夏熱冬冷地區太陽能煙囪冬季供暖的性能研究

王素云，宣永梅

(西安工程大學 環境與化學工程學院，陜西 西安 710048)

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夏熱冬冷地區太陽能煙囪冬季供暖的性能研究

王素云，宣永梅

(西安工程大學 環境與化學工程學院，陜西 西安 710048)

摘要：介紹了太陽能煙囪在通風和供暖兩種工況下的系統原理及流程，分析了太陽能煙囪用于夏熱冬冷地區冬季采暖的兩種運行模式特點及性能，計算結果表明：太陽能煙囪通風量隨太陽輻射強度、煙囪高度及煙囪寬度的增加而增加。當室外溫度相同，室內溫度低于室外溫度時，室內空氣循環系統的通風量比全新風系統的通風量大；室內溫度高于室外溫度時，室內空氣循環系統的通風量比全新風系統的通風量小。室內空氣循環系統空氣獲得的熱量比新風系統大，更容易滿足室內熱舒適需求。在太陽輻射強度為200W/m2時，全新風系統和室內空氣循環系統得到的熱量分別能達到室內熱負荷的76.6%、94.2%。在太陽輻射強度為300W/m2、400W/m2時，可滿足室內熱負荷需求。

關鍵詞：太陽能煙囪；供暖；全新風系統；通風量

1引言

太陽能煙囪依靠太陽輻射增加煙囪內部空氣溫度，使得煙囪內外產生溫度差形成浮力，從而形成煙囪內空氣的流動，利用“煙囪效應”來強化室內自然通風，改善建筑內熱濕環境，提高室內空氣品質。太陽能煙囪不消耗常規能源，不需要額外的動力裝置，僅利用可再生能源—太陽能，具有降低建筑采暖通風與空調能耗，改善室內空氣品質及能源資源可再生等優點，在綠色建筑和生態建筑的發展推廣中有良好的應用前景[1，2]。

在太陽能煙囪應用中，可根據室外太陽能輻射強度及室外空氣參數開閉不同的風閥，從而實現通風降溫、供暖等不同功能[3]。目前國內外學者對太陽能煙囪的研究主要集中在分析太陽能煙囪幾何結構和傾斜角度對其通風降溫性能的影響。2003年，王麗萍[4]利用實驗模擬分析了trombe墻體式太陽能煙囪的特性。2005年，楊衛波等人[5]對太陽能通風墻進行模擬，發現空氣夾層厚度的盲目增大及風速的增加會降低其通風性能。2006年，陳會娟、陳濱等[6]借助計算程序采用一維熱網絡模型對特朗貝墻體的集熱性能進行了分析計算。1994年，A.Bouchair[8]研究了利用太陽能煙囪促進被動式通風的方式，發現存在一個可以獲得最大通風量的最佳太陽能煙囪高寬比，如果煙囪寬度過大，在通道中心將會存在空氣回流。2014年，Leng Pau Chung等人[10]利用CFD軟件對太陽能煙囪在濕熱環境下的通風進行了模擬研究，得出：一個36 m3的房間，煙囪深度可在0.6～1.0 m，煙囪高度可在1.5～2.0 m，室內空氣流速為0.04～0.223 m/s。現有文獻對太陽能煙囪在冬季工況下的運行模式進行研究的文獻較少。2013年，王漢青、郭娟等[7]對Trombe墻式太陽能強化自然通風方式在冬季工況下白天的運行模式進行了模擬研究。2014年，A.P. Haghighi等人[9]對太陽能煙囪在溫帶地區的通風與供熱進行了模擬研究，研究尺寸為4 m×4 m×3.125 m的房間，其煙囪高3.125 m、寬4 m、深0.2 m，得出：室外溫度為5 ℃，太陽輻射強度為215 W/m2時，還能滿足室內的供熱需求。只要設計合理的煙囪，就可達到室內熱舒適性的需求。研究不同結構參數的太陽能煙囪在一定太陽輻射強度下對應的冬季采暖對降低建筑采暖能耗具有一定的實際價值。

