太阳能烟囱在建筑中的应用

1、外文资料中文翻译关于在自然通风热回收建筑上的太阳能烟囱的数值研究作者：G.Gan*,S.B.Riffat建筑技术研究所,建筑和建筑技术部门,诺丁汉大学园区,诺丁汉,NG72RD,UK收稿日期：1997年9月22日摘要：在自然通风建筑上用于热回收的玻璃太阳能烟囱的性能已经可以通过CFD技术来审查。CFD的程序并不是通过实验数据验证得来，而是通过文献资料和目前已得到的预测和测量结果的良好的吻合度而被证实的。预测的通风率升高则烟囱的壁温也升高，太阳热能的获得和玻璃类型的影响也已被查证。这显示要想在冬天最大限度的增加通风率，可以使用双层甚至是三层玻璃。在烟囱中安装热管用于热回收不仅增加了流动阻力而且也

2、降低了热量的上升效果。要想在自然通风热回收建筑中获得所需的空气流动率，风力也应该被使用。注：1998年爱思唯尔科技有限公司版权所有。关键词：太阳能烟囱；自然通风；热管；流动阻力；数值流体动力学1.简介：现如今，为了减少热量损失，建筑物具有更好的隔热性能而降低了空气流通性。许多房屋使用自然通风并且许多自然通风建筑使用烟囱作为通风装置。密封性更好的外部塑料封皮的使用更加降低了室内空气流动，也更增加了烟囱倒转回流的可能，尤其是在温和天气中烟囱效应微弱的时候1。为了从自然通风建筑排出的空气中回收热量，因此，需要特殊的测量来解决这一问题。太阳能烟囱可以用来增强自然通风建筑中的空气流动。太阳能烟囱可以用混

3、凝土或砖瓦砌成，为了增加太阳热能的吸收率和通风率，太阳能烟囱上的朝阳的一面可以换成玻璃，其他墙面内部涂黑并且外设隔热材料。与普通排气烟囱不同，太阳能烟囱隔热的目的并不是减少排气的热损，而是用来收集和存储太阳热能以产生浮升力并且增强烟囱效应。LeMay and OConnor 2测试了各种不同类型的排气烟囱来测量烟囱的隔热能力。测试发现，当烟囱内温度逐渐升高时，烟囱内壁会出现冷凝物，但是隔热性能越好的烟囱的冷凝时间越短并且更快的达到运行工况。Barozzi et al. 3建立了一个具备太阳能烟囱特征的建筑通风系统的模型，这个建筑的底部可以像太阳能烟囱一样运行来产生空气流动，以降低室内温度。试验

4、测试是以一个与原型为1：12的模型进行的，使用热风速计来测量温度和速度分布，使用激光照射来增强烟气流动的可视性，试验结果将用来证实二维层流模拟的模型。这样就可以看到预测流动图形和试验流动可视化图形是相吻合的，同时可以想象通过考虑到紊流的存在和三维的影响还有适当边界条件的利用，流动预测是可以加以改进的。Bansal, et al. 4运用分析法研究了自然通风建筑中作为太阳能烟囱辅助功能的风塔，风塔和太阳能烟囱的结合可以使风和浮升力在建筑中产生空气流动。太阳能烟囱的估计影响对低风速时增强自然通风具有重要作用。Bouchair 5对典型的空腔结构作为太阳能烟囱时，在室内引进空气流动的性能进行了试验和

5、理论方面的研究。测量是用全比例模型在稳定工况下获取的，试验观察到当空腔宽度在0.2到0.3米之间时总流动率达到最大。同时还发现总流动率随着表面温度的升高而升高。作者最近还承担着一个关于太阳能的以热管为辅助的自然通风热回收项目6。为了在自然通风建筑中增强空气交换，玻璃材料的太阳能烟囱应该是系统中不可或缺的一部分7。一个热管的热回收单位就是一个外部带有翅片内有易挥发液体的热交换装置，挥发液体可使用甲醇，热管的工作温度在-40100之间。装置可以分成蒸发器和冷凝器，排气中的热量被蒸发器吸收然后转移到冷凝器来预热另一管道中的供应的气体。几种不同类型的热管单位在被划分成两个室的空间中进行测试，其中一些是

