1、1太阳能烟囱在强化建筑自然通风中的应用摘要：介绍了太阳能烟囱强化自然通风的原理、意义及太阳能烟囱的实例应用。在总结了国内外学者关于太阳能烟囱强化自然通风的研究成果的基础上，提出三种可用于实际的复合太阳能烟囱系统。 关键词：太阳能烟囱；自然通风；生态建筑；复合系统 中图分类号：S891+.5 文献标识码：A 文章编号： 0 引言 太阳能是世界上最丰富的可再生能源，太阳能的利用技术，也一直备受关注。如何将太阳能有效地融入建筑设计中以实现太阳能建筑一体化已成为生态建筑研究的热点问题。太阳能烟囱作为被动式太阳能利用形式之一，最早是由法国太阳能实验室主任 Felix Trombe 教授在 1967年提出
2、的，其研究成果在当时引起了人们的普遍关注。在近几十年的时间里，国内外对太阳能烟囱进行了大量实验及数值模拟研究，提出了各种各样的太阳能烟囱结构形式，并应用于室内通风及其他领域。 1 太阳能烟囱强化自然通风的原理 太阳能烟囱基于热压作用下的通风原理，巧妙地应用太阳辐射热和烟囱的“拔风”作用来强化室内自然通风。太阳能烟囱通过吸收太阳辐射能加热腔内空气，增大烟囱内外温差从而增强热压，同时利用烟囱效应的抽吸作用强化自然通风，增加室内通风量，改善通风效果。常见的2太阳能烟囱形式有：Trombe 墙体式、竖直集热板屋顶式、倾斜集热板屋顶式，另外还有墙壁-屋顶式、辅助风塔通风式结构等。1 利用太阳能烟囱技术来
3、强化室内的自然通风具有很显著的意义，主要表现为： 1)加强室内自然通风，能够提高室内空气质量，避免由于空气质量的下降而引发空调综合症。同时，太阳能烟囱强化室内自然通风的动力为太阳能，较之机械通风可节省风机能耗。 2) 太阳能烟囱技术对绿色生态建筑的发展具有积极的推动作用。作为被动式太阳能利用形式之一，太阳能强化通风技术因其设计简单、造价低及效果明显等优点而颇受建筑设计者的青睐，近年来成为生态建筑能源系统设计中的一个必备的节能与生态元素。 2 太阳能烟囱强化自然通风的影响因素 通过对太阳能烟囱通风效果进行研究，寻找可获得最佳通风量的优化结构是十分必要的。同时，以强化室内自然通风为目的的太阳能烟囱
4、能否达到预期的通风效果，室外气象条件对其有何影响也需进一步探讨。在这方面，国内外学者针对太阳能烟囱技术强化自然通风进行了大量实验研究、数值模拟和解析分析。 2. 1 实验研究 主要通过对太阳能烟囱结构进行优化设计，寻找能够达到最大通风量的最佳烟囱结构，以改善自然通风效果。Bouchair 等人用电加热高1.95m、宽度可变的全尺度实验太阳能烟囱的前后壁，使其保持均一温度，并测试了烟囱内的通风量。实验表明，存在一个可以获得最大通风量的3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。2-3 Spencer 等人在具有均匀热流量(一侧用电加热)的小尺度太阳能烟囱模型上进行了实验，其烟囱
5、宽度与高度比变化范围为 11525，烟囱的倾斜角可变。实验表明，随着烟囱宽度的增大，通风量连续增大，但没有发现最佳的烟囱宽度。同时发现在相同结构尺寸下当倾斜角度为45时，烟囱达到了最大通风量，比竖直烟囱的通风量要高出 45%。4 2.2 数值模拟 Gan 等人应用三维 CFD 技术研究了影响 Trombe 墙体性能的参数，表明通风量随蓄热墙温度、高度、宽度、厚度以及太阳辐射照度而改变，且存在最佳烟囱宽度与高度比的观点。5,6 Harris 等人采用联合热网络技术的 CFD 模型研究了 SC 倾斜角、墙壁面发射率等因素对诱导通风量的影响。7 2.3 解析分析 翟晓强等人通过对太阳能烟囱进行数值解
