太陽能煙囪強化自然通風在建筑節能中的應用研究

王云山 王蘭 楊晶

摘 要：該文通過數值模擬主要研究了太陽能煙囪高度、深度之間的優化關系，以及空氣質量流量與太陽能煙囪幾何尺寸之間的關系。得到了NuL取得最大值時，在105 ≤ RaL ≤ 1012范圍內，（b/L）opt的關聯式。RaL值越高，NuL取得最大值時，（b/L）opt越小。得到了無量綱質量流量M取得最大值時（b/L）opt的值，在RaL相同時，它大于NuL取得最大值時的（b/L）opt值，且同時優化太陽能煙囪內空氣的傳熱和流動性能是不可行的。

關鍵詞：太陽能煙囪 通風 節能

中圖分類號：TK519 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）05（c）-0012-02

太陽能煙囪作為一項改善建筑熱環境、有效降低空調耗能，同時能夠創造可持續發展的綠色建筑技術越來越被人們所重視。太陽能煙囪技術是指它的一個或多個壁面是由玻璃蓋板構成的透明墻體，利用透過透明玻璃的太陽輻射熱增大煙囪內外的溫差從而增加空氣的浮力和熱壓，利用煙囪效應的抽吸作用強化自然對流換熱，使流速增大，增大室內通風量，改善通風效果，從而使房間達到通風、降溫、排除有害氣體的目的，太陽能煙囪的應用研究對于推動新能源與生態建筑一體化具有重要意義[1-2]。

該文主要研究了太陽能煙囪高度、深度之間的優化關系，以及空氣質量流量與太陽能煙囪幾何尺寸之間的關系。

1 計算模型

圖1中，1為玻璃蓋板，2為集熱墻，進口為A，集熱墻厚度為E，煙囪寬度為b，高度為L，空氣由室內進入進口在煙囪內向上經出口流出。UWF條件指墻體溫度均勻為Tw，下面分析中b/L=0.005～0.5，A/L=E/L=0.1。在純粹自然對流中，浮力導致的流動強度可用瑞利數Ra來判定：

（1）

若瑞利數小于108，浮力驅動的對流為層流；瑞利數大于108 時，為湍流。

基于壁面L的GrL數為[3]：

（2）

1.1 控制方程

在室內空氣流動計算中的浮升力項采用Oberbeck–Boussinesq近似，假定在垂直方向上浮升力項除了密度變化外，流體的熱物性參數為常數，假定墻體為絕熱壁面，熱流量均勻，則穩態、二維、不可壓縮、紊流的Navier–Stokes方程可以簡化為[4]：

式中Uj，T和P分別為平均速度，平均溫度和平均壓降，β是熱膨脹系數。為湍流應力，為熱通量，假定：

（6）

νt為湍流運動粘度，Prt為湍流普朗特數，Sij是平均應變張量，可由下式計算：

為Kr?necker變量，k為湍流動能，。假定湍流普朗特數Pr=0.86。

1.2 邊界條件

在壁面上，對于平均和紊流速度分量采用無滑移邊界條件。UWF條件指墻體溫度均勻且為Tw，進口壁面絕熱，壁面1為絕熱壁面，對于層流情況，采用非對稱加熱，紊流計算中，壁面上k=0。出口的垂直斷面上，平均壓降采用，k的初始值由紊流強度I給定，，為煙囪入口平均流速。在入口上I=（3/2）I22，w=k/vt在自然對流中，由于入口上初始流速值預先未知，在出口斷面上假定P=0。此外忽略速度分量、溫度的變化及紊流動能[5]。

2 模擬結果與分析

基于壁面L的平均Nusselt數：

（7）

L指墻體高度，對于墻體2，L為L-A，Nux為局部Nusselt數，Nux=hxL/k，hx為局部傳熱系數。煙囪內無量綱質量流量：M=m/ρν，m為煙囪內單位寬度上的質量流量（kgm-1·s-1）[6]。

對于層流，圖2給出了在105≤RaL≤108時，NuL1（外壁1）和NuL2（內壁2）。圖3給出了在105≤RaL≤108時的M值。在外壁1上，（b/L）opt= 0.235，0.150，0.090和0.058時，RaL = 105，106，107和108取得最大值。在內壁2上，（b/L）opt= 0.220，0.125，0.079和0.050時，RaL=105，106，107和108取得最大值。RaL值越高，NuL取得最大值時，（b/L）opt越小。

從圖3中可以看到在RaL=106，105，107和108層流時，無量綱質量流量M隨b/L的變化趨勢。（b/L）opt=0.325，0.240，0.205和0.225時，M取得最大值，在湍流，RaL=107，108，109，105和1012時，對應于（b/L）opt=0.240，0.285，0.150，0.080和0.076時，M取得最大值。在RaL相同時，M取得最大值時，（b/L）opt的值大于NuL取得最大值時的（b/L）opt值。因此，同時優化太陽能煙囪內空氣的傳熱和流動性能是不可行的。

從圖4a–c，可以看出在RaL=108，5×1010和1012湍流時，NuL1和NuL2隨b/L的變化情況。RaL值越高，NuL取得最大值時，（b/L）opt越小。

從圖2和圖4的數值模擬結果中，可以得到在105≤RaL≤1012范圍內的如下近似表達式：

（b/L）opt = 1.500-0.1868（ln RaL）+8.031× （8）

10-3（ln2 RaL）-1.160×10-4（ln3 RaL）

3 結論

（1）得到了NuL取得最大值時，在105 ≤RaL≤1012范圍內，（b/L）opt的關聯式。RaL值越高，NuL取得最大值時，（b/L）opt越小。

（2）得到了無量綱質量流量取得最大值時（b/L）opt的值，在RaL相同時，它大于NuL取得最大值時的（b/L）opt值。因此，同時優化太陽能煙囪內空氣的傳熱和流動性能是不可行的。

參考文獻

[1] Tarazi N K.Model of a Trombe wall[J].Renewable Energy， 1991，1（3-4）：533-541.

[2] Ji E， Yi H，He W，et al.PV-Trombe wall design for buildings in composite climates [J].Journal of Solar Energy Engineering，Transactions of the ASME， 2007，129（4）：431-437.

[3] 薛宇峰，蘇亞欣.太陽能煙囪結構對通風效果影響的數值研究[J].暖通空調， 2011，41（10）：79-83.

[4] 趙平歌.太陽能煙囪增強熱壓自然通風的計算研究[J].西安工業學院學報，2004，24（2）：181-184.

[5] 蘇亞欣，柳仲寶.太陽能煙囪自然通風的一維穩態模型[J].土木建筑與環境工程，2011，33（5）：102-107.

[6] EBacharoudis，M G Vrachopoulos.Study ofthe natural convection phenomena inside a wall solar chimney with one wall adiabatic and one wall under a heat flux[J].Applied Thermal Engineering，2007，27（13）：2266-2275.