建筑室内热羽流与太阳能烟囱效应耦合性能研究

郝亚烨，雷勇刚，杜保存

（太原理工大学 土木工程学院，山西 太原 030024）

0 引言

随着建筑能耗和建筑面积的不断增加，利用可再生能源已经成为国内外建筑节能研究的热点[1]。太阳能烟囱技术在强化自然通风、提高室内热舒适性和新能源发电等方面得到了广泛的应用，极大地提升了太阳能综合利用率[2]～[4]。

国内外学者对建筑太阳能烟囱的通风性能开展了大量的研究。Kong Jing对倾斜屋顶式太阳能烟囱进行数值研究，发现其最佳倾斜角度在45～60°，其具体数值取决于纬度和使用季节[5]。Hussain研究了屋顶式太阳能烟囱集热器的进风口形状对太阳能烟囱性能的影响，结果表明，当进风口具有垂直的横截面时，通道整体通风性能达到最优[6]。Wang Yi研究室内高温热源对建筑热环境的影响时发现，热源的对流及辐射对带有浮升力驱动通风的热环境有很大的影响，增强了室内空气的流动[7]。Wang Haoyu提出了一种太阳能烟囱与水墙的组合系统，通过减少玻璃面板的厚度和控制水冷壁组件的着色，使烟囱通风率分别提高了7.3%和5.2%[8]。Elghamry Rania提出了一种太阳能烟囱和地埋换热管相结合的新型系统，实验结果表明该系统可使室温降低4.5℃，日换气次数可达45次[9]。

通过以上研究可见，目前对建筑太阳能烟囱的研究多集中在结构参数及环境参数对其性能的影响。在实际应用中，一些变电站机房、数据机房等室内存在高热源的建筑，利用太阳能烟囱进行自然通风时，热源近表面处产生热浮力羽流[10]～[12]，存在太阳能烟囱效应与室内热源热羽流相互耦合作用。针对这一问题，本文建立了太阳能烟囱与建筑内热羽流共同作用的多物理场耦合的三维数值模型；针对太阳辐射强度I，内热源热流密度W，内热源距地高度Z和内热源表面发射率ε对太阳能烟囱自然通风性能影响进行研究；为太阳能烟囱强化自然通风技术在室内具有高温内热源的建筑中的应用提供参考和依据。

1 物理模型

太阳能烟囱与建筑室内热羽流共同作用的多物理场耦合的三维物理模型如图1所示。房间的几何尺寸为3 200 mm×3 200 mm×3 000 mm。室内热源尺寸为800 mm×800 mm×1 000 mm，置于房间正中央。太阳能烟囱设置于建筑南侧外墙，包括竖直段和倾斜段两部分，倾斜段与水平方向夹角为45°。太阳能烟囱外侧为玻璃盖板，内侧为集热面，中间为空气通道。房间北侧墙体设置500 mm×200 mm的新风口，其下边缘距地200 mm。烟囱入口STVU的几何尺寸为1000 mm×200 mm，烟囱宽度RQ为1 000 mm，竖直段高度WQ为1 500 mm，倾斜段长度WN为1 500 mm。

图1 物理模型Fig.1 Physical model

太阳能烟囱与建筑室内热羽流共同作用的工作原理：在太阳辐射及室内热源的共同作用下，室内空气通过烟囱下部入口进入空气通道；太阳光照射到玻璃盖板，一小部分被玻璃盖板吸收增温，绝大部分被太阳能烟囱内侧的集热墙体吸收。通道内的空气被加热，密度减小，与外部空气形成密度差，促使室内空气流动并通过太阳能烟囱通道排出室外，增强自然通风和改善室内空气品质。

2 数值模拟方法

2.1 控制方程和计算方法

利用Fluent软件对上述模型进行数值模拟分析。模型中室内气流及太阳能烟囱内部气流运动属于湍流流动，采用RNGκ-ε模型，其三维稳态湍流控制方程如下。

式中：ui为xi方向上的平均速度分量，m/s；xi为坐标，i=1，2，3；ρ为空气密度，kg/m3；P为平均压力，Pa；νt，ν为湍流和层流粘滞系数；gi为i方向上的重力加速度，m/s2；β为空气膨胀系数，1/K；T，T∞为平均温度和参考点温度，K；Γ为广义扩散系数；κ为湍流脉动动能；ε为流体脉动动能的耗散率；c1，c2为经验系数；Gk为湍流动能的产生项；Pr为普朗特数；σk，σε，σt为经验系数。

采用Boussinesq假设来处理动量方程中的浮力项，使用有限容积法离散控制方程，采用RNG湍流模型求解。由于内热源的存在，引入DO辐射模型同时解决墙体辐射和气体参与的影响。模型中采用SIMPLE算法进行速度和压力耦合，对流项的离散格式为二阶迎风格式。

2.2 边界条件

如图1所示：平面LIJK为压力入口，室外新风经由平面LIJK进入室内；平面MNPO为压力出口，其相对总压设置为零；平面RQWZ、平面ZWNM、平面TSYX和平面XYPO为壁面边界条件；房间墙体为壁面边界条件，内表面与室内热源进行辐射换热。

