关于竖直式太阳能烟囱优化及其通风性能的探索

  作者：张毅

  近年来，国内外学者对用于建筑中的太阳能烟囱开展了相关研究。Awbi和Gan采用标准k一s湍流模型对太阳能烟囱内的空气流动进行了数值模拟，其结果与已有的实验结果基本一致。AboulNaga和Abdrabboth在干热气候条件下研究组合式太阳能烟囱的性能，结果表明，其诱导通风量是屋顶式太阳能烟囱单独作用时的3倍。Arce通过实验方法研究了一个全尺寸太阳能烟囱在真实气象条件下的热特性和通风性能。Zamora和Kaiser探讨了太阳能烟囱在风热压耦合作用下的通风量和平均努谢尔数Nu随瑞利数Ra的变化关系。Tan和Wong将太阳能烟囱系统应用于新加坡的某一教学建筑，对其自然通风性能进行了实验测试，结果表明，在热湿地区自然通风效果良好。Chungloo开展了屋顶式太阳能烟囱的实验研究，数据表明合理设计房间及有效利用太阳能可使房间温度降低2～4℃I剐。Chen通过模型实验，研究了太阳能烟囱宽高比为1:15—2:5时，其通风量随烟囱倾角的变化情况，得到高1.5 m、宽200 mrn的太阳能烟囱在倾斜角为45 0时通风量最大的结果。Burek和Habeb对热流密度为200～1 000W／m2，通道宽度为20～110 mm的太阳能炯囱内部气流和热效率性能开展了研究。李安桂和郝彩侠探讨了高2 000 mm．长1 000 mm的竖直集热板屋顶式太阳能烟囱模型，实验结果表明，在研究范围内，自然通风量随着烟囱宽度、热流密度的增大而增大。杨启容和杜威研究了一个竖直式烟囱和倾斜式烟囱的串联式结构的通风性能，得到长：宽=12:1时，该炯囱通风量最大。

    综上所述，目前大多数研究都只是针对基于热压诱导作用下的传统Trombe墙式、竖直式和屋顶式结构的太阳能烟囱性能，对风热压耦合作用下太阳能烟囱的优化结构研究较少。本文对竖直式太阳能烟囱进行优化，提出一种基于风压和热压耦合作用的新型结构，通过三维数值模拟，研究其在不同结构参数和操作参数下的通风性能。

1物理模型和工作原理

优化竖直式太阳能烟囱的物理模型和计算区域如图1所示。图2为沿线段ST处的剖面图。该优化结构安置于建筑南外墙上，由竖直式烟囱、外筒、挡板和无色透明百叶组成，百叶片与水平面的夹角为p=45 0。其工作原理如下：吸热板吸收透过玻璃盖板和百叶片的太阳辐射，加热吸热板和玻璃盖板表层空气，使其密度变小而向上流动：一部分室外风进入通道Ⅱ，当其以一定速度流出通道时，对通道I气流形成诱导作用；同时，一部分室外风在外筒上部流过而形成负压，对太阳能烟囱内空气形成诱导作用。优化结构形式在热压和风压作用下，促使空气从房间进入烟囱而形成自然通风。

2计算区域

    如图1所示，太阳能烟囱底部距房间顶板高度BC=500 mm，烟囱长度OP=1 000 mm，通道I高度为1 500 mm，通道I宽度为200 mm，百叶片长度为50 mm。为了准确确定室外风场的影响，需确定合理的风场计算区域，通过不断试算，直到通风量计算数据之间误差小于5%，最后确定计算区域为AB=1 200 mm，CD=1 200 mm，AF=3 000mm，4G=2 400 mm。

3数学模型

3.1控制方程和计算方法

    三维稳态湍流控制方程如下。

式中：x为坐标；u：为x。方向上的平均速度分量；p为空气密度；P为平均压力；v1，v为紊流和层流粘滞系数；昏为i方向上的重力加速度；B为空气膨胀系数：T，T为平均温度和参考点温度；I为广义扩散系数：k为湍流脉动动能；s为流体脉动动能的耗散率；CI，C2为经验系数；G^为湍流动能的产生项；Pr为prandd数；矿。，矿。，呒取经验值。

    采用Boussinesq假设，使用有限容积法求解控制方程，数值模拟采用RNG k-8两方程模型，速度与压力之间的耦合采用SIMPLE算法，对流项的离散格式使用二阶迎风格式，离散方程的求解采用亚松弛TDMA算法。

