基于光伏光熱的地下空間太陽能煙囪效應影響因素研究

向　波，余　濤，袁艷平，孫亮亮，曹曉玲

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基于光伏光熱的地下空間太陽能煙囪效應影響因素研究

向波，余濤，袁艷平※，孫亮亮，曹曉玲

（西南交通大學機械工程學院，成都 610031）

提出了將太陽能煙囪效應與太陽能光伏光熱（PV/T）技術(shù)相結(jié)合來強化地下空間通風的技術(shù)措施。為研究該通風模式的影響因素，基于質(zhì)量和熱量平衡理論，建立了風井通風性能的數(shù)學模型，分析了換熱器管排數(shù)、風井高度、熱水水溫和流速對通風性能的影響。結(jié)果表明：風井內(nèi)換熱器存在最大有效管排，管間距為0.032、0.038、0.047 m時換熱器的最大有效管排數(shù)分別為9、13、18，在有效管排數(shù)范圍內(nèi)，隨著管排數(shù)的增加風井出口溫度升高，通風量先增大后減小；空氣質(zhì)量流量隨著風井高度增加、熱水溫度升高明顯增大，隨著熱水流速增大而緩慢增大；風井出口空氣溫度隨著風井高度增加而降低，隨著熱水溫度升高、流速增大而升高。最后，通過擬合得到計算風井空氣質(zhì)量流量的經(jīng)驗公式。

太陽能；傳熱；通風；PV/T；地下空間；通風風井

0 引 言

隨著地下空間（如綜合管廊、地下車庫等）開發(fā)數(shù)量日益增多，地下空間的節(jié)能也越來越受到關(guān)注[1-3]。地下空間因其地勢低且相對封閉，易沉積污染物，需要設置有效的通風系統(tǒng)[4-6]，常用的風機通風設備能耗高，噪音大[7]，而自然通風無需動力設備，是一種節(jié)能環(huán)保的通風方式[8-11]，但其受外界環(huán)境氣象條件影響大，通風量不穩(wěn)定，在實際地下工程應用中具有一定的局限性。為彌補自然通風的不足，常利用太陽能煙囪來強化地下空間自然通風[12-14]。

太陽能煙囪是利用太陽輻射加熱風井的空氣，空氣吸熱產(chǎn)生浮升力，形成煙囪效應達到強化自然通風目的[15-16]。許多學者研究了太陽能煙囪的通風性能并對其結(jié)構(gòu)進行了優(yōu)化[17-18]。近年來，也有不少太陽能煙囪與其他技術(shù)結(jié)合強化自然通風效果的報道，如太陽能煙囪結(jié)合蒸發(fā)冷卻腔、太陽能煙囪結(jié)合地埋空氣換熱器、太陽能煙囪結(jié)合內(nèi)置光伏（PV）驅(qū)動直流風機等技術(shù)措施[19-21]，但這些文獻研究都集中于地上建筑。針對地下建筑，郭敏等[12]提出將太陽能煙囪效應與太陽能熱水器相結(jié)合用于地下建筑通風，并對其通風性能進行理論分析和數(shù)值模擬。結(jié)果表明，太陽能可以滿足該通風換氣方式60%的能量需求，降低了電能等其他形式能源的消耗。

上述關(guān)于太陽能煙囪研究多針對地上建筑，由于地下空間環(huán)境的特殊性，無法建造類似地上建筑的太陽能煙囪，相關(guān)的研究較少。光伏（PV）發(fā)電技術(shù)是一種常見的太陽能利用技術(shù)[22-23]，PV組件接收的太陽能大部分都轉(zhuǎn)化為熱量，使得PV組件溫度升高，從而導致光電轉(zhuǎn)換效率降低[24]。工程中，可采用PV/T技術(shù)通過水或空氣回收發(fā)電時產(chǎn)生的熱量來提高光電轉(zhuǎn)換效率[25-26]。若將太陽能煙囪效應與PV/T技術(shù)相結(jié)合應用于地下空間通風，則不僅可以維持PV組件在較高光電轉(zhuǎn)換效率的溫度范圍內(nèi)，而且PV/T產(chǎn)生的低溫余熱還可用于強化地下空間自然通風，降低地下空間通風能耗，最大限度地提高了太陽能綜合利用效率。

