太陽能通風器的研究應用

胡 洋

(深圳市立方建筑設計顧問有限公司，廣東深圳 518038)

0 引言

建筑節能是目前我國現行的一項重大政府決策，其重要性和必要性已引起全社會的廣泛關注。節約能源，保護環境，實現可持續發展，成為我國的一項基本國策。隨著社會經濟的飛速發展，居民住宅的逐漸增多，我國每年建筑能耗增長率都大大超過社會總能耗的增長，而目前我國的節能建筑只占不到10%的比例［1］，控制建筑用能處于我國長期發展戰略的核心地位。建筑節能是一項系統工程，它包括從開始的建筑總體規劃、設計、材料及采暖、通風、給排水、電氣等各種具體技術措施，并且不同的地區對應不同的節能方式。

目前我國已針對不同地區下達了不同的建筑節能指標，以降低單位建筑面積的能耗。實現建筑節能最有效的手段就是自然能源的利用，而太陽能無疑是最優的選擇之一。利用太陽能加熱空氣，空氣的密度差在一定的高度上形成熱壓差，從而形成通風動力，可驅動和加強建筑內部的通風換氣，即所謂的“煙囪效應”。太陽能通風可以通過建筑自身的一體化設計實現，也可通過附加太陽能通風器加強通風。太陽能通風器是通過自然通風實現節能思路下的一個新的技術路線，目前國內還沒有過多關于此方面的研究。本文通過對通風器建立數學模型，并通過實驗測量通風器在特定環境下的通風量，分析了通風量與太陽輻射的關系以及通風器的各項性能指標，對太陽能通風器在節能建筑中的運用具有十分重要的指導意義。

1 數學模型

太陽能通風器的研究可歸屬為管道流，所不同的是流動的動力并不是來源于傳統的水泵或風機，而是通風管道本身，因為通風器內部設置的太陽能吸熱裝置在吸收日射后升溫并加熱周圍空氣，附壁上流的空氣通過湍流將動量傳遞給離壁較遠處空氣，從而形成通風器內整體的氣流上升之勢。所以，通風器本身集中了動力和阻力兩個對立的矛盾，這就使得通風器的構造及尺寸的選擇上不能通過改變某一尺寸而得到線性相關的通風量，而必須綜合權衡阻力、動力、經濟性等各項指標取得最大性價比。對于動力熱壓，可通過下式計算得到:

其中，ΔPT為通風器上下斷面之間的壓差，Pa;ρw，ρn分別為通風器外部、內部空氣的密度，kg/m3;Tw，Tn分別為通風器外部、內部空氣的溫度，℃;H為通風器高度，m。其中，Tn為關于通風器高度H變化的函數。

根據質量守恒定律，通風器的通風質量定義如下［2］:

其中，Q為質量流量，kg/s;ρ0為出口空氣密度;g為重力加速度;Ao為出口面積，m2;Ar為出口面積與進口面積之比;T0，Tr分別為出口、室內空氣溫度;Cd為流量系數。

單位面積的吸熱材料的能量平衡方程為［3］:

其中，α為吸熱板的吸熱率;I為太陽輻射強度;τ為通風器透光材料的透射系數;Tp為吸熱材料表面溫度;hf為吸熱材料與通風器內部空氣之間的對流換熱系數;UL為吸熱材料的熱損失系數。其中，hf和UL的確定參見文獻［3］。

沿通風器豎向的空氣流動能量平衡方程為［4］:

邊界條件:x=0;Tn=Tr。

“你這些玉器陰氣很重，我看多半是陪葬的冥器。”老道嘴上說著，手上也沒停下，他靈巧地調整著那些便宜的玉石珠寶的擺放位置。“從款式上來看，也不像是‘九竅塞’，多半是墓主生前喜歡的器物，死后一起下葬了。大概是墓主死得不甘，內有蹊蹺，才使得這批玉器沾染上了晦氣啊。”

其中，Cp為空氣的定壓比熱;Δx為通風器豎向微元長度;w為吸熱材料總寬度。

通過式(4)，可求得通風器內的豎向溫度分布為:

由此可得通風器內的空氣平均溫度:

將方程(5)代入式(1)，還可求得通風器的動力熱壓。

2 物理模型

太陽能煙囪通常有太陽能集熱墻體(Trombe墻)和太陽能集熱屋面兩種典型結構，后者的特點是由上部蓋板(通常為透明蓋板)、下部吸熱板以及中間的空氣流道共同組成房間的排風系統［5］。太陽能集熱屋面又分為豎直式和傾斜式兩種結構形式。此外，還有墻壁—屋頂式(Wall-Roof)的太陽能煙囪、輔助風塔通風的太陽能煙囪等。對于既有建筑，則通過附加單獨的太陽能煙囪輔助通風，如圖1所示。目前，在歐美國家，太陽能煙囪已被應用于被動式太陽房，并成為太陽房的主要組成部分。

