太阳能烟囱讲解解读

1、 ?一般是指太阳光的辐射能量，在现代一般 用作发电。自地球形成生物就主要以太阳 提供的热和光生存，而自古人类也懂得以 阳光晒干物件，并作为保存食物的方法， 如制盐和晒咸鱼等。但在化石燃料减少下， 才有意把太阳能进一步发展。太阳能的利 用有被动式利用（光热转换）和光电转换 两种方式。太阳能发电一种新兴的可再生 能源。广义上的太阳能是地球上许多能量 的来源，如风能、化学能、水的势能等等。 ?太阳能光伏 ?太阳能光热 ?光伏板组件是一种暴露在阳光下便会产生 直流电的 发电装置， 太阳能利用 ?由几乎全部以半导体物料（例如硅）制成的固体光 伏电池组成。由于没有活动的部分，故可以长时间 操作而不会导致任

2、何损耗。简单的光伏电池可为手 表以及计算机提供能源，较复杂的光伏系统可为房 屋提供照明，并入电网供电。光伏板组件可以制成 不同形状，而组件又可连接，以产生更多 电能。近 年，天台及建筑物表面均可使用光伏板组件，甚至 被用作窗户、天窗或遮蔽装置的一部分，这些光伏 设施通常被称为附设于建筑物的光伏系统。 ?现代的太阳热能科技将阳光聚合，并运用 其能量产生热水、蒸气和电力。除了运用 适当的科技来收集太阳能外，建筑物亦可 利用太阳的光和热能，方法是在设计时加 入合适的装备，例如巨型的向南窗户或使 用能吸收及慢慢释放太阳热力的建筑材料。 ?建筑 ?利用太阳能供暖和制冷的建筑。在建筑中 应用太阳能供暖、制

3、冷，可节省大量电力、 煤炭等能源，而且不污染环境，在年日照 时间长、空气洁净度高、阳光充足而缺乏 其他能源的地区，采用太阳能供暖、制冷， 尤为有利。目前太阳能建筑还存在投资大， 回收年限长等问题。 ?太阳能烟囱作为一种被动的太阳能利用方 式，由于不需要消耗电能和其他化石能源， 成为太阳能利用领域的热点。其实，太阳 能烟囱的技术很早就被人们利用。太阳能 烟囱作为通风装置至少在16 世纪意大利就 出现了，被成为“Scirocco rooms” ?我国传统建筑中的四合院，庭院细高的天 井等都是利用烟囱效应来通风、降温、排 烟的典型，从某种意义上来说，这些建筑 己经包含了太阳能烟囱设计的思想、 ?太阳

4、能烟囱出现在1967年，是由法国太阳 能实验室主任Felix Trombe教授提出的太阳 能吸热壁，被称为Trombe墙。 ?室内自然通风、 ?发电、 ?干燥、 ?抽取地下水。 ?太阳能集热墙 ?太阳能集热屋面 ?现以Trombe 墙体式结构为例简述太阳能烟囱 的工作原理，太阳辐射透过透明玻璃盖板进入 烟囱通道后被蓄热材料吸收，加热通道内的空 气，使之产生内外密度差，完成热压到风压的 转换，驱动通道内空气向上流动。夏季时室内 空气由集热墙下部进入太阳能烟囱通道，被吸 收太阳辐射的集热墙加热温度升高、密度降低 后从上部出口排出至室外，以此达到通风效果。 冬季工作原理与夏季相同但运行工况相反，室

5、外冷空气进入太阳能烟囱通道，经集热墙加热 温度升高后，从集热墙上部入口进入室内，从 而达到通风换气以及供暖的目的 ?如何提高其通风效率？ ?太阳能烟囱的结构形式、 ?空气通道宽度、 ?进口面积、出口面积、 ?壁面热流、 ?太阳辐射强度、 ?烟囱的高度和深度（玻璃盖板与集热墙的 间距）对建筑物所形成的速度场、温度场 ?目前有关利用太阳能烟囱强化自然通风的 研究主要集中于烟囱的高度和深度以及进 口面积的优化，通过实验研究和理论模拟 得到最大气体流速条件下对应的结构参数。 ?Bansal等人定性地分析了太阳能烟囱与风塔共同引 发的自然对流，结果预测出太阳能烟囱的效果在 低 风速下较好。Bouchai

6、r对典型的空洞太阳能烟囱用 于室内时的自然对流过程进行了实验研究，研究发 现存在一个可以获得最大通风量的最佳 太阳能烟囱 高度和空气通道的宽度的比值 研究得出：通风量 随着烟囱深度的增加而增加，但当烟囱的深度高度 之比达到0.4时，出口端会出现逆流现象，抑制通风 量的增加。Bouchair等在实验室条件下对太阳能烟 囱进行全尺寸的实验研究，其太阳能烟囱高度为 2m， 宽度为4m，深度在0.11m之间变化，实验结果表 明：存在一个可以获得最大通风量的最佳宽度与高 度比，如果烟囱宽度过大，在通道中心存在空气回 流现象，当深高比超过0.15时，烟囱内的空气质量 流量开始降低，最佳深度高度之比为 0.

