太陽能煙囪建筑設計案例分析

楊倩苗，薛一冰，張晨悅

（1.山東綠色建筑協同創新中心，山東濟南　250001；2.山東建筑大學建筑城規學院，山東濟南　250001）

太陽能煙囪建筑設計案例分析

楊倩苗1，2，薛一冰1，2，張晨悅2

（1.山東綠色建筑協同創新中心，山東濟南250001；2.山東建筑大學建筑城規學院，山東濟南250001）

在綠色建筑設計中，太陽能煙囪作為有效的建筑自然通風利用技術得到日益廣泛的應用。文章闡述了太陽能煙囪的通風原理，通過太陽能煙囪通風技術設計的典型案例，總結了建筑應用太陽能煙囪通風技術設計的特征型、消隱型和融合型三種主要方式，提出了太陽能煙囪4個方面的技術設計要點，并指出無論采用何種類型的太陽能煙囪，都需要從提高進、排風口之間的“三差”的角度進行技術設計，保證其自然通風效果，是今后太陽能煙囪技術設計領域的主要方向。

太陽能煙囪；技術設計；自然通風

0　引言

在綠色建筑設計中，自然通風是常用的被動式設計手段。太陽能煙囪是加強版的自然通風技術，利用太陽熱量加熱煙囪內的空氣，增大煙囪的拔風效果。

目前，在建筑熱工領域，國內外學者對太陽能煙囪流道內部、房間內部的空氣流速變化、溫度升高等熱工性能進行了大量的模擬和實驗研究［1］，證明其通風量的大小與煙囪高度、煙囪寬度、室內外溫度差、進出風口面積比等因素密切相關［2］。在建筑設計領域，從原理層面提出了太陽能煙囪與建筑本體集成的理論，將圍護結構、樓梯、走廊等建筑形式要素作為氣流通道［3］。

在建筑設計實踐中，太陽能煙囪自然通風的概念被大量應用，但其專項技術設計和實際通風效果卻往往被忽略，究其原因是目前太陽能煙囪技術設計理論的匱乏，因此論文分析了大量應用太陽能煙囪的典型案例，從中總結出太陽能煙囪技術設計的三種主要方式，并提出太陽能煙囪技術設計的四個方面的建議，為今后的太陽能煙囪技術設計提供一定的理論基礎。

1　太陽能煙囪的通風原理

從圖1中可以看出，太陽光曬熱太陽能煙囪上部集熱構件（圖1（a）中深色部分），加熱煙囪內的空氣，熱空氣上升，在煙囪底部形成負壓區，帶動底部房間空氣流入煙囪內，新鮮空氣從房間另一側補充，從而實現房間的自然通風，如圖1（b）所示［4］。

英國劍橋大學Nick等總結出了太陽能煙囪的通風與進排風口之間的高度差、溫度差、壓力差（簡稱“三差”）成正比［5］。因此，結合建筑工程實踐，太陽能煙囪技術設計的重點是提高進排風口之間的“三差”，保證自然通風效果。此時，吹拔空間、透明玻璃是保證太陽能煙囪通風效果的技術特征，也是太陽能煙囪的形態特征。

圖1　太陽能煙囪CFD模擬圖

2　建筑技術設計案例分析

2.1建筑技術設計方式

通過研究大量的建筑案例，根據太陽能煙囪技術特征的表現程度，總結出了建筑應用太陽能煙囪通風技術設計的三種主要方式:特征型、消隱型和融合型。

2.1.1特征型

以提高太陽能煙囪的拔風效果為主要目的，在建筑中單獨設計太陽能墻煙囪，完全保持太陽能煙囪獨特的技術特征，臺灣成功大學的“綠色魔法學院”的太陽能煙囪就屬于特征型。

臺灣成功大學的“綠色魔法學院”是臺灣第一座“零碳建筑”，地上3層，地下1層，建筑面積4799.67 m2。為了強化自然通風，三層通高的中庭、300人的國際會議廳“崇華廳”、亞熱帶綠建博物館分別設計了太陽能煙囪，如圖2（a）所示［6］。太陽能煙囪的形態完全符合流體力學的要求，以最大程度地發揮其自然通風效果，減少空調的使用時間。扁平、高聳的體量，如圖2（b）所示［7］，為其服務的大空間提供風場均勻、風速適中的拔風吸力；煙囪外壁開設玻璃窗，窗內側安裝了鋁板材質的黑色烤漆集熱板，用于加大煙囪內垂直方向的溫度差，加強抽風效果。這種模仿傳統“灶窯”通風系統，“原汁原味”地再現其技術特征的太陽能煙囪，就是特征型的太陽能煙囪。

