建筑室內熱羽流與太陽能煙囪效應耦合性能研究

郝亞燁，雷勇剛，杜保存

（太原理工大學 土木工程學院，山西 太原 030024）

0 引言

隨著建筑能耗和建筑面積的不斷增加，利用可再生能源已經成為國內外建筑節能研究的熱點[1]。太陽能煙囪技術在強化自然通風、提高室內熱舒適性和新能源發電等方面得到了廣泛的應用，極大地提升了太陽能綜合利用率[2]～[4]。

國內外學者對建筑太陽能煙囪的通風性能開展了大量的研究。Kong Jing對傾斜屋頂式太陽能煙囪進行數值研究，發現其最佳傾斜角度在45～60°，其具體數值取決于緯度和使用季節[5]。Hussain研究了屋頂式太陽能煙囪集熱器的進風口形狀對太陽能煙囪性能的影響，結果表明，當進風口具有垂直的橫截面時，通道整體通風性能達到最優[6]。Wang Yi研究室內高溫熱源對建筑熱環境的影響時發現，熱源的對流及輻射對帶有浮升力驅動通風的熱環境有很大的影響，增強了室內空氣的流動[7]。Wang Haoyu提出了一種太陽能煙囪與水墻的組合系統，通過減少玻璃面板的厚度和控制水冷壁組件的著色，使煙囪通風率分別提高了7.3%和5.2%[8]。Elghamry Rania提出了一種太陽能煙囪和地埋換熱管相結合的新型系統，實驗結果表明該系統可使室溫降低4.5℃，日換氣次數可達45次[9]。

通過以上研究可見，目前對建筑太陽能煙囪的研究多集中在結構參數及環境參數對其性能的影響。在實際應用中，一些變電站機房、數據機房等室內存在高熱源的建筑，利用太陽能煙囪進行自然通風時，熱源近表面處產生熱浮力羽流[10]～[12]，存在太陽能煙囪效應與室內熱源熱羽流相互耦合作用。針對這一問題，本文建立了太陽能煙囪與建筑內熱羽流共同作用的多物理場耦合的三維數值模型；針對太陽輻射強度I，內熱源熱流密度W，內熱源距地高度Z和內熱源表面發射率ε對太陽能煙囪自然通風性能影響進行研究；為太陽能煙囪強化自然通風技術在室內具有高溫內熱源的建筑中的應用提供參考和依據。

1 物理模型

太陽能煙囪與建筑室內熱羽流共同作用的多物理場耦合的三維物理模型如圖1所示。房間的幾何尺寸為3 200 mm×3 200 mm×3 000 mm。室內熱源尺寸為800 mm×800 mm×1 000 mm，置于房間正中央。太陽能煙囪設置于建筑南側外墻，包括豎直段和傾斜段兩部分，傾斜段與水平方向夾角為45°。太陽能煙囪外側為玻璃蓋板，內側為集熱面，中間為空氣通道。房間北側墻體設置500 mm×200 mm的新風口，其下邊緣距地200 mm。煙囪入口STVU的幾何尺寸為1000 mm×200 mm，煙囪寬度RQ為1 000 mm，豎直段高度WQ為1 500 mm，傾斜段長度WN為1 500 mm。

圖1 物理模型Fig.1 Physical model

太陽能煙囪與建筑室內熱羽流共同作用的工作原理：在太陽輻射及室內熱源的共同作用下，室內空氣通過煙囪下部入口進入空氣通道；太陽光照射到玻璃蓋板，一小部分被玻璃蓋板吸收增溫，絕大部分被太陽能煙囪內側的集熱墻體吸收。通道內的空氣被加熱，密度減小，與外部空氣形成密度差，促使室內空氣流動并通過太陽能煙囪通道排出室外，增強自然通風和改善室內空氣品質。