本文提出了太陽能煙囪效應與PV/T技術(shù)相結(jié)合的技術(shù)措施，將PV/T集熱器產(chǎn)生的余熱應用于地下空間通風。文章針對風井部分，分析了其內(nèi)部流動和換熱平衡，建立了風井通風性能的數(shù)學模型，并初步探討了換熱器管排數(shù)、風井高度、熱水水溫和流速對通風效果的影響。

1 風井物理模型

1.1 系統(tǒng)描述

如圖1所示為本文提出的太陽能煙囪效應與PV/T技術(shù)相結(jié)合的通風系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要由光伏光熱（PV/T）集熱器、循環(huán)水泵、換熱器、風井、地下空間和蓄電設備組成。其工作原理為：在晴朗白天，PV/T集熱器發(fā)電可供地下空間用電設備使用，運行時產(chǎn)生的多余熱量通過水帶走，被加熱的水送至風井底部的換熱器，風井底部空氣被換熱器加熱密度減小，風井內(nèi)空氣因密度差產(chǎn)生向上浮升力，從而形成煙囪效應，煙囪效應使得空氣沿著風井上升，此時風井底部空氣由地下空間的冷空氣填充并被持續(xù)加熱，風井內(nèi)將形成穩(wěn)定的上升氣流，可實現(xiàn)地下空間的通風作用。該系統(tǒng)相對獨立，利用太陽能產(chǎn)生的電能和熱量可維持自身系統(tǒng)的運行，不需要消耗外界其他能源。對于偏遠地區(qū)的隧道等地下空間，建設和維護電網(wǎng)的成本都比較高，這些地區(qū)使用該系統(tǒng)供電和通風是經(jīng)濟的選擇，而且充分利用了太陽能，節(jié)約資源。

圖1 太陽能煙囪效應與PV/T技術(shù)相結(jié)合的通風系統(tǒng)

1.2 風井物理模型的簡化

圖2a所示為風井二維物理模型，圖中風井縱向高度為，橫截面為長、寬的矩形，==1 m，風井內(nèi)的換熱器為順排管束，如圖2b，換熱器第1排管距離風井底部′=2 m，管外徑=0.02 m，橫向和縱向管間距分別為1和2，1=2。

風井內(nèi)的傳熱是涉及導熱、對流傳熱和輻射傳熱共同作用的混合動態(tài)傳熱過程，為了簡化問題，現(xiàn)作以下假設：

1）風井內(nèi)形成穩(wěn)定的一維空氣流；

2）風井內(nèi)壁面絕熱；

3）忽略風井內(nèi)輻射傳熱；

4）忽略空氣在風井內(nèi)流動的沿程阻力；

5）忽略風井外部環(huán)境的風壓作用；

6）忽略換熱器水管的熱阻；

7）忽略地下空間內(nèi)部阻力，認為其與室外大氣相通；

8）通過換熱器加熱后的空氣密度保持不變。

注：ρa0、ρa1、ρa2分別為斷面0-0、Ⅰ-Ⅰ、Ⅱ-Ⅱ處空氣密度，kg·m-3；va1和va2分別為斷面Ⅰ-Ⅰ和Ⅱ-Ⅱ處空氣平均流速，m·s-1；ta1和ta2為風井入口和出口空氣溫度，℃；H為風井縱向高度，m；W為風井截面寬度，m；h’為換熱器第1排管到風井底部的距離，m； s1和s2分別為橫向和縱向管間距，m；d為換熱管外徑，m；n為管排數(shù)。