6、由两组每组各七个的平翅热管组成的。控制流动率的方案通过利用烟囱的挡板和供气管道来实现，控制系统功能通过室内和室外空气冷热程度和是否室内有人居住来决定的，例如，即使是在寒冷的晚上要是室内无人居住，那么挡板也是关闭的也没有热交换。热交换器和太阳能烟囱的原型将在苏黎世的一个大房间内进行，设定流量率为100 l/s。现在研究的目标是运用数值流体动力学(CFD)在自然通风建筑内用选定的热回收太阳能烟囱中来模拟空气流动和热交换。CFD程序将先于实验数据在等温加热的烟囱中被证实。数值研究结果将用来判断玻璃太阳能烟囱的性能。2.研究方法：在CFD技术中，稳态流动方程可以写成以下形式： (1)其中是空气密度，

7、是平均速度，代表流动变量如平均速度，紊流因素，平均温度，焓和湿度等，是扩散系数，为变量的原项。模型方程的详细叙述和解法已被Gan and Riffat6所描述。通过太阳能烟囱的空气流动率由下式给出： (2)其中是体积流量率，是流量系数，是进口开口面积，是由于浮升力或风压产生的驱动压力。注：。由于温度以及烟囱内不同位置的空气中空气湿度都不同，内部的空气密度是有变化的所以烟囱效应可以用下式来计算： (3)其中是重力加速度(m/s2) ，H是烟囱高度(m)，是室外空气密度(kg/m3)，是在高度处的平均空气密度(kg/m3)。风力影响由下式给出： (4)其中是流动进口和出口压差系数，是烟囱排除口的风

8、速(m/s)。流量系数的大小与系统中总流动阻力有关： (5)其中是流动系统中进口，出口，弯道和热管等阻碍物的压力损失系数以及包括直道在内所有区段中的摩擦损失系数。图1.被测试烟囱的结构图压力损失系数可以由测量或用CFD模型8来算出。在有热回收的自然通风建筑的空气管道中使用热管时，管道平均速度相对变低，通常在0.5到1m/s。相应的，研究发现热管的压力损失系数是随管道的平均速度而变化的。已测量的两组平翅热管的压力损失系数和速度的关系为 (6)其中是管道平均速度，在0.4到2m/s之间，是相关系数。3.研究确认：方案的确认是通过数据预测和由Bouchair 5给出的自然对流太阳能烟囱的实验结果而实

9、现的。图1为烟囱的结构图。烟囱都是2m高，但是宽度不同，进口高度在实验中也是变化的，烟囱墙壁各面由电加热器等温加热到30到60不等。进口空气温度为20。各个温度数据通过铜镍热电偶进行测量，空气运动速度通过电热调节风速计进行测量，而空气流动图形则使用烟气来进行观察。试验测量细节和结果由Bouchair 5给出。图2显示了通道宽度在0.1m到0.5m和进口高度在0.1m到0.4m时，烟囱内单位长度总流率的预测和测量结果。可以看出之前研究的预测结果和Bouchair 5的测量结果是基本吻合的。（a）通道宽度0.1m，进口高度0.1m (b) 通道宽度0.2m，进口高度0.1m（c）通道宽度0.3m，

10、进口高度0.1m （d）通道宽度0.5m，进口高度0.1m 所有结果的预测值和测量值的平均误差大约在3.5%左右；最大误差是在宽度为0.3m，进口高度0.1m的烟囱内，达到5.6%，这说明用电脑模拟来研究烟囱中的空气流动和热量转换是可行的。（e）通道宽度0.2m，进口高度0.4m 图2.被测烟囱中预测和实测流动率对比烟囱宽度0.2m 烟囱宽度0.5m图3.两种烟囱宽度下的预测空气流动图（墙面温度50，进口高度0.1m）由图2同样可以看出预测流动率随着烟囱壁温的升高而升高，流动率在通道宽度为0.1m到0.2m之间时随宽度的增加而增加，而在0.2m之后随宽度的增加而减少。这可能会在通道宽度比两个边

