太阳能通风器的研究应用

胡 洋

(深圳市立方建筑设计顾问有限公司，广东深圳 518038)

0 引言

建筑节能是目前我国现行的一项重大政府决策，其重要性和必要性已引起全社会的广泛关注。节约能源，保护环境，实现可持续发展，成为我国的一项基本国策。随着社会经济的飞速发展，居民住宅的逐渐增多，我国每年建筑能耗增长率都大大超过社会总能耗的增长，而目前我国的节能建筑只占不到10%的比例［1］，控制建筑用能处于我国长期发展战略的核心地位。建筑节能是一项系统工程，它包括从开始的建筑总体规划、设计、材料及采暖、通风、给排水、电气等各种具体技术措施，并且不同的地区对应不同的节能方式。

目前我国已针对不同地区下达了不同的建筑节能指标，以降低单位建筑面积的能耗。实现建筑节能最有效的手段就是自然能源的利用，而太阳能无疑是最优的选择之一。利用太阳能加热空气，空气的密度差在一定的高度上形成热压差，从而形成通风动力，可驱动和加强建筑内部的通风换气，即所谓的“烟囱效应”。太阳能通风可以通过建筑自身的一体化设计实现，也可通过附加太阳能通风器加强通风。太阳能通风器是通过自然通风实现节能思路下的一个新的技术路线，目前国内还没有过多关于此方面的研究。本文通过对通风器建立数学模型，并通过实验测量通风器在特定环境下的通风量，分析了通风量与太阳辐射的关系以及通风器的各项性能指标，对太阳能通风器在节能建筑中的运用具有十分重要的指导意义。

1 数学模型

太阳能通风器的研究可归属为管道流，所不同的是流动的动力并不是来源于传统的水泵或风机，而是通风管道本身，因为通风器内部设置的太阳能吸热装置在吸收日射后升温并加热周围空气，附壁上流的空气通过湍流将动量传递给离壁较远处空气，从而形成通风器内整体的气流上升之势。所以，通风器本身集中了动力和阻力两个对立的矛盾，这就使得通风器的构造及尺寸的选择上不能通过改变某一尺寸而得到线性相关的通风量，而必须综合权衡阻力、动力、经济性等各项指标取得最大性价比。对于动力热压，可通过下式计算得到:

其中，ΔPT为通风器上下断面之间的压差，Pa;ρw，ρn分别为通风器外部、内部空气的密度，kg/m3;Tw，Tn分别为通风器外部、内部空气的温度，℃;H为通风器高度，m。其中，Tn为关于通风器高度H变化的函数。

根据质量守恒定律，通风器的通风质量定义如下［2］:

其中，Q为质量流量，kg/s;ρ0为出口空气密度;g为重力加速度;Ao为出口面积，m2;Ar为出口面积与进口面积之比;T0，Tr分别为出口、室内空气温度;Cd为流量系数。

单位面积的吸热材料的能量平衡方程为［3］:

其中，α为吸热板的吸热率;I为太阳辐射强度;τ为通风器透光材料的透射系数;Tp为吸热材料表面温度;hf为吸热材料与通风器内部空气之间的对流换热系数;UL为吸热材料的热损失系数。其中，hf和UL的确定参见文献［3］。

沿通风器竖向的空气流动能量平衡方程为［4］:

边界条件:x=0;Tn=Tr。

“你这些玉器阴气很重，我看多半是陪葬的冥器。”老道嘴上说着，手上也没停下，他灵巧地调整着那些便宜的玉石珠宝的摆放位置。“从款式上来看，也不像是‘九窍塞’，多半是墓主生前喜欢的器物，死后一起下葬了。大概是墓主死得不甘，内有蹊跷，才使得这批玉器沾染上了晦气啊。”

其中，Cp为空气的定压比热;Δx为通风器竖向微元长度;w为吸热材料总宽度。

通过式(4)，可求得通风器内的竖向温度分布为:

由此可得通风器内的空气平均温度:

将方程(5)代入式(1)，还可求得通风器的动力热压。

2 物理模型

太阳能烟囱通常有太阳能集热墙体(Trombe墙)和太阳能集热屋面两种典型结构，后者的特点是由上部盖板(通常为透明盖板)、下部吸热板以及中间的空气流道共同组成房间的排风系统［5］。太阳能集热屋面又分为竖直式和倾斜式两种结构形式。此外，还有墙壁—屋顶式(Wall-Roof)的太阳能烟囱、辅助风塔通风的太阳能烟囱等。对于既有建筑，则通过附加单独的太阳能烟囱辅助通风，如图1所示。目前，在欧美国家，太阳能烟囱已被应用于被动式太阳房，并成为太阳房的主要组成部分。