2 風井內(nèi)流動與傳熱數(shù)學模型及求解方法

2.1 流動控制方程

風井內(nèi)空氣流動滿足伯努利方程和連續(xù)性方程，取地下空間底部為基準面0-0，換熱器最下排管處斷面Ⅰ-Ⅰ，風井出口斷面Ⅱ-Ⅱ，則有：

0-0和Ⅰ-Ⅰ斷面的流動平衡方程為：

Ⅰ-Ⅰ和Ⅱ-Ⅱ斷面的流動平衡方程為：

Ⅰ-Ⅰ和Ⅱ-Ⅱ斷面的連續(xù)性方程為：

式中0、1、2分別為斷面0-0、Ⅰ-Ⅰ、Ⅱ-Ⅱ的靜壓，Pa。為簡化問題，認為地下空間與外界相通，靜壓0=2=0，可認為基準面處（0=0）空氣靜止，即a0=0，空氣溫度為20 ℃；0、1、2分別為斷面0-0、Ⅰ-Ⅰ、Ⅱ-Ⅱ的位置標高，m；a0、a1、a2分別為斷面0-0、Ⅰ-Ⅰ、Ⅱ-Ⅱ處空氣密度，kg/m3，a0=a1=1.205 kg/m3；a0、a1、a2分別為斷面0-0、Ⅰ-Ⅰ、Ⅱ-Ⅱ處空氣平均流速，m/s。a1為換熱器底部空氣的來流速度；為重力加速度，m/s2；1和2分別為Ⅰ-Ⅰ和Ⅱ-Ⅱ處風井斷面面積，m2；1為風井空氣入口局部阻力系數(shù)，取值0.5[27]；2為空氣流經(jīng)換熱盤管的局部阻力系數(shù)，參考文獻[28]，可按式（4）計算：

式中為空氣流向的管束縱向排數(shù)；0為對應于管束中單管的阻力系數(shù)。

單位時間內(nèi)被排出地下空間的空氣質(zhì)量a可由下式計算：

2.2 換熱平衡方程

由1.2節(jié)假設可知，風井內(nèi)空氣與換熱器的換熱方式為空氣橫掠管束對流換熱，空氣吸熱量全部來自于水的放熱量，因此換熱器處的熱平衡方程為

式中a1和a2分別為風井入口和出口空氣溫度，℃，a1= 20 ℃；w1和w2分別為換熱器入口和出口水溫，℃；pa為空氣的定壓比熱容，J/(kg·K)；pw為水的定壓比熱容，J/(kg·K)；w為水的密度，kg/m3；w為水的流速，m/s；d為換熱器熱水管的橫截面積，m2；p為換熱器傳熱面積，m2；h為空氣與換熱器之間的平均對流換熱系數(shù)，W/(m2·K)；Δ為換熱器處對數(shù)平均傳熱溫差，℃。

空氣橫掠換熱器管束與管內(nèi)的水換熱可視為順利多次交叉流，當交叉次數(shù)大于等于4時，其平均傳熱溫差可按純順流的平均傳熱溫差計算[29]，其計算公式為

式中Nu為努謝爾特數(shù)；a為空氣導熱系數(shù)，W/(m2·K)。由于風井內(nèi)煙囪效應顯著，可形成穩(wěn)定的空氣流動，故空氣與換熱器傳熱過程可視為橫掠管束的強迫對流傳熱過程，則Nu采用文獻[29]中給出的經(jīng)驗公式計算：

空氣的特征溫度a為膜平均溫度：

2.3 數(shù)學模型求解過程

式（1）－式（15）為風井內(nèi)流動與傳熱過程的完整數(shù)學描述，應用上述數(shù)學模型即可對圖2所示的風井自然通風進行計算。本文采用MATLAB軟件求解上述數(shù)學模型，求解過程如圖3所示。

圖3 數(shù)學模型求解流程圖

3 通風效果影響因素分析

風井內(nèi)的空氣流量是通風效果優(yōu)劣最直觀的體現(xiàn)，而溫度變化產(chǎn)生密度差是空氣流動的驅(qū)動力。本文研究了換熱器管排數(shù)、風井高度和PV/T集熱器產(chǎn)生的熱水溫度、流速對風井出口空氣溫度和空氣質(zhì)量流量的影響。