计算域中所有固体壁面为无滑移条件，玻璃盖板和集热墙的热流密度通过太阳辐射强度及材料的物性参数计算得出。玻璃盖板吸收率α1=0.06，透射率τ=0.84；吸热板吸收率α2=0.95；室外环境温度为300 K；大气压力为101.325 kPa。

2.3 计算网格

通过CFD前处理软件Gambit对物理模型进行几何建模与网格划分。采用非结构化四面体网格，同时在太阳能烟囱内部、热源壁面处、墙壁内表面等换热流动强烈的区域进行局部网格加密，以提高模拟结果的准确性。建立了7套网格来进行网格独立性考核，网格数分别为143 938，182 226，251 199，346 482，520 901，651165，702 828。图2为网格独立性考核结果，通过分析不同网格数下的计算通风量发现，第5套网格的计算通风量与相邻两套网格的计算通风量偏差小于1%，结果稳定。考虑计算结果准确性和节省计算资源，选择第5套网格进行模拟计算。

图2 网格独立性考核结果Fig.2 The grid independence test and verify

2.4 模型有效性验证

在文献[13]实验条件下的太阳能烟囱参数：高度1 025 mm，长度为925 mm；通道宽度80 mm；太阳辐射强度分别为200，400，600，800，1 000 W/m2。采用上述模型和计算方法对相同结构及边界条件的太阳能烟囱建模，进行数值模拟计算，并以通风量为主要评价指标，将模拟结果与实验数据进行对比（图3）。由对比结果可知，模拟数据与实验测量值总体趋势一致，且偏差小于10%，在误差允许的范围之内。这充分说明了本文采用的模型及计算方法的有效性。

图3 数值模拟结果与实验数据对比Fig.3 The comparison of the experiment data and the simulation data

3 结果与分析

3.1 太阳辐射强度I对通风量的影响

图4为在不同内热源热流密度和不同内热源距地高度下，太阳能烟囱通风量随太阳辐射强度I的变化曲线。其中：太阳辐射强度I=200～1 200 W/m2；内热源表面热流密度W=0～3 000 W/m2；内热源距地高度Z=0～600 mm；内热源表面发射率ε=0.8。

图4 通风量随太阳辐射强度的变化Fig.4 Variations of ventilation rate with solar radiation intensity

图4（a）表明，当热源距地高度Z为300 mm时，太阳能烟囱内通风量在不同内热源热流密度下的变化趋势大致相同。随着太阳辐射强度的增大，烟囱通风量呈上升趋势。当内热源表面热流密度W=0，即内热源表面无热羽流时，随着太阳辐射强度I从200 W/m2增至1200 W/m2，太阳能烟囱通风量由0.103 m3/s增至0.126 m3/s，最大增幅为22.3%。当内热源表面热流密度W为3 000 W/m2时，太阳能烟囱通风量在不同太阳辐射强度下的最大增幅为14.3%。这说明随着内热源表面热流密度的增加，太阳辐射强度对通风量的影响逐渐减小。在设置有太阳能烟囱和具有内部热源的建筑中，太阳能烟囱和热源对自然通风具有耦合作用。随着太阳辐射强度的增大，集热墙吸收更多热量，使得烟囱通道内空气温度升高，密度差增大，由此产生的气流浮升驱动力逐渐增大，促使通风量增大。随着内热源表面热流密度的增大，热源表面热羽流与室内空气自然对流换热，加大了浮力热羽流对通风量的影响，内部热源对自然通风的作用增大，太阳辐射强度对通风量的影响逐渐减小。

图4（b）表明，内热源表面热流密度W为2 000 W/m2时，通风量随着太阳辐射强度的增大呈现递增的趋势，但增大的幅度会随着内热源距地高度的增加而轻微减小。内热源距地高度Z=0时，太阳辐射强度I从200 W/m2增至1 200 W/m2时，通风量从0.118 m3/s增至0.138 m3/s，增幅为16.9%。当内热源距地高度Z为600 mm时，太阳能烟囱的通风量在不同太阳辐射强度下相对增幅为15.7%。

3.2 内热源热流密度W对通风量的影响`

图5为在不同太阳辐射强度I和不同内热源距地高度Z的情况下，太阳能烟囱通风量随内热源表面热流密度W的变化曲线。内热源表面热流密度W为0～3 000 W/m2；内热源表面发射率ε为0.8。

图5 通风量随内热源热流密度的变化Fig.5 Variations of ventilation rate with indoor heat source intensity