特征型太陽能煙囪的建筑形態服務于通風效果，是一種技術流的太陽能煙囪。

漲潮時進行套泊作業。為便于頂流靠泊，待泊船完成調頭后在離泊船上游碼頭前沿旋回區候泊。漲潮雙套作業等候方式見圖2。洋山港四期出口船可使用航道正常出口。需要注意的是，雙方需協調確認如何通過，必要時洋山港四期出口船需盡量主動等待，等候待泊船完成調頭后再通過。

2.1.2消隱型

消隱型太陽能煙囪是內在的，從建筑外觀上幾乎看不見太陽能煙囪的痕跡，建筑本體的建筑風格不受其影響。夏季自然通風的特朗勃墻、井—箱式的雙層玻璃幕墻是消隱型太陽能煙囪的典型代表。

圖2　臺灣成功大學“綠色魔法學校”圖

特朗勃墻是建筑自發利用太陽能實現冬季采暖的一種被動式太陽能熱利用方式，在解決其夏季過熱的問題時，發現可利用特朗勃墻實現室內的自然通風，夏季自然通風的特朗勃墻其本質就是太陽能煙囪。1974年建成的Kelbaugh住宅位于美國普林斯頓，是建筑師Douglas Kelbaugh的自建二層住宅，南立面設計了56 m2的特朗勃墻，如圖3（a）所示夏季特朗勃墻內的熱空氣從屋檐下的排風口排出帶動室外涼爽空氣從建筑北側進入，實現自然通風如圖3（b）所示［7-8］。從Kelbaugh住宅的建筑外觀上，根本找不到太陽能煙囪最主要的形態特征——吹拔空間，太陽能煙囪被隱藏在建筑的墻體內。

圖3　Kelbaugh住宅圖

位于德國杜塞多夫的ARAG 2000辦公塔樓，如圖4（a）所示，高120 m，由RKW與Norman Foster合作設計，因為建筑南側的交通噪聲極高，設計了雙層玻璃幕墻隔絕室外噪音。玻璃幕墻同時兼顧自然通風，在垂直方向被分為四組，每組8個樓層，按井—箱式結構設計，如圖4（b）所示。太陽能加熱豎井內的空氣，帶動與箱型窗連通的房間內部的自然通風，在設計階段的模擬試驗表明，ARAG 2000辦公塔樓每年有50% ～60%的時間可以實現自然通風［9-10］。不難看出，貫通8個樓層的豎井就是太陽能煙囪的吹拔空間，建筑形態具有典型的玻璃幕墻的特征，而與太陽能煙囪關系不大。

消隱型太陽能煙囪的特點就是隨形就勢，是在應用太陽能得熱技術、建筑隔聲技術等的同時，通過進出風口的設計、組織結構的優化等技術措施，兼顧太陽能煙囪的自然通風，其通風效果受原有功能的限制，將吹拔空間隱藏在建筑內部，其高聳的形態不復存在了。

2.1.3融合型

融合型的太陽能煙囪建筑形態介于特征型與消隱型之間，將樓梯間、風道、中庭等建筑本體要素作為氣流通道［11］，進行太陽能煙囪集成設計，在保證其原有使用功能的基礎上，實現建筑的自然通風樓梯間的體量和尺寸易于產生拔風效果，因此太陽能煙囪多與樓梯間融合設計，英國諾丁漢稅務部（Nottingham Tax Office）就是應用融合型太陽能煙囪形態的典型案例。

圖4　ARAG 2000辦公塔樓圖

圖5　諾丁漢稅務部辦公樓圖

英國諾丁漢稅務部大樓樓梯間設計成太陽能通風煙囪，其功能同時具備垂直交通和自然通風，其建筑形態同時保持樓梯間和太陽能煙囪的雙重特征。樓梯間突出建筑屋頂，突出部分四面設計有透明玻璃，是樓梯間太陽能煙囪不同于普通樓梯間的典型特征。

2.2建筑技術設計的建議

無論采用何種方式的太陽能煙囪通風技術，在設計中都需要保證其自然通風效果，因此需要注意下面4條其技術設計要點:

（1）太陽能煙囪帶動的自然通風的區域是有限的

熱空氣上升產生的動力是有限的，因此在設計中需要合理匹配太陽能煙囪服務的自然通風的區域面積，杜絕出現“小馬拉大車”的情況。清華大學超低能耗樓，如圖6（a）所示，也是與樓梯間集成設計的融合型太陽能煙囪，樓梯間5.2 m×6.6 m，三跑樓梯，在梯井位置設置了3個封閉的玻璃豎井，如圖6（b）所示，分別負責一二層、三層、四層的自然通風，保證每個樓層的通風換氣次數［13］。與諾丁漢稅務部大樓相比，清華超低能耗樓樓梯間太陽能煙囪采用的是“一拖一”的設計方案，每個通風豎井負責相應的樓層面積的自然通風，避免了不同樓層間氣流的交叉，保證了上部樓層的通風效果。

（2）設計太陽能集熱構造提高自然通風效果

與一般的通風煙囪相比，太陽能煙囪的特點就是利用太陽能集熱構件提高進排風口之間的溫度差，增大煙囪的拔風效果。太陽能集熱構造設計有兩種:一是常規構造，將煙囪四壁的全部或部分設計成透明玻璃，將太陽光引入加熱煙囪內空氣，如諾丁漢稅務部的玻璃樓梯間（如圖5所示）、清華超低能耗樓通風豎井的玻璃頂部（如圖6所示）；二是加強構造，在常規做法的基礎上增加黑色或深色集熱構件，進一步提高進出風口的溫度差，如臺灣成功大學的太陽能煙囪頂部的黑色鋁板（如圖2所示）、2010歐洲“太陽能十項全能”競賽作品“home+”的太陽能煙囪上部（天窗內）懸掛的黑色吸熱片（如圖7所示）［14］。

圖6　清華大學超低能耗樓圖

圖7　home+的屋頂天窗（內懸掛吸熱片）圖

（3）合理確定太陽能煙囪的高度保證自然通風效果

理論上太陽能煙囪的高度越高其拔風效果越好，但考慮到立面的尺度和效果，特征型、融合型的太陽能煙囪高出建筑屋頂1～2層層高。消隱型太陽能煙囪隱藏在建筑內部，在滿足原有功能的同時兼顧拔風效果，因此其高度應同時考慮上述兩方面的要求。

（4）優化排風口設計防止氣流、雨水倒灌

防雨、防風是太陽能煙囪排風口必要的設計要求，可啟閉的天窗是最常用的太陽能煙囪排風口形式，多用于融合型太陽能煙囪。諾丁漢稅務部辦公樓樓梯間頂部可升降的頂帽，清華超低能耗樓樓梯間出屋面部分可開啟側窗，實現了太陽能煙囪排風和防雨。特征型太陽能煙囪多從保證出風口負壓、提高進出風口壓力差的角度進行排風口設計，臺灣成功大學太陽能煙囪出風口剖面內收成笛口狀，形如半個文丘里管，出風口風速變大、壓力減小，更好地將煙囪內空氣排除，如圖（8）所示［15］。

圖8　成功大學太陽能煙囪排風口通風示意圖

3　結語

文章以太陽能煙囪的技術設計為研究對象，總結了建筑應用太陽能煙囪通風技術設計的特征型消隱型和融合型三種主要方式，提出了太陽能煙囪4個方面的技術設計要點，無論采用何種類型的太陽能煙囪，都需要從提高進、排風口之間的“三差的角度進行技術設計，保證其自然通風效果，這也是今后太陽能煙囪技術設計領域的主要方向。

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（學科責編：李雪蕾）

A case study on architectural technology design of solar chimney

Yang Qianmiao1，2，Xue Yibing1，2，Zhang Chenyue2
（1.Shandong Co-innovation Center of Green Building，Jinan 250001，China；2.School of Architecture and Urban Planning，Shandong Jianzhu University，Jinan 250001，China）

In green building design，solar chimney is an effective natural ventilation technology and is more and more widely applied.At present，it lacks of architectural design theory of solar chimney.In this paper，the principle of solar chimney ventilation is presented.Furthermore，three design approaches，which are used to design solar chimney，are summarized:feature type，type and fusion type，according to the study on some typical solar chimney case.Finally，four suggestions are presented about technology design of solar chimney.This paper points out that the key problem of solar chimney design is to increase“three differential value”from inlet to outlet.It guarantees for building natural ventilation and is the development direction of solar chimney technology.

solar chimney；technical design；natural ventilation

1673-7644（2015）06-0590-06

TU111

A

2013-12-08

山東省高校科技計劃項目（J11LE07）

楊倩苗（1980-），女，講師，博士，主要從事綠色建筑技術研究.E-mail:yqm1222@163.com