太陽能煙囪在強化建筑自然通風中的應用

1、太陽能煙囪在強化建筑自然通風中的應用 摘要：介紹了太陽能煙囪強化自然通風的原理、意義及太陽能煙囪的實例應用。在總結(jié)了國內(nèi)外學者關于太陽能煙囪強化自然通風的研究成果的基礎上，提出三種可用于實際的復合太陽能煙囪系統(tǒng)。 關鍵詞：太陽能煙囪；自然通風；生態(tài)建筑；復合系統(tǒng) 中圖分類號：s891+.5 文獻標識碼：a 文章編號： 0 引言 太陽能是世界上最豐富的可再生能源，太陽能的利用技術，也一直備受關注。如何將太陽能有效地融入建筑設計中以實現(xiàn)太陽能建筑一體化已成為生態(tài)建筑研究的熱點問題。太陽能煙囪作為被動式太陽能利用形式之一，最早是由法國太陽能實驗室主任felix trombe教授在1967年提出的，其

2、研究成果在當時引起了人們的普遍關注。在近幾十年的時間里，國內(nèi)外對太陽能煙囪進行了大量實驗及數(shù)值模擬研究，提出了各種各樣的太陽能煙囪結(jié)構(gòu)形式，并應用于室內(nèi)通風及其他領域。 1 太陽能煙囪強化自然通風的原理 太陽能煙囪基于熱壓作用下的通風原理，巧妙地應用太陽輻射熱和煙囪的“拔風”作用來強化室內(nèi)自然通風。太陽能煙囪通過吸收太陽輻射能加熱腔內(nèi)空氣，增大煙囪內(nèi)外溫差從而增強熱壓，同時利用煙囪效應的抽吸作用強化自然通風，增加室內(nèi)通風量，改善通風效果。常見的太陽能煙囪形式有：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、輔助風塔通風式結(jié)構(gòu)等。1 利用太陽能煙囪技術來強化室內(nèi)的

3、自然通風具有很顯著的意義，主要表現(xiàn)為： 1)加強室內(nèi)自然通風，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，太陽能煙囪強化室內(nèi)自然通風的動力為太陽能，較之機械通風可節(jié)省風機能耗。 2) 太陽能煙囪技術對綠色生態(tài)建筑的發(fā)展具有積極的推動作用。作為被動式太陽能利用形式之一，太陽能強化通風技術因其設計簡單、造價低及效果明顯等優(yōu)點而頗受建筑設計者的青睞，近年來成為生態(tài)建筑能源系統(tǒng)設計中的一個必備的節(jié)能與生態(tài)元素。 2 太陽能煙囪強化自然通風的影響因素 通過對太陽能煙囪通風效果進行研究，尋找可獲得最佳通風量的優(yōu)化結(jié)構(gòu)是十分必要的。同時，以強化室內(nèi)自然通風為目的的太陽能煙囪能否達到預

4、期的通風效果，室外氣象條件對其有何影響也需進一步探討。在這方面，國內(nèi)外學者針對太陽能煙囪技術強化自然通風進行了大量實驗研究、數(shù)值模擬和解析分析。 2. 1 實驗研究 主要通過對太陽能煙囪結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設計，尋找能夠達到最大通風量的最佳煙囪結(jié)構(gòu)，以改善自然通風效果。bouchair等人用電加熱高1.95m、寬度可變的全尺度實驗太陽能煙囪的前后壁，使其保持均一溫度，并測試了煙囪內(nèi)的通風量。實驗表明，存在一個可以獲得最大通風量的寬度與高度比。如果煙囪寬度過大，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)的小尺度太陽能煙囪模型上進行了實驗，其煙囪寬度與高度比變化

5、范圍為11525，煙囪的傾斜角可變。實驗表明，隨著煙囪寬度的增大，通風量連續(xù)增大，但沒有發(fā)現(xiàn)最佳的煙囪寬度。同時發(fā)現(xiàn)在相同結(jié)構(gòu)尺寸下當傾斜角度為45時，煙囪達到了最大通風量，比豎直煙囪的通風量要高出45%。4 2.2 數(shù)值模擬 gan等人應用三維cfd技術研究了影響trombe墻體性能的參數(shù)，表明通風量隨蓄熱墻溫度、高度、寬度、厚度以及太陽輻射照度而改變，且存在最佳煙囪寬度與高度比的觀點。5,6 harris等人采用聯(lián)合熱網(wǎng)絡技術的cfd模型研究了sc傾斜角、墻壁面發(fā)射率等因素對誘導通風量的影響。7 2.3 解析分析 翟曉強等人通過對太陽能煙囪進行數(shù)值解析分析，得出增加太陽輻射強度以及太陽能煙