2 數值模擬方法

2.1 控制方程和計算方法

利用Fluent軟件對上述模型進行數值模擬分析。模型中室內氣流及太陽能煙囪內部氣流運動屬于湍流流動，采用RNGκ-ε模型，其三維穩態湍流控制方程如下。

式中：ui為xi方向上的平均速度分量，m/s；xi為坐標，i=1，2，3；ρ為空氣密度，kg/m3；P為平均壓力，Pa；νt，ν為湍流和層流粘滯系數；gi為i方向上的重力加速度，m/s2；β為空氣膨脹系數，1/K；T，T∞為平均溫度和參考點溫度，K；Γ為廣義擴散系數；κ為湍流脈動動能；ε為流體脈動動能的耗散率；c1，c2為經驗系數；Gk為湍流動能的產生項；Pr為普朗特數；σk，σε，σt為經驗系數。

采用Boussinesq假設來處理動量方程中的浮力項，使用有限容積法離散控制方程，采用RNG湍流模型求解。由于內熱源的存在，引入DO輻射模型同時解決墻體輻射和氣體參與的影響。模型中采用SIMPLE算法進行速度和壓力耦合，對流項的離散格式為二階迎風格式。

2.2 邊界條件

如圖1所示：平面LIJK為壓力入口，室外新風經由平面LIJK進入室內；平面MNPO為壓力出口，其相對總壓設置為零；平面RQWZ、平面ZWNM、平面TSYX和平面XYPO為壁面邊界條件；房間墻體為壁面邊界條件，內表面與室內熱源進行輻射換熱。

計算域中所有固體壁面為無滑移條件，玻璃蓋板和集熱墻的熱流密度通過太陽輻射強度及材料的物性參數計算得出。玻璃蓋板吸收率α1=0.06，透射率τ=0.84；吸熱板吸收率α2=0.95；室外環境溫度為300 K；大氣壓力為101.325 kPa。

2.3 計算網格

通過CFD前處理軟件Gambit對物理模型進行幾何建模與網格劃分。采用非結構化四面體網格，同時在太陽能煙囪內部、熱源壁面處、墻壁內表面等換熱流動強烈的區域進行局部網格加密，以提高模擬結果的準確性。建立了7套網格來進行網格獨立性考核，網格數分別為143 938，182 226，251 199，346 482，520 901，651165，702 828。圖2為網格獨立性考核結果，通過分析不同網格數下的計算通風量發現，第5套網格的計算通風量與相鄰兩套網格的計算通風量偏差小于1%，結果穩定。考慮計算結果準確性和節省計算資源，選擇第5套網格進行模擬計算。

圖2 網格獨立性考核結果Fig.2 The grid independence test and verify

2.4 模型有效性驗證

在文獻[13]實驗條件下的太陽能煙囪參數：高度1 025 mm，長度為925 mm；通道寬度80 mm；太陽輻射強度分別為200，400，600，800，1 000 W/m2。采用上述模型和計算方法對相同結構及邊界條件的太陽能煙囪建模，進行數值模擬計算，并以通風量為主要評價指標，將模擬結果與實驗數據進行對比（圖3）。由對比結果可知，模擬數據與實驗測量值總體趨勢一致，且偏差小于10%，在誤差允許的范圍之內。這充分說明了本文采用的模型及計算方法的有效性。

圖3 數值模擬結果與實驗數據對比Fig.3 The comparison of the experiment data and the simulation data

3 結果與分析

3.1 太陽輻射強度I對通風量的影響

圖4為在不同內熱源熱流密度和不同內熱源距地高度下，太陽能煙囪通風量隨太陽輻射強度I的變化曲線。其中：太陽輻射強度I=200～1 200 W/m2；內熱源表面熱流密度W=0～3 000 W/m2；內熱源距地高度Z=0～600 mm；內熱源表面發射率ε=0.8。

圖4 通風量隨太陽輻射強度的變化Fig.4 Variations of ventilation rate with solar radiation intensity

