太陽能光導管與自然通風的結(jié)合4

1、太陽能光導管與自然通風的結(jié)合 摘要 自然通風是一種經(jīng)濟且歷史悠久的建筑通風方式, 太陽能光導管則是上世紀80年代末開始在國外普遍流行的一種新型照明裝置，在世界各國對環(huán)境和能源愈加重視并將“節(jié)能減排”做為各國政府的重大任務的今天，兩者以其綠色、生態(tài)、節(jié)能的特色引起了人們的重視，本文介紹了自然通風技術(shù)和太陽能光導管技術(shù)相結(jié)合的相關(guān)要點，對具有自然通風功能的太陽能光導管系統(tǒng)的研究發(fā)展進行了回顧，并對兩種技術(shù)的結(jié)合途徑進行了探討。關(guān)鍵詞 自然通風 太陽能光導管 節(jié)能減排1 引言當前世界各國對環(huán)境和能源的關(guān)注越來越大，“節(jié)能減排”成為各國政府的重大任務，“綠色建筑”、“生態(tài)建筑”成為人們的一種追求。20

2、06年我國建筑總面積為395億m2,占當年社會總能耗的23.1%l，而空調(diào)和照明能耗對于大型公用建筑則占到整個建筑能耗的比例的60%左右。為了達到降低建筑能耗的目的，各種節(jié)能新技術(shù)在建筑領(lǐng)域越來越多地采用，自然通風和太陽能光導管技術(shù)就是這些技術(shù)中的典型代表，都是降低建筑能耗的有效途徑，如果可以把這兩種技術(shù)相結(jié)合，那么不僅可以降低建筑能耗還能降低兩種技術(shù)的實用成本，這將是未來的建筑節(jié)能技術(shù)的一個新發(fā)展方向。2 太陽能光導管與自然通風的結(jié)合2.1 自然通風自然通風(natural ventilation)是一種節(jié)能經(jīng)濟的通風方式，它不消耗動力也可獲得較大的通風換氣量，簡單易行，節(jié)約能源，有利于環(huán)境

3、保護，被廣泛應用于工業(yè)和民用建筑中2-7。自然通風的原理是：依靠室外風力造成的風壓和室內(nèi)外空氣溫度差造成的熱壓使空氣流動，以達到提供給室內(nèi)新鮮空氣和稀釋室內(nèi)氣味和污染物，除去余熱和余濕的目的。自然通風技術(shù)具有以下幾方面的意義：(1). 在不消耗不可再生能源情況下降低室內(nèi)溫度；(2). 排除室內(nèi)廢氣污染物，消除余熱余濕；(3). 引入新風，維持室內(nèi)良好的空氣品質(zhì)；(4). 更好的滿足人體熱舒適。自然通風是一種古老而有效的建筑物通風方式，我國傳統(tǒng)建筑平面布局坐北朝南，講究穿堂風，都是自然通風原理的運用，但自從空調(diào)出現(xiàn)以后，自然通風這種廉價而成熟的通風方式卻逐漸被人遺忘，人們轉(zhuǎn)而專注于使用空調(diào)等強制

4、通風技術(shù)調(diào)節(jié)室內(nèi)空氣。但在能源問題凸現(xiàn)后人們又開始重新研究起自然通風來。自然通風按工作原理可分：熱壓作用下的自然通風、風壓作用下的自然通風以及熱壓風壓共同作用下的自然通風。圖1和圖2發(fā)分別為風壓自然通風和熱壓自然通風形式。圖1 古代中東國家采用的自然通風實例8圖2 太陽能熱壓作用下的“煙囪效應”通風9在2010年上海世博會上，很多展館都將節(jié)能低碳作為自己的特色，自然通風技術(shù)被廣泛應用，具有代表性的日本館除了簡潔明快的半圓輕型結(jié)構(gòu)之外，其頂部的“三洞三角”也與眾不同（如圖3）。“三洞三角”實際上是6根循環(huán)呼吸柱。這些通體透明的巨大錐形空心柱從穹頂向下，貫穿整個日本館內(nèi)部，直達底層的冷卻塔，不僅起

