屋頂式太陽能煙囪對廠房氣流組織的影響

薛宇峰

上海郵電設計咨詢研究院有限公司

自然通風可有效降低建筑能耗中一次能源的使用率，由于其驅動力（熱壓及風壓）受到各種客觀因素的制約，自然通風的使用推廣受到限制。太陽能煙囪（Solar Chimney，簡稱SC）技術可有效提高自然通風效率、加強通風換氣的效果，從二十世紀下半葉開始迅速發展。

太陽能煙囪技術在建筑通風領域的應用形式相對固定，從結構上分主要有豎直式，傾斜式及復合式。其運行原理基本相同（見圖1），太陽能輻射通過透明材料進入通道后被蓄熱材料吸收，加熱通道內空氣，使熱氣流上升，從而增強室內自然通風的效果，提高室內空氣品質。馬瑞華等人[1]對豎直式太陽能煙囪強化地下車庫自然通風模型進行了數值模擬研究，以攀枝花環境條件為例，得出了最佳煙囪寬高比約為1:6且通風換氣次數能滿足相關設計規范要求的結論。宣永梅等人[2]通過理論分析認為太陽能煙囪通風效果受到長寬深及傾斜角等煙囪本身結構特性的影響，并指出傾斜式太陽能煙囪比豎直式具有更好的通風效果。傅俊萍、秦雯[3]通過數值模擬結合試驗測試的方法研究了我國冬冷夏熱地區太陽能煙囪的傳熱及流動特性，結果表明存在可獲得最大自然通風量的最佳煙囪寬度，且煙囪通風效果受到室外溫度及風速的較大影響。

圖1 太陽能煙囪運行原理圖

然而，目前對太陽能煙囪通風技術的研究主要集中于民用建筑領域，在工業建筑中應用的研究相對較少。對于一些有內熱源的工業廠房，由于內部空間高大、內熱源散熱量大等原因不適合采用機械通風，自然通風是其主要通風形式。于是研究如何提高廠房的自然通風效率就有較大現實意義。本文針對帶內熱源廠房的自然通風進行研究，通過數值模擬方法對不同形式的太陽能煙囪如何影響廠房自然通風特性進行探索。

1 模型

1.1 帶太陽能煙囪廠房的物理模型

本文以上海某工業廠房為研究對象，其基本尺寸為長×寬×高＝40m×24m×20m，截面如圖2a所示。人員的活動高度一般在2m以下，故本文將人員活動區域高度設為2m，發熱量以200W/m2的負荷估算值。室外為標準大氣壓為101325Pa，根據國標GB50019-2015[4]規定，通風設計時夏季室外環境溫度應根據實際出現的本地區夏季通風室外計算溫度確定，取上海夏季通風室外計算溫度31℃（304K）為室外環境溫度。參照類似廠房工業爐的散熱量計算公式確定出模型中熱源總的散熱量約為250kW，熱源表面的平均溫度為300℃。

選取四種不同類型的太陽能煙囪（相對高度相同）分別與廠房結合，參見圖2b～e。選取時根據以下原則：1）考慮到廠房設計之初所需要滿足的工藝操作要求，改造方案盡可能不影響原有內部空間分配。2）考慮到陰雨天氣時太陽能輻射不足的情況，盡可能保留原有通風天窗。3）改造方案需要具備工程建設可行性。太陽能煙囪通道寬度3m，傾斜角度為45°。根據中國氣象科學局數據，自1971～2000年間上海地區八月平均日照輻射量為356.7W/m（2已將多云、陰雨天氣折算為平均輻射量）[5]。

圖2 廠房改造方案截面示意圖

1.2 數值模型

本文采用FLUENT軟件對帶太陽能煙囪廠房的自然通風效果進行模擬。根據文獻[6]和文獻[7]對FLUENT的幾種模型從工程中應用和理論有具體的比較，本文選用的Realizablek-ε湍流模型，在靠近壁面處采用標準壁面函數法來處理。考慮到廠房實際情況中內熱源的存在，在帶有局部熱源的問題中，DO輻射模型是這種問題最合適的計算方法。

本文所模擬的廠房和內熱源的分布較為規則，采用非均勻網格，熱源，出風口，進風口及太陽能煙囪網格劃分的較密，廠房內部網格稍稀。使用分區劃分網格的形式，都采用六面體網格。在計算過程中，不斷細化網格，最終得到計算結果與網格無關（網格數量增加1倍時計算結果誤差小于1%）。室內網格步長為20～30cm。