图5（a）表明，当内热源距地高度Z为300 mm时，太阳能烟囱通风量随着内热源表面热流密度的增大呈上升趋势，通风量的增加幅度随着太阳辐射强度的增加而逐渐减小。当太阳辐射强度I为200 W/m2时，随着内热源表面热流密度W从0逐渐增至3 000 W/m2，太阳能烟囱通风量由0.103 m3/s增至0.127 m3/s，最大增幅为23.3%。当太阳辐射强度I为1 200 W/m2时，太阳能烟囱通风量相对增幅为13.9%。当内热源表面热流密度W增大时，热源表面与室内空气的换热强度增加，热源表面处的热浮力羽流强度增大，带动更多室内气流进入太阳能烟囱内部，使其通风量增大。当太阳辐射强度增大时，烟囱部分受热增多，通道内空气升温导致的密度差产生浮升力，促使气流向上流出，降低了室内热源热流密度对通风量的影响。

图5（b）表明，当太阳辐射强度I为800 W/m2时，随着内热源表面热流密度的增大，太阳能烟囱通风量逐渐增大，且随着内热源距地高度的增加，通风量的增幅加大。当W=3 000 W/m2，Z=600 mm时，通风量达到最大值，为0.140 m3/s。当Z=0，即内热源直接置于地面上，内热源表面热流密度由0增至3 000 W/m2时，烟囱通风量由0.118 m3/s增至0.136 m3/s，增幅为15.6%。

3.3 内热源距地高度Z对通风量的影响

图6为在不同太阳辐射强度和不同内热源表面热流密度下，太阳能烟囱通风量随着内热源距地高度Z的变化曲线。内热源距地高度取值为0～600 mm。

图6 通风量随内热源距地高度的变化Fig.6 Variations of ventilation rate with the height of the heat source from the ground

图6（a）表明，在太阳辐射强度不同时，随着内热源距地高度的增大，烟囱通风量均会平缓增加；太阳辐射强度越大，通风量增加幅度越小。当太阳辐射强度I为200 W/m2时，随着内热源距地高度Z从0增至600 mm，太阳能烟囱通风量由0.118 m3/s增至0.121 m3/s，最大增幅只有2.5%；当太阳辐射强度I为1200 W/m2时，内热源距地高度对通风量的影响不足1.9%。

由图6（b）可知，当W=0，即内热源表面热流密度为零时，内热源表面与室内空气无温度差，此时改变内热源距地高度Z，太阳能烟囱通风量维持不变。当内热源表面热流密度逐渐增大时，增加内热源距地高度可在一定程度上增加太阳能烟囱通风量；当W=3 000 W/m2时，随着内热源距地高度Z从0增至600 mm，烟囱通风量由0.136 m3/s增至0.140 m3/s，增幅为2.9%。在本文范围内，增加内热源距地高度Z，在一定程度上增强内热源热羽流与进风口新风的对流扰动。

3.4 内热源表面发射率ε对通风量的影响

图7为在不同太阳辐射强度、内热源表面热流密度下，太阳能烟囱通风量随内热源表面发射率ε的变化曲线。

图7 通风量随内热源表面发射率的变化Fig.7 Variations of ventilation rate with the indoor heat source surface emissivity

由图7（a）可知，在不同的太阳辐射强度下，太阳能烟囱通风量会随着内热源表面发射率ε的增大而增加。随着太阳辐射强度的增大，内热源表面发射率ε对通风量的影响逐渐降低。内热源表面发射率ε由0.2增至0.8时，对应I=200 W/m2和I=1 200 W/m2的情况，太阳能烟囱通风量增幅分别为5%和3.5%。

由图7（b）可知，在太阳辐射强度一定的情况下，内热源表面热流密度越强，增大内热源表面发射率ε对烟囱通风量的影响越明显。因为热源表面发射率越高，内热源与室内空气、内墙的辐射换热强度越高，热源表面热浮力羽流加强了内热源与室内空气的自然对流效果，增大了烟囱通风量。

由图7（c）可知，当太阳辐射强度与内热源表面热流密度为固定值，内热源表面发射率ε由0.2增至0.8时，对应Z=0和Z=600的情况，太阳能烟囱通风量增幅分别为1.1%和2.0%。可见内热源距地高度对通风量影响较小。

4 结论

本文建立了太阳能烟囱与建筑室内热羽流共同作用的物理模型，通过三维数值模拟研究了太阳能烟囱在不同太阳辐射强度、内热源热流密度、内热源距地高度和内热源表面发射率工况下的自然通风性能。

①在本文研究范围内，内热源热流密度和太阳辐射强度均对太阳能烟囱的通风性能起到增益效果，且二者相互促进。随着太阳辐射强度的增大，太阳能烟囱通风量逐渐增大，最大增幅为22.3%，但其增大幅度会随着内热源热流密度和距地高度的增大而减小。

②随着内热源热流密度的增大，在不同太阳辐射强度下，太阳能烟囱通风量均会增大，最大增幅为23.3%。当太阳辐射强度较小时，内热源热流密度的变化对烟囱通风量的影响更大；随着内热源距地高度的增加，内热源热流密度对烟囱通风量的增益效果愈加明显。

③太阳能烟囱通风量会随着内热源距地高度和内热源表面发射率的增大而逐渐增大，但影响程度不及太阳辐射强度和内热源热流密度的影响。在太阳辐射强度一定的情况下，内热源表面热流密度越高，内热源表面发射率ε对烟囱通风量的增益效果越明显。