5、著支撐整個建筑物的作用，還通過充分利用光、水、風等自然能源，承擔著更重要的環(huán)保功能。循環(huán)呼吸柱的突起部分可以有效地形成上升氣流，冷卻外部空氣，送入館內(nèi)，以此降低空調(diào)負荷，可以有效解決展示廳的通風換氣問題。（摘自瞭望東方周刊）圖3 2010上海世博會日本館2.2 太陽能光導管太陽能光導管照明是上世紀80年代末在國外普遍流行的一種新型照明裝置，該裝置無需常規(guī)能源就能提供白天室內(nèi)照明，減少由常規(guī)能源帶來的環(huán)境污染，光源取自室外自然光線，通過特殊的傳輸與分配后，導入室內(nèi)需要光線的地方，得到由自然光帶來的特殊照明效果，是一種綠色健康、節(jié)能環(huán)保的新型照明系統(tǒng)10-14。圖4 太陽能光導管太陽能光導管照明系

6、統(tǒng)通過采光裝置聚集室外自然光線并導人系統(tǒng)內(nèi)部，再經(jīng)過高效傳輸后，由系統(tǒng)底部的漫射器將光線均勻照射到室內(nèi)任何需要光線的地方。從黎明到黃昏，甚至是雨天或陰天，該系統(tǒng)導入室內(nèi)的光線均十分充足。2.3 太陽能光導管與自然通風結(jié)合的研究現(xiàn)狀隨著人們對能源問題重視程度的加大，自然通風和太陽能光導管越來越多地運用到現(xiàn)代建筑中，將太陽能光導管與自然通風相結(jié)合，既可以使建筑物利用太陽能實現(xiàn)綠色照明的同時，又可以提高建筑物新風量，降低通風能耗。觀察圖1、圖2和圖4，可以發(fā)現(xiàn)這三種原理不同的裝置在外形和結(jié)構(gòu)上由一定的相似性，這也為光導管與自然通風相結(jié)合提供了可能。光導管和自然通風相結(jié)合的技術(shù)在國內(nèi)外研究的還比較少。

7、英國諾丁漢大學的saffa riffat教授最早從事光導管與自然通風技術(shù)相結(jié)合的研究，他所提出的方法是使用由兩個同軸管道組成光導管系統(tǒng)，如圖5。他在1999年研究了不同的光導管內(nèi)部涂膜材料對自然通風的影響，他們采用對可見光90%反射對紅外光80%透射的雙色材料作為光導管內(nèi)部涂膜。當太陽光通過光導管時，會通過氣流與光導管的壁面換熱，提高氣流溫度，從而提高驅(qū)動自然通風的熱壓，強化自然通風效果15。saffa riffat還和li shao等利用示蹤氣體恒量釋放法研究了與自然通風相結(jié)合的光導管系統(tǒng)的通風效果。實驗采用的實驗箱尺寸為1.3m×1.3m×1.3m，實驗箱內(nèi)部框架是由1

8、5mm厚的刨花板構(gòu)成，為了增加內(nèi)部反射率，內(nèi)側(cè)刷白。實驗所用的光導管管壁用鋁箔制成，內(nèi)涂反射率95%的高反射膜。光導管長2.2m，直徑215mm。排風管直徑250mm，兩管之間距離為15mm。絕緣層是100mm厚的聚苯乙烯。整個管道的直徑為452mm。實驗表明光導管傳輸?shù)奶柤t外線比可見光略少。實驗中在自然排氣的作用下每小時有8次換氣。當箱內(nèi)溫度大概在20時，隨著外部溫度的降低，換氣次數(shù)增加，這是由于排氣作用的加強。隨著箱內(nèi)溫度的增加，換氣次數(shù)會減少。在冬季各種室內(nèi)外溫差下，換氣次數(shù)理論期望值與實驗箱內(nèi)測量值符合的很好16。 圖5 由兩個同軸管道組成太陽能光導管系統(tǒng)152000-2001年，葡