夏熱冬冷地區最冷月平均溫度為0～10 ℃，處在我國太陽能資源一般區，太陽輻照量為4 200～5 400 MJ/(m2·年)。武漢素有“三大火爐”之稱，夏熱冬冷的氣候特點最為典型，一年中，1月平均氣溫最低，為3 ℃；7月平均氣溫最高，為29.3 ℃[11]。此地區不屬于采暖區域，若太陽能煙囪可用于供暖，可降低建筑采暖能耗。本文介紹了太陽能煙囪通風降溫和采暖運行模式，著重分析計算了太陽能煙囪在夏熱冬冷地區采暖的運行性能，并對其可行性進行了探討。

2太陽能煙囪工作原理及流程

2.1結構

太陽能煙囪在建筑中的應用如圖1所示，建筑南墻設有Trombe墻，太陽能煙囪主要由透明玻璃板和Trombe墻組成煙道，透明玻璃板上下分別設有閥門1和2，Trombe墻煙囪通道側表面設有吸熱材料，另一側表面設有絕熱材料，墻體上下分別設有閥門3和4。實際應用中，可根據室外氣象參數啟閉對應的風閥，從而實現太陽能煙囪不同的運行模式。

2.2流程及特點

2.2.1夏季工作流程

(1) 在清晨、傍晚，室內溫度高于室外溫度，關閉閥門2、3，打開閥門1、4，實現室內通風降溫，室內熱空氣進入空氣通道被加熱后排出，可以改善室內空氣質量，增加室內的換氣次數，除去室內的一部分冷負荷。

(2) 在白天，室內溫度低于室外溫度，關閉閥門3、4，開啟閥門1、2，阻止室外熱量向室內的傳遞。

(3) 在深夜，室內溫度高于室外溫度，集熱墻已經沒有熱量可以利用時，開啟所有風口，此時通風墻進行熱壓和風壓下的自然通風，室外空氣通過下側的兩個風口進入室內，室內空氣通過上側的兩個風口排到室外。過渡季節，也可以采用這種運行方式，全天開啟風口，排除室內余熱并進行通風換氣。

2.2.2冬季工作流程

(1) 室內空氣循環系統。冬季，關閉閥門1、2，打開閥門3、4，利用太陽能加熱煙囪內的空氣，將熱空氣送入室內，將此通風模式定義為室內空氣循環系統。空氣通道里的空氣加熱后在浮力作用下上升，從集熱墻的上風口進入室內，向房間提供熱空氣，同時，房間的冷空氣進入空氣通道進行補風，室內空氣是一個內循環過程，沒有新風的補充。在冬季清晨、傍晚，室內溫度高于室外溫度時，采用這種運行方式，防止室外冷空氣侵入室內，室內空氣吸收太陽能，只進行內循環。

(2) 全新風系統。當室外空氣溫度不是很低時，也可以關閉閥門1、4，打開閥門2、3，將室外新鮮空氣通過煙囪加熱送入室內，將該通風系統稱之為全新風系統。在這種方式下，室外冷空氣進入空氣通道后，被加熱上升從集熱墻的上風口進入室內，向房間提供熱空氣的同時還對房間進行了新風的補充。在冬季白天，室內溫度低于室外溫度時，采用全新風運行模式，室外空氣吸收太陽能后進入室內，將室外熱量及集熱墻吸收的太陽能代入室內，并進行通風換氣，補充新風。

3太陽能煙囪通風量計算

3.1煙囪通風量計算公式

以全新風系統為例，根據質量守恒定律，太陽能煙囪誘導的空氣質量流量為[12]：

(1)

