太阳能烟囱强化自然通风与蒸发冷却复合系统的分析

马柱柱,宣永梅

(西安工程大学环境与化学工程学院,陕西西安710048)

引言

针对全球能源匮乏的严峻形势,越来越多的可再生能源受到关注和应用,寻求清洁能源利用新技术已经成为暖通空调行业的研究热点之一[1]。近年来,利用自然通风的方式改善室内热环境越来越受到人们的重视,但由于自然通风量受室外气候条件和建筑结构形式的约束难以有效控制,通风效果不稳定。而太阳能烟囱技术利用太阳辐射为自然通风提供动力,是被许多能源专家看好的具有发展前景的一项新能源技术[2],在此基础上,提出一种将太阳能烟囱通风技术与蒸发冷却相结合的复合空调系统,它能进一步强化室内自然通风,并能有效地对空气实现降温、加湿过程。

1 工作原理及意义

太阳能烟囱强化自然通风是将古老的烟囱技术与现代太阳能利用技术完美结合,基于热压作用下的通风原理,利用太阳辐射增大烟囱内外温差,促进室内外空气的流动,增加室内通风量,改善通风效果,从而达到通风、降温、除湿、改善室内空气品质的目的。常见太阳能烟囱形式有[3]:Trombe墙体式结构 (见图1)、竖直集热板屋顶式结构 (见图2)、倾斜集热板屋顶式结构 (见图3),此外,还有墙壁—屋顶式太阳能烟囱、辅助风塔通风的太阳能烟囱等。

图1 墙体式结构

图2 竖直集热板屋顶式结构

图3 倾斜集热板屋顶式结构

太阳能烟囱技术用于室内通风具有显著意义:利用清洁免费的太阳能强化自然通风,将室外空气送入室内,提高空气质量,避免了人们长期处于空调状态下、空气品质下降所导致的 “空调综合症”,同时又增加了室内通风换气次数,有效驱除了室内污染物。

2 太阳能强化自然通风的研究现状

太阳能烟囱强化自然通风的通风性能主要受烟囱结构尺寸、烟囱结构形式、太阳辐射强度及室外气象参数等条件决定。然而太阳辐射具有随机性及不确定性,难以控制,室外风速、环境温度等也是不确定因素,因此太阳能烟囱自身的结构特性是影响通风性能的一个重要因素。目前国内外学者对太阳能烟囱强化自然通风的研究主要集中于获得最佳通风量的烟囱结构尺寸与形式,并对此进行了大量的实验研究、数值模拟和解析分析。

2.1 实验研究方面

在通风量与结构尺寸关系的实验研究中,早在1994年Bouchair[4]等在实验室条件下对太阳能烟囱的通风量进行了研究,其中太阳能烟囱高度为2m,宽度为4m,深度在0.1～1.0m之间变化,实验结果表明,为了获取最大通风量,存在一个最佳宽度与深度比,若烟囱宽度过大,在烟囱通道中会出现空气回流现象,影响通风效果。2001年,Spencer[5]等人进行了小尺寸烟囱实验研究,结果表明,随着烟囱深度增大,通风量持续增加,但当烟囱深高比达到0.4时烟囱通道内就会出现空气回流现象。2009年,Arce[6]等人在西班牙的Tabernas沙漠进行了太阳能烟囱全尺寸实验,实验表明在烟囱高度为3m、烟囱深度为0.3m、倾角为45℃、热流密度为400W/m2的条件下烟囱可达到最佳通风效果。

在国内,2005年,荆海薇[7]研究了一面壁加热的竖直集热板屋顶式太阳能烟囱,实验结果表明,对于高度为2 m,长度为1 m,宽度变化范围为400～1200mm的竖直集热板屋项式太阳能烟囱,当烟囱空气通道宽度和高度比值为0.5时,此时烟囱通风量达到最大。2006年,郝彩霞[8]在荆海薇的基础上研究了二面壁加热的竖直集热板屋顶式太阳能烟囱,研究表明,与一面壁加热不同的是,对于两面壁加热,没有发现最佳的结构尺寸使得风量最大,随着烟囱宽度的增加通风量一直在增大。2009年,端木祥玲[9]利用氢气泡技术分别对竖直集热屋顶式太阳能烟囱和Trombe墙体式太阳能烟囱进行了实验研究,分析表明,当两种烟囱模型的房间进口尺寸和烟囱的宽度相同时,Trombe墙体式太阳能烟囱产生的自然通风量相比于竖直集热板屋顶式太阳能烟囱要大很多。