7、1。 ?2003年，王丽萍利用实验模拟主要分析了Trombe墙体式 太阳能烟囱的特性，得出： ?太阳能烟囱的通风量随着太阳辐射强度和烟囱高度的增加 明显增加。 ?对于Trombe墙体式太阳能烟囱，存在可以得到最大通风 量的空气通道宽度与太阳能烟囱高度最佳比值，这个比值 与进口设计有关，近似的可以认为在大多数情况下，太阳 能烟囱的最佳空气通道宽度等于太阳能烟囱高度的1/10。 并且从数值结果可以看出，获得最大通风量的太阳能烟囱 的最佳空气通道宽度在0.2-0.3m之间。 ?对于Trombe墙体式太阳能烟囱，高度应大于1m，最佳的 结构尺寸为空气通道宽度与高度比约为1/10；进出口宽度 应大于0.

8、1m，进出口宽度与高度比约为3/20。 ?2004年，赵平歌对太阳能烟囱自然通风模型进行了数值模拟研究，分析了太 阳能烟囱在多种情况下的气流的温度场和速度场分布，从而得到通风量与烟 囱的高度、进风口面积、出风口面积的关系。文章中根据受热侧面的位置、 数量变化和出风口位置变化，将其分为四种自然通风方式： ?单个侧面受太阳辐射热，出风口开在受热面一侧的自然通风方式； ?单个侧面受太阳辐射热，出风口开在非受热面一侧的自然通风方式； ?两相邻侧面受太阳辐射热，出风口开在受热面一侧的自然通风方式； ?两相邻侧面受太阳辐射热，出风口开在非受热面一侧的自然通风方式。 ?则受热面和出风口位置的变化对应四种自然

9、通风方式，对于每一种自然通风 方式，依次研究受热面温度TW，烟囱高度H，长度L，宽度B，出风口与进风 口面积之比Ar对通风量的影响，以便找到太阳能烟囱通风量的变化规律。作 者通过建立实际模型加以分析，得出了如下结论： ?烟囱内空气流速较小,通风量也较小，可以考虑适当采用风机或在烟囱下部 设集热板以加大通风效果。 ?烟囱通风量大小与烟囱的高度，宽度，进、排风口面积及太阳辐射热等因 素有关，且通风量达到最大值时，烟囱的宽高比约取1/10。 ?通风量随着烟囱高度的增加而增加，但由于烟囱断面的大小对有限空间内 对流换热影响很大，当烟囱内出现换热充分发展区后，再增加烟囱高度对换 热影响不大，从经济角度看

10、，烟囱高度可以依据B/H的最佳值由烟囱断面宽 度来确定。 ?2005年，苏醒等人对太阳能烟囱自然通风模型进行了理论分析和数值 计算，得出了通风量与烟囱高度、宽度及太阳辐射强度之间的关系。 最后提出了太阳能烟囱在应用中应注意的几个问题。 ?建筑的自然通风系统能否采用太阳能烟囱首先要从3个方面来考虑： 当地太阳辐射强度和日照率等气候条件，建筑径深和朝向，居住者的 热舒适要求。 ?风压也是影响自然通风的重要因素，因此烟囱的出口应处于风压负 压区，这样可以利用风压来加强烟囱效应，同时还可以避免产生倒灌 气流。 ?对于较高的建筑，顶层的房间易处于热压中面以上，这样其他房间 的热空气会流入，因此需要单独考

11、虑，为此，可将那些热压中和面以 上的房间隔断，同时在屋顶添加单独的风道来增加此层房间的热压， 引入新鲜空气。 ?为了在夏季达到更好的冷却效果,可与夜间通风结合起来设计。另外， 由于自然通风受气候变化的影响很大，为满足全年的使用要求，应结 合机械通风来辅助控制。 ?在设计太阳能烟囱系统时，可将太阳能烟囱与其他建筑构件如风塔、 天井、楼梯间等结合起来构成整体系统以充分利用太阳能，强化自然 通风。 ?2005年，杨卫波 19 等人利用传热学理论，采用 能量平衡法导出太阳能通风墙的一个简化数学模 型，并就通风墙的结构尺寸与室外气象参数对其 通风性能的影响进行了模拟计算。结果表明： ?墙面宽度与高度的增

12、加有助于改善太阳能通风 墙性能，但空气层厚度不能 盲目增大。 ?当要考虑单位面积空气的排热量时，宽厚之比 较大的截面形状是有利的。 ?太阳辐射强度与室外气温的增加对改善通风墙 的性能是有利的，利用太阳能通风墙加强 热湿地 区室内的自然通风及改善空气品质是完全可行的。 ?室外风速太大对于强化自然通风不利。 ?对于各种结构的太阳能烟囱缺乏 统一完整的理论分析，结果较 为零散，缺乏实际的指导意义，能够用于工程设计的资料不多。 ? 尚未对不同结构形式的太阳能烟囱进行 经济性比较，缺乏在不 同的气候条件下可行性分析。 ? 现有的研究都是针对太阳能烟囱在 单个房间的通风性能，现实 中建筑一般都为 多层，因