3.1 管排數(shù)對通風特性的影響

由圖4a可知，風井出口空氣溫度隨著換熱器管排數(shù)的增加而增大，換熱器出口水溫隨著換熱器管排數(shù)的增加而減小。顯然，管排數(shù)越多，換熱器換熱面積越大，空氣被加熱后的溫度越高，水的出口溫度就越低，空氣與換熱器換熱量隨之增加，煙囪效應增強，當管排數(shù)超過一定值后，風井出口空氣溫度上升和換熱器出口水溫度下降達到極限值，空氣與換熱器不再換熱，定義此時的換熱器管排數(shù)為最大有效管排數(shù)，用max表示。當≥max時，為無效管排。最大有效管排數(shù)通常與管間距、管徑、熱水水溫、熱水流速等參數(shù)有關(guān)。圖4a所示情況下，管間距為0.032、0.038、0.047 m時換熱器的最大有效管排數(shù)分別為9、13、18。

從以上結(jié)果及分析來看，風井內(nèi)的換熱器存在有效管排數(shù)，因此后面的分析都是在有效管排數(shù)內(nèi)。

有效管排數(shù)范圍內(nèi)，風井內(nèi)空氣質(zhì)量流量隨管排數(shù)的增加先增加，后減小，如圖4b所示。雖然增加管排數(shù)可以增大換熱面積，但空氣流過換熱器的阻力也會隨之增大。當管排數(shù)小于一定值時，增加管排數(shù)導致的流動阻力增加程度較小，煙囪效應產(chǎn)生的浮升力足以克服流動阻力，使得空氣流速仍會增大，因此增大了風井內(nèi)的通風量。當管排數(shù)增加到一定值后，換熱量和浮升力達到最大，從而空氣質(zhì)量流量達到最大值，再增加管排，流動阻力的增大對速度的影響超過了換熱器加熱對空氣所受浮升力的影響，所以空氣的流速減小，從而通風量減小。管間距為0.032、0.038、0.047 m的換熱器的管排數(shù)分別為6、8、11時空氣質(zhì)量流量達到最大值。所以，在風井內(nèi)布置換熱管時，既要保證足夠的換熱面積，又要避免因管排數(shù)增加導致的流動阻力增加。

a. 出口溫度a. Outlet temperatureb. 空氣質(zhì)量流量b. Air mass flow rates

3.2 風井高度對通風特性的影響

由圖5可知，風井出口空氣溫度隨著風井高度增加而減小，而空氣質(zhì)量流量隨風井高度增加逐漸增大。當換熱器以及換熱器內(nèi)熱水的參數(shù)保持一定時，風井高度增加則煙囪效應增強，從而提高了風井內(nèi)的空氣質(zhì)量流量。

a. 出口空氣溫度a. Outlet air temperatureb. 空氣質(zhì)量流量b. Air mass flow rates

圖5b中風井高度從10 m增加到30 m，水溫為40、50、60 ℃時，空氣質(zhì)量流量分別增加了75.2%、74.5%、73.8%。因此，要得到大的通風量就需要增加風井高度，該結(jié)論與文獻[12]一致。煙囪效應的增強會增大換熱器前端的空氣來流速度，使得空氣與換熱器之間的對流換熱量增加，但空氣流量增加的幅度更大，故出口空氣溫度隨風井高度的增加而降低。雖然增加風井高度有利于通風量的增加，但風井的建造成本也會增加，應根據(jù)地下空間類型選取適宜風井高度。

3.3 換熱器入口水溫對通風特性的影響

換熱器內(nèi)的熱水來自于PV/T集熱器，產(chǎn)生的熱水溫度（即換熱器入口水溫）是影響風井通風效果的重要因素，產(chǎn)生熱水的溫度與太陽輻射強度、PV/T集熱器的面積和連接方式等有關(guān)，一般PV/T集熱器能產(chǎn)生溫度在40～60 ℃之間的低溫熱水[30]。圖6給出換熱器入口熱水溫度對風井出口空氣溫度、空氣質(zhì)量流量的影響，顯然，風井通風效果隨著水溫升高而明顯加強，溫度從40 ℃增加到60 ℃，熱水流速為1、2、3、4 m/s時，空氣質(zhì)量流量分別增加了35.1%、36.8%、37.5%、37.9%。水溫越高，換熱溫差越大，風井內(nèi)空氣吸熱量越大，空氣溫升越高，煙囪效應就越明顯，空氣質(zhì)量流量越大。為保證換熱器入口較高的水溫，可以適當增大集熱器面積，根據(jù)季節(jié)和當?shù)鼐暥却_定集熱器最佳安裝傾角。