圖4（a）表明，當熱源距地高度Z為300 mm時，太陽能煙囪內通風量在不同內熱源熱流密度下的變化趨勢大致相同。隨著太陽輻射強度的增大，煙囪通風量呈上升趨勢。當內熱源表面熱流密度W=0，即內熱源表面無熱羽流時，隨著太陽輻射強度I從200 W/m2增至1200 W/m2，太陽能煙囪通風量由0.103 m3/s增至0.126 m3/s，最大增幅為22.3%。當內熱源表面熱流密度W為3 000 W/m2時，太陽能煙囪通風量在不同太陽輻射強度下的最大增幅為14.3%。這說明隨著內熱源表面熱流密度的增加，太陽輻射強度對通風量的影響逐漸減小。在設置有太陽能煙囪和具有內部熱源的建筑中，太陽能煙囪和熱源對自然通風具有耦合作用。隨著太陽輻射強度的增大，集熱墻吸收更多熱量，使得煙囪通道內空氣溫度升高，密度差增大，由此產生的氣流浮升驅動力逐漸增大，促使通風量增大。隨著內熱源表面熱流密度的增大，熱源表面熱羽流與室內空氣自然對流換熱，加大了浮力熱羽流對通風量的影響，內部熱源對自然通風的作用增大，太陽輻射強度對通風量的影響逐漸減小。

圖4（b）表明，內熱源表面熱流密度W為2 000 W/m2時，通風量隨著太陽輻射強度的增大呈現遞增的趨勢，但增大的幅度會隨著內熱源距地高度的增加而輕微減小。內熱源距地高度Z=0時，太陽輻射強度I從200 W/m2增至1 200 W/m2時，通風量從0.118 m3/s增至0.138 m3/s，增幅為16.9%。當內熱源距地高度Z為600 mm時，太陽能煙囪的通風量在不同太陽輻射強度下相對增幅為15.7%。

3.2 內熱源熱流密度W對通風量的影響`

圖5為在不同太陽輻射強度I和不同內熱源距地高度Z的情況下，太陽能煙囪通風量隨內熱源表面熱流密度W的變化曲線。內熱源表面熱流密度W為0～3 000 W/m2；內熱源表面發射率ε為0.8。

圖5 通風量隨內熱源熱流密度的變化Fig.5 Variations of ventilation rate with indoor heat source intensity

圖5（a）表明，當內熱源距地高度Z為300 mm時，太陽能煙囪通風量隨著內熱源表面熱流密度的增大呈上升趨勢，通風量的增加幅度隨著太陽輻射強度的增加而逐漸減小。當太陽輻射強度I為200 W/m2時，隨著內熱源表面熱流密度W從0逐漸增至3 000 W/m2，太陽能煙囪通風量由0.103 m3/s增至0.127 m3/s，最大增幅為23.3%。當太陽輻射強度I為1 200 W/m2時，太陽能煙囪通風量相對增幅為13.9%。當內熱源表面熱流密度W增大時，熱源表面與室內空氣的換熱強度增加，熱源表面處的熱浮力羽流強度增大，帶動更多室內氣流進入太陽能煙囪內部，使其通風量增大。當太陽輻射強度增大時，煙囪部分受熱增多，通道內空氣升溫導致的密度差產生浮升力，促使氣流向上流出，降低了室內熱源熱流密度對通風量的影響。

圖5（b）表明，當太陽輻射強度I為800 W/m2時，隨著內熱源表面熱流密度的增大，太陽能煙囪通風量逐漸增大，且隨著內熱源距地高度的增加，通風量的增幅加大。當W=3 000 W/m2，Z=600 mm時，通風量達到最大值，為0.140 m3/s。當Z=0，即內熱源直接置于地面上，內熱源表面熱流密度由0增至3 000 W/m2時，煙囪通風量由0.118 m3/s增至0.136 m3/s，增幅為15.6%。

3.3 內熱源距地高度Z對通風量的影響

圖6為在不同太陽輻射強度和不同內熱源表面熱流密度下，太陽能煙囪通風量隨著內熱源距地高度Z的變化曲線。內熱源距地高度取值為0～600 mm。

圖6 通風量隨內熱源距地高度的變化Fig.6 Variations of ventilation rate with the height of the heat source from the ground