11、界层更宽的烟囱中引起回流。图3显示了当烟囱宽度较小时（0.2m）整个通道内的气流都是上升的，然而，当通道宽度较大时（0.5m），在靠近加热墙面的地方由于浮升力气流上升而靠近通道中心的地方气流却向下流动。这一现象在Bouchair 5.中同样可以被观察到。对于通道宽度一定时，进口高度的增加使得进口流动阻力减小，流动率随进口高度的增加而增加。这可以在图2（e）和（b）中对比观察到。4.玻璃太阳能烟囱的数据研究：数据的模拟是在苏黎世的一个具有热管热回收通风烟囱的大房间内在冬天进行（设计空气流动率100 l/s）。图4.玻璃太阳能烟囱结构图4.1模拟环境条件：图4显示了烟囱的结构图，它高3m，水平截面

12、是南北长0.2 m东西长1m的矩形通道。 南面是双层玻璃，其余三面由隔热砖砌成。玻璃对直射的阳光辐射的吸收率为0.2。进口开口同样是0.2m高和1m宽。初始模拟中烟囱内不安装热管，在进一步的模拟中将使用热管来研究热管对烟囱性能的影响。烟囱太阳能的获得量由平均总太阳光照和平均太阳能获得系数计算得出。对于双层玻璃的垂直墙面，平均太阳能获得系数为0.64。在12月21日北纬45°（靠近瑞士）垂直的朝南的表面日照时长8到16小时的平均太阳光照强度为438 W/m2 9，相应的墙面太阳热能获得量是280W/m2，室外基础空气温度为0，用另外一个更低的室外温度13（设定苏黎世冬季室外温度）来观察

13、对烟囱性能的影响，进入烟囱内的室内空气温度设定为20相对湿度为50%。假定在初步模拟中烟囱效应是室内外空气交换的唯一驱动力。风力影响将在获得更高空气交换率时被考虑在内。图5.双层玻璃烟囱中的预测空气流动图和温度分布。5.结果和讨论：表1：无风和无热管下3m太阳能烟囱的预测性能条件 结果玻璃类型 （） (W/m2) （） （） (l/s)双层 0 280 63.2 20.2 106单层 0 280 65.1 98单层 0 333 71.6 103双层 0 140 46.0 15.6 80单层 0 167 51.2 71双层 13 140 47.1 73三层 13 140 46.0 15.4 80

14、双层 0 104 41.1 14.1 70单层 0 124 45.2 墙面太阳热能获得量。玻璃内表面平均温度。朝玻璃面的平均墙面温度。玻璃内表面存在凝结。玻璃顶端存在回流。太阳能烟囱性能的预测是在各种室外状况（温度，太阳辐射，风速）和存在不同烟囱部件（玻璃和有无热回收的热管）时进行的，这些变化对烟囱性能的影响通过下面进行讨论：5.1太阳辐射影响：无风无热管条件下太阳辐射和玻璃种类对烟囱性能的影响由表1列出。图5为双层玻璃中预测的空气流动图线和温度分布。预测通过烟囱的通风率为106 l/s，在靠近隔热加热墙处空气温度要高于存在传热损失的靠近玻璃处的温度。相应的，速度分布图显示在靠近加热墙处速度有

15、最高点而在玻璃处速度存在最低点。然而，在整个宽度的通道内气流都是上升的，当墙面的太阳热能获得量减半时（140W/m2，对应太阳辐射为219W/m2）或进一步降低到104 W/m2时（对应12月21日的日平均总太阳辐射163 W/m2 ），则预测通风率分别相对降低24%和34%。5.2.玻璃的影响：玻璃对于预测通风率的影响主要取决于总太阳辐射量。对于初始户外条件，在相同的墙面太阳热能获得条件下，如果将双层玻璃换成单层玻璃，通风率将由106 l/s变为98 l/s。然而，当对单层玻璃的墙面热能获得量的计算使用平均太阳热能系数（即用0.76代替0.64）时，玻璃对热量的吸收也相应的降低，那么预测通风