a. 出口空氣溫度a. Outlet air temperatureb. 空氣質(zhì)量流量b. Air mass flow rates

3.4 換熱器水流速對通風特性的影響

圖7為風井出口空氣溫度和空氣質(zhì)量流量隨換熱器內(nèi)熱水流速的變化，由圖7可知，二者都隨熱水流速的增大，總體增大的幅度較小。這表明適當增大熱水流速可以加強風井內(nèi)自然通風，但換熱器有一定的換熱效率，當水流速增大到一定數(shù)值后，換熱量基本不變，誘導通風量也趨于穩(wěn)定。當w1為40、50、60 ℃，熱水流速w從1 m/s變化到4 m/s時，空氣的質(zhì)量流量分別增加了9.2%、10.5%、11.5%，可見熱水流速對通風效果影響較小。供水水泵要耗能，因此，需考慮最經(jīng)濟的熱水流速。

3.5 空氣質(zhì)量流量擬合分析

從前文可知，若已知換熱器和風井橫截面參數(shù)，影響風井內(nèi)空氣質(zhì)量流量的主要因素可用函數(shù)定性地描述為

結(jié)合、w1、w對空氣質(zhì)量流量的影響規(guī)律，通過擬合可得計算空氣質(zhì)量流量的經(jīng)驗公式為

式（11）的適用范圍：=10，1=0.038 m，10 m≤≤ 30 m，40 ℃≤w1≤60 ℃，1 m/s≤w≤4 m/s。風井內(nèi)空氣質(zhì)量流量a隨0.512w10.781w0.064的變化情況如圖8所示。對于其他管排數(shù)、管間距的換熱器，也可以采用類似的方法得到相應經(jīng)驗公式。該經(jīng)驗公式可以為基于換熱器的豎井自然通風系統(tǒng)設計提供參考。

a. 出口空氣溫度a. Outlet air temperatureb. 空氣質(zhì)量流量b. Air mass flow rates

圖8 空氣質(zhì)量流量隨H0.512tw10.781vw0.064的變化

4 結(jié) 論

本文在已有研究基礎上，提出將太陽能煙囪效應與PV/T技術(shù)相結(jié)合，采用PV/T集熱器產(chǎn)生的熱水送入換熱器加熱風井空氣以強化地下空間自然通風。基于質(zhì)量和能量守恒，本文建立了風井通風性能的數(shù)學模型，分析了換熱器管排數(shù)、風井高度、熱水水溫和流速對風井空氣質(zhì)量流量和出口空氣溫度的影響，得出以下結(jié)論：

1）采用換熱器加熱風井內(nèi)的空氣，管排數(shù)對通風效果有較大的影響。換熱器存在最大有效管排數(shù)，管間距為0.032、0.038、0.047 m時換熱器的最大有效管排數(shù)分別為9、13、18。在有效管排數(shù)范圍內(nèi)，隨著管排數(shù)的增加風井出口溫度升高，通風量先增大后減小。

2）風井的高度增加，煙囪效應增強，通風量明顯增大，但風井出口的空氣溫度降低。

3）升高換熱器入口水溫可明顯增大風井出口空氣溫度和風井通風量。水流速對通風效果影響較小，適當增大熱水流速可增大通風量，但流速增大到一定數(shù)值后，通風量趨于穩(wěn)定。

4）通過擬合得到計算風井通風換氣量的經(jīng)驗公式。

文章對基于光伏光熱的地下空間太陽能煙囪效應影響因素做了初步研究，但僅建立了風井內(nèi)的通風數(shù)學模型，實際情況中應根據(jù)不同類型的地下空間通風需求，考慮PV/T集熱器（集熱面積、集熱器連接方式）、風井幾何參數(shù)及換熱器布置形式之間的相互匹配問題，上述這些問題將在下一步工作中進行研究。

[1] 劉剛，蔡鵬，張文哲，等. 地下空間在節(jié)能減排中的應用及展望[J]. 環(huán)境科學與技術(shù)，2012，35(6I)：194－197.

