔助風(fēng)塔的自然通風(fēng)系統(tǒng)，在較低的風(fēng)速下通風(fēng)效果改善仍然很明顯，當(dāng)室外風(fēng)速為1.0m/s、太陽(yáng)輻射照度為700w/m2

7、時(shí)，通風(fēng)量從0.75kg/s增加到1.3kg/s。10 3 太陽(yáng)能強(qiáng)化自然通風(fēng)在建筑中的應(yīng)用 3.1 應(yīng)用實(shí)例 澳大利業(yè)林茨省的linz設(shè)計(jì)中心主要由玻璃包維著大面積的展覽區(qū)域構(gòu)成，建筑采用雙層玻璃幕墻，類似于trombe墻。新鮮空氣從地板的小口和大廳四周的通風(fēng)口進(jìn)入，室內(nèi)的熱空氣則由于熱壓作用被排至屋頂?shù)臒峄厥掌髦?。為了保證在不適宜的天氣情況下廢氣仍能順利被排走，在屋頂設(shè)置了一個(gè)阻流板式的封蓋物，這是一個(gè)7 m寬的構(gòu)建，內(nèi)側(cè)突起，利用“文丘里效應(yīng)”保證室內(nèi)空氣的散發(fā)。11 3.2 復(fù)合應(yīng)用 太陽(yáng)能強(qiáng)化自然通風(fēng)的建筑結(jié)構(gòu)主要有屋面太陽(yáng)能煙囪、trombe墻以及與建筑一體化安裝的太陽(yáng)能空氣集熱器

8、。它們可以單獨(dú)設(shè)置來(lái)強(qiáng)化自然通風(fēng)，但是，為了在夏季達(dá)到更好的降溫效果，通常將這些作法與其它建筑結(jié)構(gòu)復(fù)合成一個(gè)有組織的自然通風(fēng)系統(tǒng)。本文中，結(jié)合國(guó)內(nèi)外的一些生態(tài)建筑通風(fēng)做法，提出以下三種方案供設(shè)計(jì)參考，見(jiàn)下圖。 （a）地面蒸發(fā)冷卻與傾斜式復(fù)合系統(tǒng)（b）trombe墻與傾斜式復(fù)合系統(tǒng) （c）trombe墻與屋面蒸發(fā)冷卻復(fù)合系統(tǒng) 4 結(jié)論 太陽(yáng)能煙囪作為被動(dòng)式太陽(yáng)能利用形式之一，是一種極具發(fā)展?jié)摿Φ奶?yáng)能-建筑一體化技術(shù)，它對(duì)于強(qiáng)化室內(nèi)自然通風(fēng)、改善室內(nèi)空氣品質(zhì)、降低室內(nèi)熱濕負(fù)荷等都具有重大意義，是生態(tài)建筑中一個(gè)必備的節(jié)能與生態(tài)元素。 本文通過(guò)介紹國(guó)內(nèi)外的研究成果，總結(jié)出： 1. 太陽(yáng)輻射強(qiáng)度與室外

9、氣溫的增加對(duì)改善通風(fēng)墻的性能是有利的。利用太陽(yáng)能煙囪強(qiáng)化熱濕地區(qū)室內(nèi)的自然通風(fēng)及改善空氣品質(zhì)是完全可行的。 2. 對(duì)trombe墻式太陽(yáng)能煙囪面寬度與高度的增加有助于改善太陽(yáng)能通風(fēng)墻的性能，但空氣層厚度不能盲目的增大。當(dāng)寬度過(guò)大時(shí)，腔內(nèi)會(huì)出現(xiàn)回流，降低通風(fēng)量。 3. 太陽(yáng)能通風(fēng)屋頂?shù)膬A角與集熱板絕熱層厚度均不宜過(guò)大，其值根據(jù)具體情況可分別控制在3060及0.10.3m的范圍內(nèi)。當(dāng)要考慮單位面積空氣的排熱量時(shí)，寬厚比大的截面形狀是有利的。 4. 當(dāng)太陽(yáng)能煙囪和其他設(shè)備結(jié)合使用時(shí)往往可以達(dá)到更好通風(fēng)效果，而且還可以增加太陽(yáng)能煙囪的效能。 5. 可開(kāi)發(fā)太陽(yáng)能煙囪供暖，當(dāng)太陽(yáng)能煙囪冬季運(yùn)用于建筑供暖時(shí)

10、既可以為室內(nèi)提供合適的溫度，又可以保證足夠的新風(fēng)，兼顧節(jié)能和舒適。 太陽(yáng)能煙囪通過(guò)利用可再生能源，能有效改善建筑熱環(huán)境、降低空調(diào)耗能，越來(lái)越被人們所重視。然而，在具體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，要結(jié)合建筑設(shè)計(jì)的具體要求，綜合考慮建筑所處地域、建筑外立面美觀及經(jīng)濟(jì)性等來(lái)決定其形狀與尺寸。 參考文獻(xiàn)： 1左潞，鄭源等太陽(yáng)能強(qiáng)化煙囪技術(shù)在強(qiáng)化室內(nèi)自然通風(fēng)中的研究進(jìn)展j暖通空調(diào)，2008，(10)，41-47 2bouchair a，fitzgerald d，tinker j a，moving air using stored solar energyc proceedings of 13th national pa

11、ssive solar conference cambridge:massachusetts，1988：33-38 3bouchair a，solar chimney for promoting cooling ventilation in southern algeriaj building serve eng res technol，1988，15：81-93 4 spencer s, chen z d, li y. experiment investigation of a solar chimney natural ventilation systemcproceedings of s

12、eventh international conference on air distribution in rooms.uk,2001: 813-818 5gan g，riffat s ba numerical study of so1ar chimney for natural ventilation of building with heat recoveryjapplied thermal engineering，1998，18(12) ：1171-1187 6gan g，a parametric study of trombe walls for passive cooling of buildingsj. energyand buildings，1998，27(1：37-43 7harris d j，helwiq nsolar chimney and building ventilationj.applied energy,2007,84(2):135-146 8 翟曉強(qiáng)，王如竹太陽(yáng)能強(qiáng)化自然通風(fēng)理論分析及其在生態(tài)建筑中的應(yīng)用j工程熱物理學(xué)報(bào)，2004，(4)，568-570 9 楊衛(wèi)波，施明恒等太陽(yáng)能通風(fēng)式屋頂強(qiáng)化通風(fēng)性能的研究j建筑熱能通風(fēng)空調(diào)，2007，(6)，10-13 10bansal n k，mathur r,bhand