3.2边界条件

    如图1所示，平面A FLG为速度人口边界条件，速度取值1～5 m/s，室外风垂直此平面进入；平面FEKL和平面DEKJ均为压力出口边界条件，相对总压设为0；平面MNLQ为压力入口边界条件，相对总压设为0；平面ABCDEF、平面GHIJK以及平面ABNPOMHG为对称边界条件；平面CDJ1、平面OPNM和平面BCIHMQLN为壁面边界条件。

    计算域中所有固体壁面速度采用无滑移条件，玻璃盖板和吸热板设置为定热流密度，热流密度由太阳辐射和材料吸收率、透射率得出，取玻璃吸收率a=0.06，透射率r=0.84，吸热板吸收率a，=0.95。外界环境温度设为306 K，房间温度为295K。

3.3网格独立性考核

南于物理模型包括百叶、挡板、外筒等多种面，同时考虑风场区域，其结构复杂，本文采用非结构化网格；为保证模拟的准确性，网格划分时对局部百叶和烟囱内部区域进行加密，局部计算网格如图3所示。

为了使计算结果准确且节省计算资源，进行了网格独立性考核。建立了7套网格，网格数分别为352 902, 440 195, 514 697, 600 855, 709 352,795 123，965 196。通过采用不同网格数计算其通风量，计算结果如图4所示。通过比较，网格数在600 855时计算结果偏差较小，出于节省资源和准确性考虑，本文采用该网格数对模型进行计算。

4模型有效性验证

  为验证本文模型和计算方法的可靠性，对文献[12]实验条件下太阳能烟囱诱导通风进行数值模拟，数值模拟结果与实验结果的对比如图5所示。实验条件下的太阳能烟囱由两块侧板和一块吸热板、一块玻璃盖板组成（高为102.5 cm，长为92.5 cm，宽为20～110 mm，取60 mm)，使用电加热代替太阳辐射，热流密度分别为200，400，600，800，1 000 W／m2。结果表明，数值模拟的太阳能炯囱通风量随着热流密度的增大而增加，与实验结果的趋势一致，且两种结果的偏差小于15%，基本吻合，充分说明本文计算方法的可靠性。

5计算结果与分析

5.1竖直式太阳能烟囱的优化结构与传统结构通风性能比较

竖直式太阳能烟囱的优化结构和传统结构通风量Q随室外风速v和太阳辐射I的变化关系如图6和图7所示。传统结构即南两块侧板、一块玻璃盖板和一块吸热板组成一个空气流通的通道。其中，两种烟囱的宽度、高度和进口尺寸相同，竖直式太阳能烟囱的优化结构外筒高度h=300 mm,通道Ⅱ宽度w=50 mm。

    由图6、7可以看出，在所研究范围内，随着室外风速v和太阳辐射I的增大，两种太阳能烟囱的通风量均呈现增大趋势。由于优化结构在百叶和玻璃盖板间形成了通道Ⅱ，室外空气通过该通道时对太阳能烟囱通道I中的气流形成诱导作用，从而进一步强化了通风性能。计算结果表明：在相同室外风速和相同太阳辐射条件下，优化的太阳能烟囱通风量均高于传统竖直式太阳能烟囱，最大可高出30.5%。在太阳辐射/=400 W／m2,室外风速v从1 m/s增至5 m/s时，优化的竖直式太阳能烟囱通风量增加了166.5%，而传统竖直式太阳能烟囱通风量增加了136.7%;当室外风速v=3 m/s，太阳辐射从200 W／m2增至600 W／m2时，两种太阳能烟囱增幅大致相同。

5.2太阳能烟囱局部流场

图8为优化的竖直式太阳能烟囱局部流场图，通道Ⅱ宽度w分别取50，200，350mm，外筒高度h=300 mm，太阳辐射强度/=400 W/m2，室外风速v=3 m/s。

    由图8可知，当w=50 mm时，室外风进入通道Ⅱ受到玻璃盖板的阻挡，进入外筒的气流转向是竖直向上，对通道I内空气形成良好的诱导作用：在w=200 mm时，玻璃盖板对室外空气的阻挡作用变小，从两边百叶进入的两股气流合在一起阻挡了通道I空气的流出，并且在通道Ⅱ底部由于静压小开始形成涡流；当w=350 mm时，玻璃盖板的阻挡作用变小，在玻璃盖板外侧和外筒中形成两个涡流，极大地诱导通道I空气的流出，此时空气流动分布极不均匀。