9、萄牙波爾圖大學的szabolcs varga和armando c.oliveira等依據(jù)紊流k-方程建立了由于cfd模擬所使用的光導管和自然通風相結(jié)合組成的復合系統(tǒng)的數(shù)學模型，并采用cfd方法針對如圖6所示的敞口平頂型、敞口半球頂型、傘型和h型等四種不同的出風口末端形式，進行了實驗和模擬研究17,18，認為通風管道末端結(jié)構(gòu)的設(shè)計對自然通風效果影響較大，他們是將光導管布置在排煙道的中央，外部自然光通過光導管導入室內(nèi)，室內(nèi)空氣通過光導管與排煙道之間的環(huán)形通道利用煙囪效應自然排出室外實現(xiàn)自然通風。試驗中，光導管和通風管間隙15mm，末端最外層直徑都是35cm。假定箱內(nèi)外溫差20，模擬三種室外風速（0

10、，2，4m/s）和三種不同風向（水平，斜向上45°和斜向下45°）的情況。他們發(fā)現(xiàn)只有h型末端在三種不同風向的情況下沒有出現(xiàn)氣流倒灌現(xiàn)象，而且體積流量較穩(wěn)定。所以，h型末端是最佳選擇。但這種末端易積水積塵，這樣通風和采光效果會受到影響。傘型末端在風向水平和斜上時，都出現(xiàn)了氣流倒灌現(xiàn)象，效果并不如直徑35cm的末端好，盡管在室外風速很小（2m/s），箱內(nèi)溫差很大（20）的情況下，室外風也會對通風效果產(chǎn)生很大影響，所以在設(shè)計和研究通風管效果的時候，必須考慮到風的影響。風向水平時候，敞口半球頂型末端的通風效果比敞口平頂型要差，但是光導管要求必須要有半球形的采光罩。而在風向斜下和斜

11、上時，半球頂型末端效果比平頂型的好。當風向水平和斜上時，傘型末端降低了通風效果，但在風向斜下的時候，有效的阻止了氣流倒灌的發(fā)生。h型末端在三種不同風向的情況下體積流量較穩(wěn)定且沒有氣流倒灌現(xiàn)象發(fā)生。圖6 波爾圖大學試驗的四種不同出風口末端形式2000年，芬蘭赫爾辛基工業(yè)大學在第六屆世界可再生能源大會上介紹了光導管技術(shù)和自然通風相結(jié)合的研究19，他們利用一個組合結(jié)構(gòu)引導自然光進入建筑物同時將空氣排出，其結(jié)構(gòu)與英國諾丁漢大學saffa riffat教授的設(shè)想一致。中部是涂有高反射物質(zhì)的光導管，其結(jié)構(gòu)與普通光導管類似。光導管外部被環(huán)形空間所包圍，作用是排氣。在管道的上部有一個通風末端用來強化通風和防止

12、逆流。2007年，北京工業(yè)大學“傳熱強化與過程節(jié)能”實驗室建立了太陽能光導管和自然通風相結(jié)合的物理和數(shù)學模型，利用cfd方法對光導管系統(tǒng)的自然通風效果進行模擬，綜合分析了在不同大小和方向的室外風速下，風帽結(jié)構(gòu)、通風管長、管道間距及光導管直徑對自然通風效果的影響。與葡萄牙波爾圖大學的實驗相比，北京工業(yè)大學仍采用四種風帽形式，但他們舍棄了敞口平頂型，而添加了百葉型，如圖7。結(jié)果表明，不同風帽結(jié)構(gòu)對光導管系統(tǒng)的自然通風效果有很大的影響，隨著室外風速的增加及風向的變化，光導管系統(tǒng)通風效果不同，h型風帽在任何風速及風向下均能保持良好的通風狀態(tài)，是光導管系統(tǒng)最佳的風帽形式；管長、管道間距與通風量之間存在最

