太阳能驱动的无动力风帽作用下工业厂房通风量研究*

孟晓静 康思远 曹莹雪

（1.西安建筑科技大学资源工程学院，陕西 西安 710002；2.西部绿色建筑国家重点实验室，陕西 西安 710055）

0 引言

对于具有强热源的工业厂房，往往需要较大的室内通风量来排走余热，无动力风帽辅助自然通风的方式被广泛应用。由于自然通风受到气候条件、建筑朝向和围护结构等的影响，存在着随机性和复杂性［1］。在夏季室内外热压差较小或室外风速较小时，无动力风帽提供的通风量往往无法满足室内环境的需求，如何提高无动力风帽的通风量是值得研究的课题。岳高伟等［2］模拟了室内不同通风方式和风速下甲醛的分布特征，并给出优化的通风方式和送风速度。CHEN Z D等［3］开发了一种利用电解产生氢气泡的技术，分析了温度差异导致的自然通风流量与浓度差异引起的自然通风流量的相似性。近年来，太阳能逐渐被用于强化现有的自然通风方式，比如太阳能烟囱、太阳能墙等。ISMAIL M等［4］研究了风能与太阳能混合动力屋顶通风器在实际建筑中的应用，相比于常规通风器，混合动力屋顶通风器使室内空气温度和相对湿度分别降低了0.7℃和1.7%。LAI C M［5］研制了一种风能和光能混合动力的屋顶通风器样机，并且通过低速风洞试验研究了该样机的通风性能，发现在室外风速小于5 m/s时屋顶通风器能提高通风效率。因此，在原有无动力风帽基础上，本文设计了一种太阳能驱动的无动力风帽，将太阳能转化为无动力风帽叶片旋转的动能，从而增大室内通风量。通过模型实验测试分析了太阳能驱动的无动力风帽作用下工业厂房通风量的变化规律，为太阳能驱动的无动力风帽的推广应用奠定一定的基础。

1 实验方案

1.1 实验台搭建

由于现有的无动力屋顶通风严重依赖室外环境条件，本文设计了一种由太阳能驱动的无动力风帽，如图1所示。将直流有刷电机放置于无动力风帽顶部，用齿轮焊接风帽与电机转轴以增大接触面积，电机用钢架支撑，电机额定功率10 W，额定功率下转速600 r/min。电机与太阳能光伏板用专用导线连接，太阳能光伏板尺寸540 mm×670 mm，最大输出功率50 W。太阳能光伏板放置于室外空旷地方，全天可以被太阳照射。在电机与太阳能板之间可加装太阳能专用蓄电池。

图1 太阳能驱动的无动力风帽

在下侧窗中央位置设置测点S1，在上侧窗中央位置设置测点S2，两个测点处分别使用SWA03＋万向微风速探头测试风速和温度，SWA03＋与设备电脑连接，测量间隔为5 min。本文搭建了太阳能驱动的无动力风帽联合自然通风系统实验台，风帽位于实验台顶部，并在其上方安装直流有刷电机，电机与外部太阳能光伏板连接，实验装置如图2所示。实验台尺寸1500 mm×900 mm×1 650 mm，在实验台前后两侧（Y=0 mm和Y=900 mm），距离地面150 mm处与距离实验台顶部100 mm（Z=150 mm和Z=1 550 mm）处，设长宽为1 250 mm×150 mm的下侧窗①②与上侧窗③④。模型顶部中央处设直径为150 mm的通风口与相同口径的无动力风帽连接，通风口喉管处安装蜂窝构造，蜂窝器能够降低气流的湍流速度。热源直径为250 mm，放置于实验台底部中央，其表面温度可根据需要进行调节，可调范围为0～400℃。

图2 实验模型装置示意

1.2 测点设置

在风帽通风口处设置测点S3，S3处安装风速、温度探头，探头连接TSI9565风速仪主机，记录风帽排风速度和排风温度，测量间隔为5 min。

太阳能板放置与地面的夹角和当日西安当地太阳光线与地面的夹角相同，在太阳能板50 cm处放置太阳辐射传感器连接JT2020多功能测试仪，测量太阳辐射总强度，测量间隔5 min。测试仪器的测量范围和测量精度如表1所示。

表1 测试仪器参数

1.3 工况设置

为了测得风帽通风量随着太阳辐射强度的变化规律，本文设置两种开窗模式。开窗模式1为开启下侧窗①②与上侧窗③④，开窗模式2为开启下侧窗①②，关闭上侧窗③④。

首先测试风压作用下全天太阳辐射强度的变化对风帽通风量的影响，如表2所示。两种开窗模式分别测试2 d，共测试4d，测试从当天8：00开始，19：00结束。

表2 不同太阳辐射强度变化工况设置

然后考虑太阳辐射强度一定时，热压和风压共同作用下室内通风量变化规律。开启室内热源，调节热源表面温度，分别选取100、200、300、400℃。加装太阳能专用蓄电池，太阳能蓄电池为电机提供稳定功率，电机功率选取2.5、5、7.5、10 W。研究不同热源表面温度和电机功率下无动力风帽的通风量。