太阳能烟囱不仅可以用于民用建筑的通风，也可用于需要通风换气的工业厂房及种植温室，但首先需要考虑的是当地是否具有丰富的太阳能资源。通风器的关键参数为太阳能利用系数和通风器的阻抗，设计时必须注意:

1)内部吸热材料的吸收率要大，布置时要尽量减小对气流流动的影响。

2)通风器的吸热装置尽可能不要被其他物体阻挡，尽量让其竖向截面垂直于日射方向，以便尽可能多的吸收太阳辐射。

3)排风通道的阻抗要尽可能小，重量应尽可能的轻。

4)使通风器出口处于风压负压区，以便利用风压加强通风和防止气流倒灌。

5)尽量将太阳能烟囱与其他建筑构件如风塔、天井、楼梯间结合成整体系统，以达到更好通风效果。

3 实验及分析

实验选取过渡季节阳光辐射较为强烈且风力较小天气进行。通风器为自制，高度为4 m，断面为0.8 m×0.8 m矩形。为减轻重量，通风器的固定框架选用PE管，以三通作为连接件。吸热材料为黑色丝布，沿通风器长度方向布置在通风器的对角面上。通风器外部用透明塑料薄膜包裹，如图2所示。

图1 太阳能烟囱示意图

图2 通风器模型及断面图

4 结语

图2中，截面图中的四个“*”代表测点布置位置，在通风器进口和出口断面分别以此布置四个温度测点，以测量T0，Tr;Tp采用激光测温仪测得，为减小误差，以测量多个断面平均温度加权计算确定。

以下为太阳辐射强度及部分实验结果曲线(见图3，图4)。

图3 太阳辐射强度变化曲线

图4 单位体积通风量变化曲线

从图3，图4曲线的变化规律可以看出，单位体积通风器的通风量的总体变化规律与水平太阳辐射照度的变化规律相似，通风量随着辐射照度的增加而增加，早晨和下午较小，中午最大，即太阳辐射越强烈，通风量越大，而此时建筑所需通风量也会增大，也就是主、被动因素的变化趋势相同，这是太阳能通风区别其他空调设计的重要特征。

对于实验所用通风器，单位体积通风器的平均通风量为0.076 m3/s，单位长度阻抗值为1.08 kg/m7，平均太阳辐射利用系数为0.162 7。若是按照此标准给建筑通风，一幢普通的现代建筑所需的通风器的体积就会非常庞大，即使造价不高，庞大的体积也会使得施工非常不便。对于太阳能不是十分丰富的地区，实用性将会更低。另外，太阳辐射利用系数值也较低，原因在于多方面，但主要是因为吸热板大部分面积与日射角度太小的原因。

图3显示，正午时的太阳辐射最强烈，通风量也最大，但图5的曲线却表明，正午的太阳辐射利用系数却最低。原因在于正午太阳高度角最大，辐射方向基本与通风器的侧面平行，日射在吸热材料的有效投影面积很小，吸收的太阳能相对较少，所以利用系数就相应较小。若是通风器在安装时，设定一定的角度或是可以根据日射方向随时调整角度以便增大有效辐射面积，则利用率就会大大提高，但要综合考虑调整角度后，通风器的铅直高度减小会削弱通风器的通风能力。

图5 太阳辐射利用系数变化曲线

1)以实验所用通风器材料为标准，单位体积通风器的通风量为0.076 m3/s;单位长度阻抗为1.08 kg/m7;太阳辐射平均利用系数为 0.162 7。

2)利用太阳能来加强建筑的自然通风可以大大降低建筑空调能耗，但其技术尚处于不成熟阶段，形式和材料的标准也没统一和普及，其初投资和施工难度也很高，所以目前还不具备广泛推广的条件。但是太阳能通风器迎合了开发太阳能的绿色发展方向，迎合了建筑节能的主流，所以高效经济的太阳能通风器的研发必然是今后建筑节能的一项重大战略举措。

［1］付祥钊.建筑节能［D］.重庆:重庆大学，2006.

［2］Bansal NK，Mathur R，Bhandari MS.Solar chimney for enhanced stack ventilation［J］.Building and Environment，1993(28):373-377.

［3］Bansal NK.Modeling of window-sized solar chimneys for ventilation［J］.Building and Environment，2005(40):1302-1308.

［4］何 云.数值模拟在太阳能烟囱通风效应研究中的应用［D］.昆明:云南师范大学，2006.

［5］苏 醒.太阳能烟囱的通风效应及应用研究［D］.上海:同济大学，2005.