16、率的降低是不可避免的（103 l/s）。太阳热能获得量低时，玻璃类型的影响变得至关重要。用墙面热能获得量为167W/m2和124W/m2的单层玻璃替换双层玻璃时，通风率分别降低11%和35%。低热能获得量时(124 W/m2)的较大的通风率的降低部分原因是由于玻璃附近产生的回流。图6显示了玻璃顶端空气的回流。回流是由玻璃附近的气流下降效应引起的。从图6可以看出，由于玻璃对热量的传导远大于玻璃对热量的吸收，玻璃附近空气的温度低于进口空气温度(20)。这类空气回流现象在Sparrow, et al. 10的单侧加热垂直通道自然对流的研究中同样可以观察到。另外，单层玻璃的使用会导致玻璃内侧表面水蒸气

17、的凝结，在实际情况中凝结带来的不利影响会更加严重，因为尽管玻璃上的凝结潜热已被考虑在内，但是预测是基于固定的太阳热能获得量进行的，玻璃上的凝结水会减少墙面热能的获得，通风率也因此要比预测结果低一些。当户外温度降至13时，水蒸气凝结的状况在双层玻璃中也会发生，进而导致通风率的降低。这时候使用三层玻璃是能够避免凝结的危险的。另外，使用三层玻璃可以将通风率增加到在户外温度较高时使用两层玻璃（未产生凝结）时的效果。5.3.内部流动阻力的影响：内部流动阻碍物如挡板和热回收系统存在部分流动阻力，由于两组平翅热管而产生的流动阻力可通过压力损失系数来表现（方程6）。为了单独研究内部流动阻力的影响，由于热回收作

18、用而使得浮升力有所降低的影响将被忽略。这就等同于没有热量回收（热回收效应 =0），并且这种假设可以通过关闭供气设备的阀门同时打开一个孔或是一个没有热管的分管道引进新风来实现。这种状况在供暖气的季节也能适用，比如，当室内温度高于居住舒适温度的时候。表2显示了有热管时的预测通风率。通过对比表1可以看出当烟囱中安装热管时，初始状况下的预测通风率从106 l/s降到了65 l/s，降低了接近40%。当使用单层玻璃时通风率更是降到了57 l/s，单层玻璃的使用同时导致了玻璃表面的水凝结和近玻璃面气体回流。图6.单层玻璃中预测空气流动图和温度分布（墙面太阳热量获得量124W/m2，户外温度0）为了通过自然

19、手段在有热管的烟囱中获得更高的通风率，比如100 l/s，烟囱的高度就要被增加或者应该利用风力。单独增加烟囱效应的话，烟囱高度增至5到6m之间可以分别获得96 l/s到110 l/s之间的通风率，这么高的烟囱使用起来并不现实所以应该更好的利用风力的效果。为了实现上述目标，烟囱的排气开口应该设定在风力盛行状况下风力负压的范围内。表2，预测带热管的太阳能烟囱性能条件 结果玻璃类型 烟囱高度 风速 （m） (m/s) （） (W/m2) （） （） (l/s)双层 3 0 0.0 0 280 69.9 21.4 65单层 3 0 0.0 0 333 71.5 双层 5 0 0.0 0 280 71.