5.3外筒高度对通风量的影响

太阳能烟囱优化结构在不同外筒高度^的通风量Q随室外风速v和太阳辐射，的变化分别如图9和图10所示。其中，烟囱外筒高度h的研究范围为0～600 mm，通道Ⅱ宽度w=200 mm。

    从图9,10可以看出，随着烟囱外筒高度的增加，通风量持续增加。在相同烟囱外筒高度下，通风量随室外风速和太阳辐射强度的增加而增大，室外风速和太阳辐射对通风量均起到增益作用。如在v=3m／s，I=400 W/m2时，烟囱外筒高度h从0增加至600 mm时通风量Q增加了73.0%。这是因为：一方面随着外筒高度的增加，增加了烟囱效应：另一方面外筒高度增加使室外风诱导通道I出口气流的时间增长，增加了风压的诱导作用。当室外风速v=3 m/s，太阳辐射每增加100 W／m2时，通风量平均增加0.003 1 kg/s。当太阳辐射/=400W／m2时，室外风速每增加l m/s，通风量平均增加0.024 2 kg/s，说明在条件允许下，室外风速产生的风压对烟囱通风量提升的效果更加明显。

5.4通道Ⅱ宽度对通风量的影响

图11和图12分别为太阳能烟囱优化结构在通道Ⅱ不同宽度w下的通风量Q随室外风速v和太阳辐射，的变化关系图。其中w的研究范围为0～350 mm，固定外筒高度h=300 mm。

    由图11，12可知，随着通道Ⅱ宽度的增加，通风量呈现先增后减再增的趋势，其原因在于：当w为零时，即没有室外风进入通道Ⅱ，不存在室外风压的诱导作用；随着宽度w增大，风压的诱导作用出现并增大，通风量增加：随着w再增大，流进通道Ⅱ的室外风倾斜地从两边百叶流出外筒，在烟囱出口处形成一股空气幕墙，增大了通道I出口处的阻力，随着宽度的增加，进入通道Ⅱ的室外风也在增加，其阻力持续增加，使得宽度w在50～250 mm时，通风量随宽度增大而降低：随着宽度w进一步增加，在外筒上部形成顺时针的涡流，涡流的出现，破坏了空气幕，从而极大地诱导通道I中的气流流出，使通风量增加。在同一宽度下，随着室外风速的增加和太阳辐射的增加，通风量均增加，室外风速和太阳辐射对通风量均起强化作用。值得注意的是，在同一太阳能炯囱宽度下，优化结构的通风量随室外风速增加而增大的幅度高于随太阳辐射强度的增加而增大的幅度，如在太阳能烟囱宽度为50 mm，太阳辐射强度为400W/m2，室外风速从1 m/s增至5m/s时，优化结构的通风量增加了166.5%;而当室外风速v=3 m/s．太阳辐射强度从200 W／m2增至600 W／m2时，优化结构通风量增加了7.7%。

6结论

    本文提出了一种基于风压和热压耦合作用的竖直式太阳能烟囱的优化结构，通过三维数值模拟，研究了该优化的太阳能烟囱在不同的结构参数和操作参数下的通风性能，主要结论如下。

    ①太阳能烟囱的优化结构有效利用了室外风对太阳能烟囱内空气的诱导作用，使其通风性能得到显著提高：在本文研究范围内，室外风速和太阳辐射对通风量均起到增益的作用，优化结构的通风量随室外风速的增加而增大的幅度高于随太阳辐射强度的增加而增大的幅度。

    ②随着外筒高度的增加，通风量持续增大：在室外风速为3 m/s，太阳辐射强度为400 W/m2，外筒高度从0增加至600 mm时，其通风量Q增加73.0%。

③通道Ⅱ宽度从0增至350 mm时，太阳能烟囱内通风量呈现先增大后减小再增大的趋势，在宽度为50 mm附近通风量达到最大。

7摘要：介绍了一种基于风压和热压耦合作用的竖直式太阳能烟囱优化结构，通过i维数值模拟，研究外筒高度h、通道Ⅱ宽度w、室外风速v和太阳辐射强度/对其通风性能的影响。结果表明：在相同工况下，优化结构的太阳能烟囱的通风性能优于传统的竖直式太阳能烟囱；风压和热压对通风量均为增益作用：通风量随外筒高度h的增加而持续增大：当增加通道Ⅱ宽度w时，通风量先增后减再增，在w=50 mm附近通风量达到最大值。