Liu Gang, Cai Peng, Zhang Wenzhe, et al. The distribution of underground space in shandong and discussion of energy conservation and emission reduction[J]. Environmental Science & Technology, 2012, 35(6I): 194－197. (in Chinese with English abstract)

[2] 譚儀忠，劉元雪，孫樹國. 地下工程節(jié)能減排研究進展[J]. 地下空間與工程學報，2010，6(S2)：1533－1537.

Tan Yizhong, LiuYuanxue, Sun Shuguo. Review of research on energy-saving and low-emission in underground engineering[J]. Chinese Journal of Underground Space and Engineering, 2010, 6(S2): 1533－1537. (in Chinese with English abstract)

[3] Morfeldt C O. Underground construction on engineering geological terms: A fundamental necessity for the function of metropolitan environments and man’s survival[J]. Physical Chemistry Chemical Physics, 2016, 19(3/4): 149－165.

[4] Ghoreishi-Madiseh S A, Sasmito A P, Hassani F P, et al. Performance evaluation of large scale rock-pit seasonal thermal energy storage for application in underground mine ventilation[J]. Applied Energy, 2017, 185: 1970－1947.

[5] Ghoreishi-Madiseh S A, Sasmito A P, Hassani F P, et al. Heat Transfer analysis of large scale seasonal thermal energy storage for underground mine ventilation[J]. Energy Procedia, 2015, 75: 2093－2098.

[6] Badawiyeh M, Ghaddar N, Ghali K. Case study of trombe wall inducing natural ventilation through cooled basement air to meet space cooling needs[J]. Journal of Energy Engineering, 2017, 143(2): 04016039.

[7] 姜學鵬，付維綱，袁月明，等. 城市地下聯(lián)系通道火災通風排煙設計方法[J]. 科技導報，2013，31(21)：15－20.

Jiang Xuepeng, Fu Weigang, Yuan Yueming, et al. Design method of ventilation and smoke exhaustion against urban traffic link tunnel fire[J]. Science & Technology Review, 2013, 31(21): 15－20. (in Chinese with English abstract)

[8] Khanal R, Lei C. Solar chimney: A passive strategy for natural ventilation[J]. Energy & Buildings, 2011, 43(8): 1811－1819.

[9] 衛(wèi)莎莎，張蕊，吳春玲，等. 天井對濕熱地區(qū)多層辦公建筑的節(jié)能及舒適性影響[J]. 制冷與空調(diào)，2016，30(4)：382－387.

Wei Shasha, Zhang Rui, Wu Chunling, et al. Effect of construction dooryard on the energy saving and thermal comfort of multistory office building in hot and humid area[J]. Refrigeration and Air Condition, 2016, 30(4): 382－387. (in Chinese with English abstract)

[10] 趙阜東，陳保健，焦冠然. 地下建筑可持續(xù)性設計方法:地下建筑自然通風設計研究[J]. 地下空間與工程學報，2006，2(4)：532－538.

Zhao Fudong, Chen Baojian, Jiao Guanran. Sustainable design method for underground building: Underground Building with Natural ventilation[J]. Chinese Journal of Underground Space and Engineering, 2006, 2(4): 532－538. (in Chinese with English abstract)

[11] 姜學鵬，莊煒茜，趙紅莉，等. 通風豎井在地下聯(lián)系通道通風系統(tǒng)中的應用[J]. 地下空間與工程學報，2009，5(6)：1227－1231.

Jiang Xuepeng, Zhuang Weiqian, Zhao Hongli, et al. Application of ventilated shaft in ventilation systemof urban traffic link tunnel[J]. Chinese Journal of Underground Space and Engineering, 2009, 5(6): 1227－1231. (in Chinese with English abstract)

[12] 郭敏，廖義德，談文鑫，等. 基于煙囪效應的地下建筑通風系統(tǒng)研究[J]. 武漢工程大學學報，2010，32(11)：85－87.