式中G為質量流量，kg/s；Cd為流量系數，在此模型中取Cd=0.57[13]；Ρ0為出口空氣密度，kg/m3；A0為出口面積，m2；g為重力加速度，m/s2；L為太陽能煙囪高度，m；T0為出口的空氣溫度，K；Ta為室外空氣溫度，K；Ar為出口面積與進口面積之比。單位面積吸熱板的能量平衡方程[14]：

(ατ)S(t)=hf(Tp-Tfp)+UL(TP-Ta)

(2)

式中α為吸熱板的吸收率，取α= 0.95；τ為玻璃的透射系數，取τ= 0.85；S(t) 為太陽輻射強度，W/m2；hf為吸熱板與流道中空氣之間的換熱系數，W/(m2·K)；Tp為吸熱板溫度，K；Tfp為流道中空氣的平均溫度，K；UL為吸熱板與周圍環境之間的熱損失系數，W/(m2·K)；Ta為室外空氣溫度，K。

式(2)中參數的取值計算方法參見文獻[14]。假設沿太陽能煙囪空氣流動方向為X軸，由于太陽能煙囪通道中空氣夾層的厚度很薄，通常在0.1～0.3m之間變化[15]，為此計算中忽略煙囪深度，將太陽能煙囪視為二維平面，計算中只考慮煙囪高度方向和寬度方向。則太陽能煙囪通道X方向上微元長度中空氣的能量平衡方程表示為:

(3)

式中Cp為空氣的定壓比熱，kJ/(kg·K) ，取Cp= 1.01kJ/(kg·K)；Δx為微元長度，m；W為吸熱板的寬度，m；Tf為流道中空氣的溫度，K。太陽能煙囪的初始條件為x=0，Tf=Ta：

Tf(x)=Tp-(Tp-Ta)exp(-Zx)

(4)

(5)

沿煙囪高度方向上太陽能煙囪內空氣的平均溫度Tfp可表示為:

(6)

(7)

(8)

(9)

煙囪進出口溫差ΔT為:

ΔT=T0-Ta=(Tp-Ta)[1-exp(-ZL)]

(10)

聯立方程(1)、(8)、(9)豎直式太陽能煙囪內通風量G:

(11)

同全新風系統，室內空氣循環系統的通風量為：

(12)

比較式(11)、(12)，當Ta=Tr時，式(11)和式(12)完全相同。所以，當室內外溫度相同時，全新風系統和室內空氣循環系統的通風量一樣。當Tr>Ta時，室內空氣循環系統的通風量小于全新風系統的通風量。反之，全新氣系統的通風量大于室內空氣循環系統的通風量。從式(11)、(12)中可以看出，太陽能煙囪的通風量受太陽輻射強度、煙囪高度、煙囪寬度及室內外溫度等參數影響。

3.2計算結果及分析

武漢冬季室外平均風速為3.7m/s，太陽輻射強度最高為447W/m2[11]。計算中，α=0.95，τ = 0.85[14]，Ai=Ao=0.1m2，煙囪高度為1～4m，煙囪寬度為1～4m[9]，太陽輻射強度為200～400W/m2，計算得在不同工況下太陽能煙囪的通風量，計算結果如圖2～圖6所示。

從圖2、圖3和圖4可以看出，通風量隨太陽能煙囪高度、煙囪寬度以及太陽輻射強度的增加而增加。這主要是由于高度的增加導致集熱面積增大，從而可吸收更多的太陽輻射能，以此來加熱夾層空氣，驅動其流動。因此，與建筑屋面配合，適當增加太陽能煙囪長度將會達到更好的通風效果。

研究得，在Ta=Tr的情況下，全新風系統與室內空氣循環系統的通風量相同。武漢地區房間不供暖情況下，室外溫度為-3 ℃時，室內溫度為0 ℃[15]，得出圖5、6。從圖5可以看出，室內溫度高于室外溫度時，室內空氣循環系統的通風量比全新風系統小。從圖6可以看出，煙囪出口溫度隨太陽輻射強度的增加而增大。