13、小風量極值點，隨著光導管直徑的增加，系統(tǒng)的通風量增大，光通量也隨之增大，因此在光導管制造成本允許條件下選擇較大的光導管直徑有利于通風和照明20,21。圖7 北京工業(yè)大學試驗的四種不同出風口末端形式北京科技大學吳延鵬，清華大學李曉鋒及北京工業(yè)大學馬重芳、李儀用示蹤氣體濃度衰減法實驗研究了直通型和t型光導管相結(jié)合的自然通風裝置。試驗中通風管道與光導管同軸，套在光導管外，氣流通過通風管道與光導管之間的環(huán)形通道進行空氣交換。光導管內(nèi)部涂膜反射比為0.82，管壁由厚0.5mm 的鋁箔制成，長700mm，直徑為160mm。排氣管直徑為190mm，兩管之間間隙為15mm。排風管最外層均用100mm厚的泡沫保

14、溫材料包裹，最外層用防雨塑料包裝。選用甲烷作為示蹤氣體?？疾炝藢嶒炏鋬?nèi)外溫差相同的條件下直通型和t型兩種不同類型的與光導管相結(jié)合的自然通風裝置在不同進風口開度時的通風效果22。以上各項研究均是針對同軸管道所組成的系統(tǒng)展開研究，所采用的方法有實驗法和cfd模擬法，這些研究大多是針對某些特定的環(huán)境參數(shù)和特定的實驗的裝置的研究，并未對實際設(shè)備進行測量。研究結(jié)果未對所應用的原理給出準確的分析，也沒有得出實際工程中可以方便應用的計算方法，而這些正是這種光導管系統(tǒng)研究設(shè)計與實際應用的最大障礙，為了更好的推廣這種系統(tǒng)，下一步的研究應在繼續(xù)以上研究的基礎(chǔ)上，加強實際裝置的研究開發(fā)，并爭取找到適合工程應用的計算

15、方法。 圖8 具有自然通風功能的太陽能光導管系統(tǒng)在太陽能光導管與自然通風結(jié)合的研究中出現(xiàn)的另一種結(jié)合模式是由某外國公司研制的太陽能光導管系統(tǒng)，如圖8。系統(tǒng)由一套光導管裝置和一套管道式的通風裝置并列安裝組成，分別負責采光與通風，其中通風裝置直徑略小于太陽能光導管直徑，且通風管內(nèi)部安裝風扇，在自然通風能力不足時可輔助以機械通風。這種結(jié)合方式所組成的系統(tǒng)是在同軸式系統(tǒng)理論和計算方法不足的情況下的一種有效替代方法，但由于這種系統(tǒng)的管道平行布置，增大了系統(tǒng)的體積，占用了更多的空間。3 結(jié)論太陽能光導管與自然通風均是綠色低碳的建筑節(jié)能技術(shù)，而且兩者在結(jié)構(gòu)及形式上有相似性，這為這兩種技術(shù)的結(jié)合使用提供了可能

16、。太陽能光導管與自然通風的結(jié)合系統(tǒng)具有相當大的優(yōu)越性，可以使用在各種住宅和公用建筑物中，優(yōu)勢互補，既滿足建筑的通風、采光要求，還可以減少建筑能耗，符合當前發(fā)展低碳經(jīng)濟和節(jié)能減排的要求，順應世界環(huán)境和能源發(fā)展的方向，具有很好的發(fā)展?jié)摿?，但就其技術(shù)研究現(xiàn)狀而言，還需要相關(guān)學者作更多的努力。未來的研究目標應是弄清室外風速、方向和溫度以及這些因素所造成的風壓、熱壓等因素對系統(tǒng)的影響以及系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如直徑、比例，材料等對系統(tǒng)的影響，綜合各種因素提出最優(yōu)的解決方案，盡快制造出合理可行的產(chǎn)品在實際工程中使用。參考文獻1 清華大學建筑節(jié)能研究中心.中國建筑節(jié)能年度發(fā)展研究報告m.中國建筑工業(yè)出版社，2009:4

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