Guo Min, Liao Yide, Tan Wenxin, et al. Study of hypogee ventilation system based on chimney effect[J]. Journal of Wuhan Institute of Technology, 2010, 32(11): 85－87. (in Chinese with English abstract)

[13] 高一然. 利用太陽能煙囪的公路隧道自然通風數(shù)值模擬與研究[D]. 西安：長安大學，2015.

GaoYiran. Numerical Simulations and Studies on the Natural Ventilation in Highway Tunnel by Solar Chimney[D]. Xi’an: Chang’an University, 2015. (in Chinese with English abstract)

[14] 馬瑞華，秦堃，劉黔蜀. 太陽能煙囪在地下車庫中強化自然通風的數(shù)值模擬[J]. 制冷與空調(diào)，2016，30(3)：321－324.

Ma Ruihua, Qin Kun, Liu Qianshu. Numerical study of enhanced natural ventilation of solar chimney in underground garage[J]. Refrigeration and Air Condition, 2016, 30(3): 321－324. (in Chinese with English abstract)

[15] Jing H, Chen Z, Li A. Experimental study of the prediction of the ventilation flow rate through solar chimney with large gap-to-height ratios[J]. Building & Environment, 2015, 89: 150－159.

[16] Suárez-López M J, Blanco-Marigorta A M, Pistono-Favero J, et al. Numerical simulation and exergetic analysis of building ventilation solar chimneys[J]. Energy Conversion & Management, 2015, 96: 1－11.

[17] Lei Y, Zhang Y, Wang F, et al. Enhancement of natural ventilation of a novel roof solar chimney with perforated absorber plate for building energy conservation[J]. Applied Thermal Engineering, 2016, 107: 653－661.

[18] 李安桂，郝彩俠，張海平. 太陽能煙囪強化自然通風實驗研究[J]. 太陽能學報， 2009，30(4)：460－464.

Li Angui, Hao Caixia, Zhang Haiping. Experimental study on solar chimney for natural ventilation[J]. Acta Energiae Solar Sinica, 2009, 30(4): 460－464. (in Chinese with English abstract)

[19] Maerefat M, Haghighi A P. Natural cooling of stand-alone houses using solar chimney and evaporative cooling cavity[J]. Renewable Energy, 2010, 35(9): 2040－2052.

[20] Yu Y, Li H, Niu F, et al. Investigation of a coupled geothermal cooling system with earth tube and solar chimney[J]. Applied Energy, 2014, 114(2): 209－217.

[21] Khedari J, Ingkawanich S, Waewsak J, et al. A PV system enhanced the performance of roof solar collector[J]. Building and Environment, 2002, 37(12): 1317－1320.

[22] Atwater H A, Polman A. Plasmonics for improved photovoltaic devices[J]. Nature Materials, 2010, 9(3): 205－213.

[23] águas, Hugo, Mateus T, Vicente A, et al. Thin Film Silicon Photovoltaic Cells on Paper for Flexible Indoor Applications[J]. Advanced Functional Materials, 2015, 25(23): 3592－3598.

[24] 丁文龍，樸在林，張萌，等. 基于恒負載下太陽電池自身溫度對其發(fā)電性能影響的實驗研究[J]. 太陽能學報，2015，36(8)：1854－1858.

Ding Wenlong, Piao Zailin, Zhang Meng, et al. Experimental study on influence of temperature of solar cell on power generation performance under constant load[J]. Acta Energiae Solar Sinica, 2015, 36(8): 1854－1858. (in Chinese with English abstract)

[25] 閆素英，李洪陽，史志國，等. 太陽能電池冷卻用微通道散熱器內(nèi)納米流體換熱特性[J]. 農(nóng)業(yè)工程學報，2016，32(13)：212－217.

Yan Suying, Li Hongyang, Shi Zhiguo, et al. Heat transfer characteristics of nanofluid in microchannel applied on solarcell cooling[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2016, 32(13): 212－217. (in Chinese with English abstract)

[26] Sun L L, Li M, Yuan Y P, et al. Effect of tilt angle and connection mode of PVT modules on the energy efficiency of a hot water system for high-rise residential buildings[J]. Renewable Energy, 2016, 93: 291－301.