20、6 21.2 96双层 6 0 0.0 0 280 71.8 21.2 110双层 3 3 0.0 0 280 63.0 20.2 107双层 2 4 0.0 13 280 58.7 19.7 9单层 2 0 0.0 13 124 42.6 双层 2 0 0.0 13 104 43.1 三层 2 0 0.0 13 104 42.3 12.6 双层 3 0 0.639 0 280 67.0 20.8 单层 3 0 0.644 0 333 73.2 三层 2 0 0.663 13 104 41.9 11.1 双层 3 3 0.613 0 280 58.1 18.9 89表内符号同表1.为了实现模拟

21、，风力的影响将通过方程2的驱动压力来将风力考虑在内。假定烟囱开口高度距地面为6m（3m的房屋高度，加上3m的烟囱高度），在当地距地面高度10m处的风速为3m/s，这将足够产生所需的流动率，这时的预测通风率为107 l/s，如果烟囱不得不被限定在一个更低的高度，这样的通风率的值只有在更高的风速或是更高的烟囱开口负压系数的条件下才能实现。例如，对于一个2m高的烟囱，预测通风率在风速4m/s时为99 l/s（压力系数为0.25）。尽管现实中风速不能被控制，预测现示在预定环境条件下，是能够达到所需的通风率的。作为一个特例，我们将以最不利的环境条件来作为例子，比如，一个墙面热量获得量为124 W/m2，

22、户外空气温度为13，没有风力作用的2m高的单层玻璃烟囱，烟囱中预测的倒灌风现象如此严重以至于下降的气流到达玻璃的底部，冷风会顺着一部分烟囱进口开口流进室内，引发“倒灌”现象。另外，玻璃内表面将会降至冰点以下导致凝结水结霜。即使是双层玻璃，这时也会有凝结和回流存在，回流的范围接近烟囱宽度的一半（图7）并且预测通风率只在接近玻璃顶端时才会存在。在上述条件下使用三层玻璃预测通风率增加到26 l/s。烟囱倒流的现象说明了三维CFD技术相对于一维流动分析的可靠性。一维流动模型模拟不能预测烟囱中的倒流。这是因为当不考虑烟囱隔热程度或太阳热能的获得并且烟囱内的平均空气温度高于户外空气温度时，方程2中的驱动压

23、力P在一维模型的计算中总是正值。因此烟囱中的气流总是向上的。对于烟囱内固定的空气温度和密度，用来计算热浮升力的一维模型可从方程3中的到，如下： (7)其中是热膨胀系数(1/K)，是户外空气温度（），是烟囱空气平均温度（）。图7.带有热管的双层玻璃烟囱空气流动图和温度分布。（太阳热能获得量104 W/m2，户外温度13）然而，CFD预测显示在同一个管道中沿着烟囱的流动分布是冷空气向下流动而热空气上升。因此，方程（7）在这种情况下是不合适的。而以CFD技术为基础的多维分析则可以被使用。5.4.热管热回收的影响：当热管工作时，排气中的部分热量被回收，余热的回收意味着烟囱中热管蒸发器部分气流引起能量损

24、失产生下降效果。结果是，热管的安装不仅加剧了压力的下降，同时降低了蒸发器附近空气温度减少了通风量。如果将热管的冷却效应考虑在内，预测通风率将进一步降低。降低的量取决于室内外空气温度和热管热回收效率。这些变量的关系在以下关于同一流动率下供气和排气之间可察觉的热交换的热回收效率的定义中可以看出： (8)其中 是热管热回收效率（小数的），是冷凝器之前的空气温度，也就是户外空气温度（），是蒸发器之前的回气温度，也就是室内空气温度（），是经过蒸发器之后的空气温度（）。因此， (9)它显示热回收效率和蒸发器之后的空气温度是随着空气流速变化的11。对于两列平翅热管来说，效率和空气流速之间的关系是： (10)

25、对于墙面太阳热能获得量为280 W/m2，室内外温度分别为20和0的3m高的双层玻璃太阳能烟囱来说，热管热回收存在时预测的通风率为45 l/s。在这个通风率上，热回收效率为64%，而经过蒸发器之后的空气温度为7.2，这是低于空气露点以下的。和空气接触的部分热管这时会处在露点温度一下所以第二排热管上会产生凝结。另外，空气回流只在接近玻璃顶端的地方产生。这样的结果是导致了20 l/s的通风率的净减少量或是差不多三分之一的情况未产生冷却效应(65 l/s)。热管所产生的总体效应是引起了流动阻力的升高和空气温度的降低进而使通风率几乎下降了60%（对于106 l/s的初始模拟条件）。由于冷却效应引起的单