6、析分析，得出增加太阳辐射强度以及太阳能烟囱长度的增加均可加强太阳能烟囱的自然通风效果，提高太阳能烟囱的通风效率。此外，随着环境温度的升高，太阳能烟囱的通风量将随之降低，但是，通风量的下降幅度较小，因此，在夏季炎热地区，太阳能烟囱仍可发挥积极的通风作用。8 杨卫波等人通过对太阳能通风式屋顶进行数值解析分析，得出随屋顶倾角的逐渐增大，空气流量会增大，但当倾角大于 60后，基本上保持不变，且排热量会下降。这说明，为了获得较好的通风与排热效果，屋顶的倾角不宜过大，根据建筑设计可控制在 3060。9 4Bansal 等人的研究表明，带有辅助风塔的自然通风系统，在较低的风速下通风效果改善仍然很明显，当室外
7、风速为 1.0m/s、太阳辐射照度为 700W/m2 时，通风量从 0.75kg/s 增加到 1.3kg/s。10 3 太阳能强化自然通风在建筑中的应用 3.1 应用实例 澳大利业林茨省的 Linz 设计中心主要由玻璃包维着大面积的展览区域构成，建筑采用双层玻璃幕墙，类似于 Trombe 墙。新鲜空气从地板的小口和大厅四周的通风口进入，室内的热空气则由于热压作用被排至屋顶的热回收器中。为了保证在不适宜的天气情况下废气仍能顺利被排走，在屋顶设置了一个阻流板式的封盖物，这是一个 7 m 宽的构建，内侧突起，利用“文丘里效应”保证室内空气的散发。11 3.2 复合应用 太阳能强化自然通风的建筑结构主
8、要有屋面太阳能烟囱、Trombe 墙以及与建筑一体化安装的太阳能空气集热器。它们可以单独设置来强化自然通风，但是，为了在夏季达到更好的降温效果，通常将这些作法与其它建筑结构复合成一个有组织的自然通风系统。本文中，结合国内外的一些生态建筑通风做法，提出以下三种方案供设计参考，见下图。 （a）地面蒸发冷却与倾斜式复合系统（b）Trombe 墙与倾斜式复合系统 5（c）Trombe 墙与屋面蒸发冷却复合系统 4 结论 太阳能烟囱作为被动式太阳能利用形式之一，是一种极具发展潜力的太阳能-建筑一体化技术，它对于强化室内自然通风、改善室内空气品质、降低室内热湿负荷等都具有重大意义，是生态建筑中一个必备的节
9、能与生态元素。 本文通过介绍国内外的研究成果，总结出： 1. 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。利用太阳能烟囱强化热湿地区室内的自然通风及改善空气品质是完全可行的。 2. 对 Trombe 墙式太阳能烟囱面宽度与高度的增加有助于改善太阳能通风墙的性能，但空气层厚度不能盲目的增大。当宽度过大时，腔内会出现回流，降低通风量。 3. 太阳能通风屋顶的倾角与集热板绝热层厚度均不宜过大，其值根据具体情况可分别控制在 3060及 0.10.3m 的范围内。当要考虑单位面积空气的排热量时，宽厚比大的截面形状是有利的。 4. 当太阳能烟囱和其他设备结合使用时往往可以达到更好通风效果，而且
10、还可以增加太阳能烟囱的效能。 5. 可开发太阳能烟囱供暖，当太阳能烟囱冬季运用于建筑供暖时既可以为室内提供合适的温度，又可以保证足够的新风，兼顾节能和舒适。6太阳能烟囱通过利用可再生能源，能有效改善建筑热环境、降低空调耗能，越来越被人们所重视。然而，在具体结构设计时，要结合建筑设计的具体要求，综合考虑建筑所处地域、建筑外立面美观及经济性等来决定其形状与尺寸。 参考文献： 1左潞，郑源等太阳能强化烟囱技术在强化室内自然通风中的研究进展J暖通空调，2008，(10)，41-47 2Bouchair A，Fitzgerald D，Tinker J A，Moving air using stored
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