2 结果分析与讨论

2.1 不同太阳辐射强度下太阳能驱动的无动力风帽通风量

为测量太阳辐射强度对两种开窗模式下无动力风帽通风量的影响，选取4d进行测试。对于开窗模式1选取2021年9月11日和9月19日测试，开窗模式2选取2021年10月5日和10月6日测试。不同太阳辐射强度对无动力风帽通风量的影响如图3所示。

图3 不同太阳辐射强度对无动力风帽通风量的影响

对于开窗模式1，9月11日由于晴天太阳辐射强度大，太阳能提供的动能较大，风帽的通风量增加更快，电机从8：00开始驱动风帽旋转，12：00达到电机的额定功率，此时风帽的通风量达到310 m3/h，12：00以后风帽通风量增长较为缓慢。当天在15：00时风帽的通风量达到最大值385 m3/h，随之通风量开始减少，且从18：00开始降幅明显。19日阴天，风帽的通风量缓步增长，由于阴天太阳辐射强度小，所以风帽的通风量增幅不稳定，甚至在太阳辐射强度降低的时期有停止转动的现象，但是总体趋势随着太阳辐射强度的变化而变化。并且在15：00达到最大通风量320 m3/h。

对于开窗模式2，10月5日和10月6日均是多云，只有5日15：00太阳能提供的动能使电机达到额定功率，故通风量随着太阳辐射强度变化的趋势明显。并且2 d分别在15：00达到通风量最大值327 m3/h和223 m3/h。因此，在达到电机额定功率之前，风帽通风量的变化规律与太阳辐射强度的变化规律基本一致。

风帽的通风量随太阳辐射强度的变化如图4所示。由图可以看出，两种开窗模式下，风帽的通风量随着太阳辐射强度的增加而增大。太阳辐射强度达到240 W/m2之前风帽通风量增幅较快，而太阳辐射强度达到240 W/m2之后，通风量增加程度减缓。由此可以看出，太阳辐射强度达到240 W/m2时达到直流有刷电机的额定功率，超过额定功率后风帽通风量仍然有所增加，电机将超额定功率运行。从图中还可以看出，当太阳辐射强度过低时，电机未能驱动风帽旋转，太阳辐射强度小于10 W/m2时风帽通风量为0。

图4 风帽通风量随太阳强度分布

2.2 太阳辐射强度一定时无动力风帽的通风量

当阴雨天太阳辐射强度不足以为电机提供足够动能，或者工业厂房会有夜间作业，而此时却没有太阳能为电机提供动能。为能准确稳定的调控电机功率大小，用太阳能专用蓄电池连接太阳能光伏板与电机，太阳能光伏板为蓄电池充电，蓄电池为电机提供动力。

太阳能输入功率一定时，不同热源表面温度下太阳能驱动的无动力风帽通风量如图5所示。由2.1节结果分析可知，太阳辐射强度在240 W/m2时电机达到额定功率，那么电机功率0、2.5、5、7.5、10 W分别对应太阳输出功率0、60、120、180、240 W/m2。

图5 太阳辐射强度一定时风帽通风量

由图5可以看出，随着电机功率的增加，风帽的通风量整体呈升高趋势。当太阳辐射强度为0、60和120 W/m2时，开窗模式1风帽的通风量整体低于开窗模式2风帽的通风量。这是由于热源的存在，热源周围的空气被加热，与室外较冷的气体产生密度差从而产生热压差，使得底部的气体在热压的作用下向上移动。开窗模式1中有一部分气体通过上侧窗排出，而开窗模式2没有上侧窗，所有的气体都由风帽排出，故开窗模式1风帽通风量小于开窗模式2。当太阳辐射强度达到120 W/m2之后，开窗模式1风帽的通风量与开窗模式2风帽的通风量接近。这是由于电机驱动风帽旋转过快，室内气体整体向风帽聚拢，所有的气体均由风帽排出，开窗模式1中的上侧窗未起到排风的作用。因此，在有热源存在的情况下，太阳辐射强度超过120 W/m2后开窗模式1上侧窗形成短路气流，不利于热源周围的热空气排出，应当关闭。

从图5中还可以看出，开窗模式1中太阳辐射强度小于60 W/m2和开窗模式2中太阳辐射强度小于120 W/m2时，风帽的通风量随着热源表面温度的增大而增大，此时热压通风为主导。而当太阳辐射强度大于上述值时，热源表面温度对风帽通风量的影响较小，室内通风量由风帽叶片旋转带动风压为主导。

3 结论

本文提出了一种太阳能驱动的无动力风帽，搭建了太阳能驱动的无动力风帽联合自然通风系统实验台，测试分析了太阳能驱动的无动力风帽通风量的变化规律，得到以下结论：

1）在没有达到电机额定功率之前，太阳能强度驱动的无动力风帽通风量的变化规律与太阳辐射强度的变化规律基本一致。

2）太阳辐射强度达到120 W/m2时，开窗模式1的上侧窗形成短路气流，并未起到排风的作用，故此时应当关闭上侧窗。

3）开窗模式1下太阳辐射强度小于60 W/m2和开窗模式2下太阳辐射强度小于120 W/m2时，室内通风量随热源表面温度变化明显，此时热压通风为主导；而太阳辐射强度大于上述值时，风帽转动带来的风压通风为主导，热源表面温度对室内通风量的影响较小。