1.3 模型有效性驗證

為驗證本文數值模擬的可靠性，先使用本文的數值模型對文獻[8]實驗條件下的自然通風過程進行模擬，并將模擬結果與其實驗數據進行對比，吻合度較高，如圖3所示。

圖3 改造前后集卷處Y=6m溫度實測值和模擬值的對比

2 模擬結果及討論

2.1 通風特性比較

為了更好地表征太陽能煙囪對建筑物自然通風效果的促進作用，引入太陽能煙囪效率：

式中：ηs為太陽能煙囪效率，%；Qs代表帶有太陽能煙囪建筑物的通風量，m3/h；Qp代表具有相同幾何結構條件下不帶有太陽能煙囪建筑物的通風量，m3/h。

ηs能很好地表現出太陽能煙囪對同一建筑物自然通風效果的影響，同時也可用來對比不同類型太陽能煙囪在某建筑上的適用程度，ηs＞1時說明該太陽能煙囪能提高通風效果；ηs≤1則說明該建筑物不適用太陽能煙囪技術。

不同類型帶太陽能煙囪廠房的數值模擬結果見表1。

表1 太陽能煙囪對廠房自然通風效果的影響

由表1中太陽能煙囪效率所示，經改造的廠房在通風效果上均比未經改造的廠房原型有不同程度的提高。通過“通風量提高率”一欄的數值可以看出，I型SC廠房通風量增加最多，IV型次之，III型增加較少，而II型幾乎沒有增加。人員活動區域平均風速與通風量密切相關，其大小順序與通風量一致。

2.2 人員熱舒適性評價

簡單的通風量，溫度及風速的比較無法完全表征廠房內人員熱舒適度，故引入PMV/PPD指標進行評價。PMV（Predicted Mean Vote）指標是由丹麥Fanger教授最先提出的[9]。Fanger在大量實驗的基礎上，通過對人體與環境傳熱及平衡的研究，提出了包括室溫、相對濕度，風速，輻射溫度，衣著和人體活動強度六個影響人體熱舒適的主要因素在內的熱舒適方程式，而后他在這個方程的基礎上總結歸納出了可以較為客觀全面評價室內熱舒適性程度的PMV指標，PMV值在-3至+3之間，越靠近0說明人體熱舒適性越高。

由于環境的熱舒適度是一個主觀評價的指標，PMV無法代表所有人的舒適滿意程度。因此，Fanger為了體現人與人之間不同的生理差別，又提出了PPD（Predicted Percentage of Dissatisfied）指標來預測人們對環境的不滿意程度。PPD指標值在0～100%之間，數值越低說明人員不滿意率越少。

根據PMV/PPD的計算公式，得出各廠房改造方案評價指標如表2所示：

表2 廠房改造方案PMV/PPD指標

由計算結果可以看出III型熱舒適條件最好，I型次之，未經改造廠房原型的不滿意人數百分率最多。

2.3 車間內溫度場及速度場分析

根據上述分析，綜合來看I型和III型的太陽能煙囪對帶熱源工業廠房的通風效果較好，I型的通風換氣效果最佳而III型對人員舒適度的改善最明顯。因此下面對這兩種類型的太陽能煙囪廠房做進一步分析。

圖4～圖7分別表示了SC-I型與SC-III型廠房內部溫度、速度分布。在速度矢量圖上可以看出，III型廠房在左右進風口角落里有較小范圍的漩渦，人員活動區整體氣流流動較為均勻，在高度Z=10左右有兩個范圍較大的渦旋。I型廠房在高度Z=1m以下區域氣流組織相對紊亂，而由于出風口位置影響在高度Z=10左右兩個大渦流比III型廠房中的分布更對稱。從溫度分布圖上可以看到在人員活動區域（Z＜2m）I型廠房溫度更高，這可能是受氣流組織混亂影響所致，但在高度Z＞10m后I型廠房溫度分布相對III型較低，這通常是廠房行吊車的工作高度，在出口處的溫度差異更為明顯，III型出口溫度則為310K，比I型高出了近2K。

圖4 SC-I型廠房溫度分布圖

圖5 SC-I型廠房速度矢量圖

圖6 SC-III型廠房溫度分布圖

圖7 SC-III型廠房速度矢量圖

通過分析可以認為在太陽輻照相對穩定（陰雨天氣較少）地區可采用SC-III型的廠房形式，在人員活動范圍內有較好的降溫效果。如有高空作業任務的情況下SC-I型具有更好的適用性，并且在光照不足或者陰雨天氣下利用廠房內部熱壓進行自然通風效果要優于III型，因為I型保留了兩扇出風天窗。

3 結論

1）本文利用CFD 方法模擬研究了由文獻[8]所提供的熱源廠房，并將模擬結果與實驗數據進行對比驗證，證明此次模擬所建立的模型是比較成功的，從而驗證了計算機數值模擬的有效性。

2）引入太陽能煙囪對廠房進行增強自然通風效果的改造，本文建立了4種不同形式帶太陽能煙囪的廠房，通過與原型的對比發現在溫度與風速上有不同程度的優化。

3）對SC-I型與SC-III型進行溫度場與速度場詳細的分析，通過詳細的對比得出兩種太陽能煙囪廠房不同的適用情況：白天天氣晴朗地區可采用SC-III型廠房。需保證穩定通風效果或者有高空行吊作業的廠房更適宜采用SC-I型。