圖6（a）表明，在太陽輻射強度不同時，隨著內熱源距地高度的增大，煙囪通風量均會平緩增加；太陽輻射強度越大，通風量增加幅度越小。當太陽輻射強度I為200 W/m2時，隨著內熱源距地高度Z從0增至600 mm，太陽能煙囪通風量由0.118 m3/s增至0.121 m3/s，最大增幅只有2.5%；當太陽輻射強度I為1200 W/m2時，內熱源距地高度對通風量的影響不足1.9%。

由圖6（b）可知，當W=0，即內熱源表面熱流密度為零時，內熱源表面與室內空氣無溫度差，此時改變內熱源距地高度Z，太陽能煙囪通風量維持不變。當內熱源表面熱流密度逐漸增大時，增加內熱源距地高度可在一定程度上增加太陽能煙囪通風量；當W=3 000 W/m2時，隨著內熱源距地高度Z從0增至600 mm，煙囪通風量由0.136 m3/s增至0.140 m3/s，增幅為2.9%。在本文范圍內，增加內熱源距地高度Z，在一定程度上增強內熱源熱羽流與進風口新風的對流擾動。

3.4 內熱源表面發射率ε對通風量的影響

圖7為在不同太陽輻射強度、內熱源表面熱流密度下，太陽能煙囪通風量隨內熱源表面發射率ε的變化曲線。

圖7 通風量隨內熱源表面發射率的變化Fig.7 Variations of ventilation rate with the indoor heat source surface emissivity

由圖7（a）可知，在不同的太陽輻射強度下，太陽能煙囪通風量會隨著內熱源表面發射率ε的增大而增加。隨著太陽輻射強度的增大，內熱源表面發射率ε對通風量的影響逐漸降低。內熱源表面發射率ε由0.2增至0.8時，對應I=200 W/m2和I=1 200 W/m2的情況，太陽能煙囪通風量增幅分別為5%和3.5%。

由圖7（b）可知，在太陽輻射強度一定的情況下，內熱源表面熱流密度越強，增大內熱源表面發射率ε對煙囪通風量的影響越明顯。因為熱源表面發射率越高，內熱源與室內空氣、內墻的輻射換熱強度越高，熱源表面熱浮力羽流加強了內熱源與室內空氣的自然對流效果，增大了煙囪通風量。

由圖7（c）可知，當太陽輻射強度與內熱源表面熱流密度為固定值，內熱源表面發射率ε由0.2增至0.8時，對應Z=0和Z=600的情況，太陽能煙囪通風量增幅分別為1.1%和2.0%。可見內熱源距地高度對通風量影響較小。

4 結論

本文建立了太陽能煙囪與建筑室內熱羽流共同作用的物理模型，通過三維數值模擬研究了太陽能煙囪在不同太陽輻射強度、內熱源熱流密度、內熱源距地高度和內熱源表面發射率工況下的自然通風性能。

①在本文研究范圍內，內熱源熱流密度和太陽輻射強度均對太陽能煙囪的通風性能起到增益效果，且二者相互促進。隨著太陽輻射強度的增大，太陽能煙囪通風量逐漸增大，最大增幅為22.3%，但其增大幅度會隨著內熱源熱流密度和距地高度的增大而減小。

②隨著內熱源熱流密度的增大，在不同太陽輻射強度下，太陽能煙囪通風量均會增大，最大增幅為23.3%。當太陽輻射強度較小時，內熱源熱流密度的變化對煙囪通風量的影響更大；隨著內熱源距地高度的增加，內熱源熱流密度對煙囪通風量的增益效果愈加明顯。

③太陽能煙囪通風量會隨著內熱源距地高度和內熱源表面發射率的增大而逐漸增大，但影響程度不及太陽輻射強度和內熱源熱流密度的影響。在太陽輻射強度一定的情況下，內熱源表面熱流密度越高，內熱源表面發射率ε對煙囪通風量的增益效果越明顯。