[27] 蔡增基，龍?zhí)煊? 流體力學泵與風機[M]. 第四版. 北京：中國建筑工業(yè)出版社，1999：120－121.

[28] 工業(yè)鍋爐設計計算方法編委會. 工業(yè)鍋爐設計計算方法[M]. 北京：中國標準出版社，2005：469－470.

[29] 戴鍋生. 傳熱學[M]. 北京：高等教育出版社，1999，147－150.

[30] 王寶群，姚強，宋薔，等. 光伏/光熱(PVT)系統(tǒng)概況與評價[J]. 太陽能學報，2009，30(2)：193－200.

Wang Baoqun, Yao Qiang, Song Qiang, et al. Photovoltaic- thermal(PVT) systems and their evaluation[J]. Acta Energiae Solar Sinica, 2009, 30(2): 193－200. (in Chinese with English abstract)

Study on influencing factor of solar chimney effect in underground space based on photovoltaic-thermal

Xiang Bo, Yu Tao, Yuan Yanping※, Sun Liangliang, Cao Xiaoling

(610031,)

Pollutants are easy to be concentrated in the underground space because of the low terrain and the enclosure space. Therefore, an effective ventilation system is required to create a clean indoor environment. Ventilation fan is widely used in the underground space, but the fan has high energy consumption and is very noisy. Thus, both energy conservation and environmental protection are significantly important for the design of ventilation system, and solar chimney is a feasible method by using solar energy in order to realize these 2 purposes. Due to the special underground space environment, it’s impossible to construct a solar chimney as the ground building, which must be combined with other technologies. PV (photovoltaic) technology is a common solar energy utilization technology, but most of solar energy irradiating on PV cells is converted into heat when it is operating, resulting in a rising PV temperature and a dropping photoelectric conversion efficiency. In this project, photovoltaic-thermal technology is used to recover the heat of PV cells to maintain a high photoelectric conversion efficiency. This paper proposes a system combining the solar chimney effect with the photovoltaic-thermal technology for the purpose of enhancing the natural ventilation in the underground space. On one hand, this system can maintain the PV temperature at a high photoelectric conversion efficiency. On the other hand, the extra heat can be used in the underground space ventilation. Therefore, the ventilation energy consumption is reduced and the comprehensive utilization efficiency of solar energy is increased. To study the influencing factors of the ventilation system, a mathematical model for evaluating the ventilation performance of the ventilation shaft is established based on the conservation of energy and mass, which is solved by MATLAB software. The influences of heat exchanger tube row, height of ventilation shaft, water temperature and velocity on the ventilation performance are analyzed. Results show that the heat exchanger has a maximum effective tube row in each case, and the tube pitches of 0.032, 0.038 and 0.047 m correspond to the maximum effective tube rows of 9, 13, and 18, respectively. The outlet air temperature increases with the tube row, while the air mass flow rate increases and then decreases with the tube row. The air mass flow rate obviously increases with the height of ventilation shaft and the inlet water temperature, while it slowly increases with the water velocity. The outlet air temperature decreases with the height of ventilation shaft and increases with the water temperature and the water velocity. Finally, an empirical formula for calculating the air mass flow rate is fitted.

solar energy; heat transfer; ventilation; PV/T; underground space; ventilation shaft

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.18.019

TK519

A

1002-6819(2017)-18-0141-07

2017-04-21

2017-08-28

建筑環(huán)境與能源高效利用四川省青年科技創(chuàng)新研究團隊項目 (2015TD0015）；國家自然科學基金面上項目（51678488）

向 波，男，四川遂寧人，博士生，主要從事地下空間可再生能源應用研究。成都 西南交通大學機械工程學院，610031。Email：xiangbo@my.swjtu.edu.cn

袁艷平，男，湖北洪湖人，博士，教授，博士生導師。主要從事地下空間熱濕環(huán)境與安全、地源熱泵、太陽能建筑一體化、相變儲能在暖通領(lǐng)域的應用研究。成都 西南交通大學機械工程學院，610031。Email：ypyuan@home.swjtu.edu.cn