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

7、時，通風量從0.75kg/s增加到1.3kg/s。10 3 太陽能強化自然通風在建筑中的應用 3.1 應用實例 澳大利業(yè)林茨省的linz設計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口進入，室內(nèi)的熱空氣則由于熱壓作用被排至屋頂?shù)臒峄厥掌髦小榱吮ＷC在不適宜的天氣情況下廢氣仍能順利被排走，在屋頂設置了一個阻流板式的封蓋物，這是一個7 m寬的構(gòu)建，內(nèi)側(cè)突起，利用“文丘里效應”保證室內(nèi)空氣的散發(fā)。11 3.2 復合應用 太陽能強化自然通風的建筑結(jié)構(gòu)主要有屋面太陽能煙囪、trombe墻以及與建筑一體化安裝的太陽能空氣集熱器

8、。它們可以單獨設置來強化自然通風，但是，為了在夏季達到更好的降溫效果，通常將這些作法與其它建筑結(jié)構(gòu)復合成一個有組織的自然通風系統(tǒng)。本文中，結(jié)合國內(nèi)外的一些生態(tài)建筑通風做法，提出以下三種方案供設計參考，見下圖。 （a）地面蒸發(fā)冷卻與傾斜式復合系統(tǒng)（b）trombe墻與傾斜式復合系統(tǒng) （c）trombe墻與屋面蒸發(fā)冷卻復合系統(tǒng) 4 結(jié)論 太陽能煙囪作為被動式太陽能利用形式之一，是一種極具發(fā)展?jié)摿Φ奶柲?建筑一體化技術，它對于強化室內(nèi)自然通風、改善室內(nèi)空氣品質(zhì)、降低室內(nèi)熱濕負荷等都具有重大意義，是生態(tài)建筑中一個必備的節(jié)能與生態(tài)元素。 本文通過介紹國內(nèi)外的研究成果，總結(jié)出： 1. 太陽輻射強度與室外

9、氣溫的增加對改善通風墻的性能是有利的。利用太陽能煙囪強化熱濕地區(qū)室內(nèi)的自然通風及改善空氣品質(zhì)是完全可行的。 2. 對trombe墻式太陽能煙囪面寬度與高度的增加有助于改善太陽能通風墻的性能，但空氣層厚度不能盲目的增大。當寬度過大時，腔內(nèi)會出現(xiàn)回流，降低通風量。 3. 太陽能通風屋頂?shù)膬A角與集熱板絕熱層厚度均不宜過大，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)。當要考慮單位面積空氣的排熱量時，寬厚比大的截面形狀是有利的。 4. 當太陽能煙囪和其他設備結(jié)合使用時往往可以達到更好通風效果，而且還可以增加太陽能煙囪的效能。 5. 可開發(fā)太陽能煙囪供暖，當太陽能煙囪冬季運用于建筑供暖時

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，兼顧節(jié)能和舒適。 太陽能煙囪通過利用可再生能源，能有效改善建筑熱環(huán)境、降低空調(diào)耗能，越來越被人們所重視。然而，在具體結(jié)構(gòu)設計時，要結(jié)合建筑設計的具體要求，綜合考慮建筑所處地域、建筑外立面美觀及經(jīng)濟性等來決定其形狀與尺寸。 參考文獻： 1左潞，鄭源等太陽能強化煙囪技術在強化室內(nèi)自然通風中的研究進展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，王如竹太陽能強化自然通風理論分析及其在生態(tài)建筑中的應用j工程熱物理學報，2004，(4)，568-570 9 楊衛(wèi)波，施明恒等太陽能通風式屋頂強化通風性能的研究j建筑熱能通風空調(diào)，2007，(6)，10-13 10bansal n k，mathur r,bhand