2.2 理论分析

太阳能烟囱理论分析主要是对其各组成部分的传热过程进行分析,建立相关温度分布的数学模型,从理论上推导通风量与各个参数之间的关系,从而得到烟囱内部空气温度分布的理论公式。2003年,Ong[10]等人根据烟囱内部空气能量平衡关系建立了一个简单烟囱稳态数学模型,采用转置矩阵法求解此数学模型,得出了烟囱进出口温度和太阳辐射照度对其通风量的影响。2005年,Bansal[11]等人同样用能量平衡关系建立了集热墙、玻璃板和烟囱内部空气的平均温度方程,计算结果与实验结果误差在10%之内。2005年,苏醒[12]等人应用能量平衡法对竖直式太阳能烟囱进行了理论分析和数值计算,分析了烟囱结构尺寸、室外气象参数以及集热墙与玻璃盖板的物性参数对通风量的影响。2006年,陈会娟[13]等人同样采用能量平衡法对Trombe墙的通风性能进行了分析计算与讨论,得出了通风量与烟囱结构尺寸、太阳辐射之间的关系。

2.3 数值模拟

采用计算流体力学的数值模拟方法可以较为详细地得出烟囱内部空气的温度场和速度场等的分布规律。1998年,Gan[14]等人通过CFD数值模拟了Trombe墙体结构,得出了通风量随着吸热墙温度、太阳辐射强度、高度、宽度以及吸热墙的厚度的改变而改变。2000年,Rodfigues[15]等采用CFD方法模拟了二维紊流流动条件下太阳能烟囱内部空气的流场和温度场,分析了Gr数以及Nu数对通风性能的影响。2003年,王丽萍[16]使用稳态三维CFD软件对3种不同结构形式的太阳能烟囱进行了数值模拟对比研究。2006年,孙猛[17]等同样利用k-ε湍流模型对太阳能烟囱的通风性能进行了三维模拟。

3 太阳能烟囱和蒸发冷却复合系统的分析

结合国内外对太阳能烟囱强化自然通风的研究进展,本文提出了一种太阳能烟囱强化自然通风和蒸发冷却结合的通风系统。我国西北地区全年少雨,气候干燥,太阳辐射强度大[18](1),以新疆地区为例,新疆地区夏季气候干燥,干湿球温差大,这些条件为蒸发冷却技术提供了天然场所。另外新疆地区太阳日照丰富,年平均日照达2500小时以上,可利用太阳辐射产生的热压强化自然通风。因此,针对干燥地区夏季炎热气候,提出一种太阳能烟囱与蒸发冷却复合通风降温节能系统。

如图4所示,该通风供冷节能系统由太阳能烟囱和蒸发冷却两部分组成,其中建筑南墙设有的Trombe墙太阳能烟囱主要由透明玻璃板和Trombe墙组成烟道,透明玻璃板上下分别设有阀门2和3,Trombe墙烟囱通道侧表面设有吸热材料,另一侧表面设有绝缘材料,上下分别设有阀门1和4。建筑北墙的蒸发冷却系统是由喷淋循环水的湿通道构成,湿通道内表面附有亲水材料,下部设有的水槽、屋顶水箱、阀门、循环水泵,通过水管相连通。太阳能烟囱看作是房间的排风系统,通过太阳能辐射加热烟囱内空气,将烟囱内空气热能转化为动能,从而为建筑北墙设有湿空气通道的直接蒸发冷却送风系统提供免费动力。

图4 太阳能烟囱结合蒸发冷却系统示意图

本系统具体工作过程如下:

在夏季,关闭阀门2、4,打开阀门1、3、5,Trombe墙通过透明玻璃板吸收太阳辐射热量,加热烟囱内空气,室内空气不断地由烟囱通道内排除,从而驱动室外空气不断地由建筑北墙的湿通道送入室内。室外空气在烟囱效应的热压作用下,依次流经湿通道、房间、最后由烟囱通道排出,形成一个直流模式,通风效果明显。同时,室外空气在流经湿通道时,在亲水材料作用下,干热空气与循环水进行充分热湿交换,是一个直接蒸发冷却过程,有效地降低了送风温度。

在冬季,停用建筑北墙循环水蒸发冷却系统,关闭阀门2、3、5,打开阀门1、4,利用太阳能加热烟囱内的空气,将热空气送入室内。当室外空气温度不是很低,也可以关闭阀门1、3、5,打开阀门2、4,将室外新鲜空气通过烟囱加热送入室内。

4 结 论

太阳能烟囱强化自然通风是一种很有潜力的通风手段,它具有强化室内通风、改善室内空气品质的优点。蒸发冷却技术具有节能、无污染的特点。将太阳能烟囱强化自然通风和蒸发冷却技术相相结合应用于生态建筑,有效地解决了室内通风降温问题,由绿色能源太阳能作为蒸发冷却空调中风机的驱动力,大大节省了投资和运行费用,节能环保效果显著,具有良好发展前景。

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