太陽能煙囪不僅可以用于民用建筑的通風，也可用于需要通風換氣的工業廠房及種植溫室，但首先需要考慮的是當地是否具有豐富的太陽能資源。通風器的關鍵參數為太陽能利用系數和通風器的阻抗，設計時必須注意:

1)內部吸熱材料的吸收率要大，布置時要盡量減小對氣流流動的影響。

2)通風器的吸熱裝置盡可能不要被其他物體阻擋，盡量讓其豎向截面垂直于日射方向，以便盡可能多的吸收太陽輻射。

3)排風通道的阻抗要盡可能小，重量應盡可能的輕。

4)使通風器出口處于風壓負壓區，以便利用風壓加強通風和防止氣流倒灌。

5)盡量將太陽能煙囪與其他建筑構件如風塔、天井、樓梯間結合成整體系統，以達到更好通風效果。

3 實驗及分析

實驗選取過渡季節陽光輻射較為強烈且風力較小天氣進行。通風器為自制，高度為4 m，斷面為0.8 m×0.8 m矩形。為減輕重量，通風器的固定框架選用PE管，以三通作為連接件。吸熱材料為黑色絲布，沿通風器長度方向布置在通風器的對角面上。通風器外部用透明塑料薄膜包裹，如圖2所示。

圖1 太陽能煙囪示意圖

圖2 通風器模型及斷面圖

4 結語

圖2中，截面圖中的四個“*”代表測點布置位置，在通風器進口和出口斷面分別以此布置四個溫度測點，以測量T0，Tr;Tp采用激光測溫儀測得，為減小誤差，以測量多個斷面平均溫度加權計算確定。

以下為太陽輻射強度及部分實驗結果曲線(見圖3，圖4)。

圖3 太陽輻射強度變化曲線

圖4 單位體積通風量變化曲線

從圖3，圖4曲線的變化規律可以看出，單位體積通風器的通風量的總體變化規律與水平太陽輻射照度的變化規律相似，通風量隨著輻射照度的增加而增加，早晨和下午較小，中午最大，即太陽輻射越強烈，通風量越大，而此時建筑所需通風量也會增大，也就是主、被動因素的變化趨勢相同，這是太陽能通風區別其他空調設計的重要特征。

對于實驗所用通風器，單位體積通風器的平均通風量為0.076 m3/s，單位長度阻抗值為1.08 kg/m7，平均太陽輻射利用系數為0.162 7。若是按照此標準給建筑通風，一幢普通的現代建筑所需的通風器的體積就會非常龐大，即使造價不高，龐大的體積也會使得施工非常不便。對于太陽能不是十分豐富的地區，實用性將會更低。另外，太陽輻射利用系數值也較低，原因在于多方面，但主要是因為吸熱板大部分面積與日射角度太小的原因。

圖3顯示，正午時的太陽輻射最強烈，通風量也最大，但圖5的曲線卻表明，正午的太陽輻射利用系數卻最低。原因在于正午太陽高度角最大，輻射方向基本與通風器的側面平行，日射在吸熱材料的有效投影面積很小，吸收的太陽能相對較少，所以利用系數就相應較小。若是通風器在安裝時，設定一定的角度或是可以根據日射方向隨時調整角度以便增大有效輻射面積，則利用率就會大大提高，但要綜合考慮調整角度后，通風器的鉛直高度減小會削弱通風器的通風能力。

圖5 太陽輻射利用系數變化曲線

1)以實驗所用通風器材料為標準，單位體積通風器的通風量為0.076 m3/s;單位長度阻抗為1.08 kg/m7;太陽輻射平均利用系數為 0.162 7。

2)利用太陽能來加強建筑的自然通風可以大大降低建筑空調能耗，但其技術尚處于不成熟階段，形式和材料的標準也沒統一和普及，其初投資和施工難度也很高，所以目前還不具備廣泛推廣的條件。但是太陽能通風器迎合了開發太陽能的綠色發展方向，迎合了建筑節能的主流，所以高效經濟的太陽能通風器的研發必然是今后建筑節能的一項重大戰略舉措。

［1］付祥釗.建筑節能［D］.重慶:重慶大學，2006.

［2］Bansal NK，Mathur R，Bhandari MS.Solar chimney for enhanced stack ventilation［J］.Building and Environment，1993(28):373-377.

［3］Bansal NK.Modeling of window-sized solar chimneys for ventilation［J］.Building and Environment，2005(40):1302-1308.

［4］何 云.數值模擬在太陽能煙囪通風效應研究中的應用［D］.昆明:云南師范大學，2006.

［5］蘇 醒.太陽能煙囪的通風效應及應用研究［D］.上海:同濟大學，2005.