26、层玻璃烟囱通风率的降低也有20 l/s（从57 l/s降至37 l/s）。 在有热回收的在更低的室外温度和太阳辐射下工作的高度更短的烟囱的性能就更加糟糕。例如，户外温度为13的墙面热能获得量为124 W/m2的2m高的三层玻璃烟囱来说，热回收效率为66%时无冷却效应的预测通风率从26 l/s降至6 l/s。经过蒸发器之后的空气温度降低到1.9故在第二排的热管上将会结霜。然而在实际使用中热管上的结霜会降低热回收效率使得不久后结霜便会消失。最终的温度将会稳定在冰点以上，在这样的低通风率的状况下，接近玻璃顶端的回流就会发生，如果烟囱是单层玻璃的，更严重的倒灌现象将会产生。当把风力考虑在内时热管的冷却

27、效应对总通风率的影响将会变小。例如，对于户外温度低于0，烟囱墙面太阳热能获得量为280 W/m2，风速为3m/s，热管的工作效率为61%的无冷却效应的3m高的双层玻璃烟囱来说，预测的通风率从107 l/s降至89 l/s，只降低了17%。降低的热管的冷却效应可以归结为是随着烟囱效应的降低风力在总通风率中的部分增加了的结果（并且总通风率不是单一的由浮升力和风力产生的流动率的数字加和，否则通风率的下降量将是20 l/s而不是18 l/s）。上述对于自然通风热回收建筑的预测只包括了热管蒸发器的影响。对于通风较差的建筑，将会产生包括通过热管冷凝器时的压力损失在内的供气管中的更多的流动阻力。因此，作为供

28、气和排气区段的结合处，流动入口开口应该直接朝向盛行风向以便风力可以在管道开口处被有效利用。6.结论：当前研究显示，开发出的电脑程序可以用来对烟囱中上升空气的流动你进行预测。预测通风率随烟囱壁温和热量获得量的增加而增加。玻璃太阳能烟囱的性能是受户外空气状况影响和太阳热能获得量的影响的。由于冬季里可能产生的玻璃凝结和烟囱内的回流，单层玻璃是不够的。即使是双层玻璃在寒冷的冬季也会存在凝结和倒流的危险。三层玻璃可以有效防止凝结和倒流风险。在太阳能烟囱中安装热管用于热回收不仅增加了压降而且减少了热浮升力，从而使得通风率减少。为了在烟囱通风不利条件下达到一个预期的流动率，烟囱高度不得不相应增加。另外一个获

29、得流动率的更有效的方法是，通过在风压不足区域来安装烟囱排气口和风压过盛区安装进气口或是在空气入口安装风机来获得有效流动率。特别感谢：部分项目由欧盟的JOULE III计划完成（合同号JOR3-CT95-0019）。参考文献：1 R.S. Dumont, L.J. Snodgrass, Investigation of chimney backow conditions: A case study in a well-sealedhouse, ASHRAE Transactions 96 (1990) 1.2 C. LeMay and G.OConnor, Testing of various

30、chimneys and chimney connectors at the CMHC-ownedArmstrong house. Final Report for Canada Mortgage and Housing Corporation, No. 7618-9, Ontario,Canada, October (1989).3 G.S. Barozzi, M.S.E. Imbabi, E. Nobile, A.C.M. Sousa, Physical and numerical modelling of a solar chimney-based ventilation system

31、for buildings, Building and Environment 27 (4) (1992) 433445.4 N.K. Bansal, R. Mathur, M.S. Bhandari, Study of solar chimney assisted wind tower system for natural venti-lation in buildings, Building and Environment 29 (4) (1994) 495500.5 A. Bouchair, Solar chimney for promoting cooling ventilation in southern Algeria, Building ServicesEngineering Research and Technology 15 (2) (1994) 8193.6 G. Gan, S.B.