13、此有必要对太阳能烟囱强化通风在高 层建筑及住宅楼中的应用进行研究。 ? 现有文献对各种太阳能烟囱的 结构参数和环境因素对通风效果 的影响进行了分析，但没有就各种参数的 综合影响进行研究。 今后应加强太阳能烟囱影响因素的综合研究。另外还可以将不 同形式的太阳能烟囱结合，以达到更好的通风效果；与空调系 统、风塔等设备相互结合，进一步挖掘太阳房节能潜力 ?建筑的可持续发展在全球的能源战略中占有重要地位，在 节约能源、改善室内空气品质和环保的理念下，人们开始 重新审视建筑的节能技术。太阳能烟囱作为一项能改善建 筑热环境，有效降低空调耗能，同时能够创造可持续发展 的绿色建筑的技术越来越被人们所重视。然而

14、利用太阳能 强化自然通风的研究还处于初步的探索阶段，还没有形成 完整的理论体系，缺乏定性及定量的理论分析。同时，太 阳能烟囱是一个复杂的系统工程，涉及的知识较广，这需 要建筑相关设计人员的密切配合如何让太阳能烟囱广泛应 用到实际生活中，并且能适应各种气候条件，还有待进一 步的深入研究。 ?利用太阳能发电最早是由德国Schlaich等在 1978年提出了建造太阳能烟囱电厂(SCPP) 的设想。 ?由太阳能集热棚、太阳能烟囱和涡轮机发 电机组3个基本部分构成。太阳光穿过透明 的集热棚，被棚内地面吸收，棚内被加热 的地面与空气之间的热交换使集热棚内空 气温度升高，受热空气由于密度减小而上 升，进入棚

15、内的烟囱。同时棚外冷空气通 过四周的间隙进入集热棚，从而形成了空 气的循环流动。热空气在烟囱中上升速度 提高，同时上升气流推动涡轮发电机运转 发电 ?太阳辐射、 ?环境和地面温度、 ?积热棚覆盖材料的热物理属性、 ?烟囱壁的保温隔热性及烟囱的几何尺寸， 包括：高度、直径、形状、积热棚直径和 离地高度等。 ?结果表明，集热棚材料的绝缘性、反射率、 发射率、环境气温，地面吸收率、发射率 是主要影响因素 ?目前研究发现当电站的建造地点和材料选定时， 系统几何尺寸便成为影响系统性能的主要因素， 包括烟囱高度、直径、形状和集热棚的直径等。 在其他参数不变的条件下，增大烟囱的高度将 会增大烟囱的容积，从而

16、显著增大系统的效率， 但是超高烟囱的防风防震的安全问题是技术上 的难点。同时集热棚占地面积一般较大，且容 易被尘土覆盖，使发电效率大幅度下降。因此， 太阳能烟囱发电的应用受到一定的限制，一般 认为非常适宜于沙漠地区。我国西部有大量荒 地、沙漠，太阳辐射丰富，比较宜于太阳能烟 囱发电的应用，因此，有必要加大对它的研究。 ?空气集热型 ?温室型 ?集热型干燥器是太阳能 空气集热器与干燥室组合 而成的干燥装置，这种干燥器利用集热器把空气 加热到6070，然后通入干燥室，物料在干燥 室内实现对流热交换过程，达到干燥的目的。从 操作系统来看，此类干燥器可以比较好地与原有 的常规能源干燥装置相结合，用太阳

17、能全部或部 分地代替常规能源。该系统在干燥房顶上设有自 然通风口。这样可以根据物料的干燥特性调节空 气流量，提高干燥速度，同时降低风机能耗。在 晴天条件下，不需启动风机，仅利用自然通风就 可进行干燥 ?温室型太阳能干燥器结构简单，造价低， 太阳能利用效率高，但由于温升较小，在 干燥含水率高的物料时（如蔬菜、水果 等），温室型干燥器所获得的能量不足以 在较短的时间内将物料干燥至安全含水率 以下。为增加能量以保证被干燥物料的干 燥质量，在温室外增加一部分集热器，就 组成了集热器-温室型太阳能干燥装置 ?我国是一个农业大国，干燥作业是农副产 品加工过程中一个必要的环节，而且耗能 巨大。我国太阳能资源丰富，利用太阳能 干燥装置既可以节约能源，又可缩短干燥 周期，提高农产品质量，投资少，回收期 短，经济效益显著 ?由于太阳能烟囱发电的局限性，特别是超 大型烟囱因高度而产生的安全问题，所以 用其直接抽取地下水是一个不错的解决方 案，特别是对于我国西部缺水的地区 ?实际应用的烟囱一般采用钢筋混凝土结构， 以保证一定的强度和防风抗震性能。上升 的气流在烟囱中加速上升，推动安装在烟 囱底部的涡轮机旋转，并通过机械传动带 动曲轴连杆机构推动传动杆作垂直往复运 动。抽水机抽取的地下水通过过滤器被提 升到高位水塔中。高位水塔中的水通过喷 淋设施清洗