4供熱效果分析

選取煙囪尺寸為H=3.125 m，W=4 m，對全新風系統與A.P.Haghighi[9]的研究結果進行對比。根據熱量的計算公式Q=cm(to-tr)，c=1010 J/(kg·K)，tr=10 ℃，計算結果見表1。

表1　新風系統可提供的熱量

根據面積熱指標法計算，Q=qn·m·F[15]，F為建筑面積。選取供熱面積熱指標qn·m=90(W/m2)[16]，對于太陽能煙囪房間大小為4 m×4 m×3.125 m[9]，房間所需熱負荷為1 440 W，與表1對比，顯然新風系統在太陽輻射強度為200 W/m2時，不能滿足房間的供熱需求。這與A.P.Haghighi[9]的研究結果基本相符。

對于武漢地區冬季不供暖的房間，室外溫度為-3 ℃，室內溫度為0 ℃[15]。全新風系統與室內空氣循環系統空氣獲得的熱量結果表2、表3。

表2　全新風系統可提供的熱量

表3　室內空氣循環可提供的熱量

全新風系統與室內空氣循環系統相比，全新風系統的通風量比室內空氣循環系統的通風量大，但全新風系統煙囪出口溫度比室內空氣循環系統煙囪出口溫度低，計算結果表明：室內空氣循環系統可提供的熱量比全新風系統大，更容易滿足室內熱舒適需求。對于3 m×3 m×3 m的房間，所需熱負荷為810 W。在太陽輻射強度為200 W/m2時，全新風系統和室內空氣循環系統得到的熱量分別能達到室內熱負荷的76.6%、94.2%。在太陽輻射強度為300 W/m2、400 W/m2時，可滿足室內熱負荷需求。其與熱負荷需求適合的房間搭配在一起，是可以滿足供熱需求的。由此可見，太陽能煙囪用于供暖也是可能的。對于不同體積的房間，煙囪有不同范圍的尺寸，只要設計合理的煙囪就可達到室內熱舒適性的需求[10～20]。

5結語

(1) 太陽能煙囪用于室內通風降溫及供暖，既改善了室內熱環境，又可以節約能源。

(2) 太陽能煙囪通風量受太陽輻射強度、煙囪高度、煙囪寬度及室內外溫度等因素影響，隨著太陽輻射強度、煙囪高度及煙囪寬度的增加而增加。當室外溫度相同時，室內溫度低于室外溫度時，室內空氣循環系統的通風量比全新風大；室內溫度高于室外溫度時，室內空氣循環系統的通風量比全新風小。

(3) 太陽能煙囪可以滿足房間供熱需求。在太陽輻射強度為200 W/m2時，全新風系統和室內空氣循環系統得到的熱量分別能達到室內熱負荷的76.6%、94.2%。在太陽輻射強度為300 W/m2、400 W/m2時，可滿足室內熱負荷需求。

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Research on the Performance of Solar Chimney for Winter Heating in Hot Summer and Cold Winter Zone

Wang Suyun，XuanYongmei

(CollegeofEnvironmentalandChemicalEngineering，Xi′anPolytechnicUniversity，Xi′an710048，China)

Abstract:The article introduces the system theoryand process of solar chimney in two kinds of conditions，namely ventilation and heating.The article focuses on the analysis of the characteristics and performance of two kinds of operating mode for heating in the area whose summer is hot and winter is cold.The results show thatthe ventilation rate is increasing with the increase of the solar radiation and solar chimney′s width and height.When the outdoor temperature is the same and the indoor temperature is lower than the outdoor′s，the ventilation rate of the indoor air circulation system is higher than that of the all fresh air system;when the indoor temperature is higher than the outdoor′s，the ventilation rate of the indoor air circulation system is lower thanthat of the all fresh air system.The heat from the indoor air circulation system is largerthan the heat from the all fresh air system，which is easier for the indoor air circulation system to meet the demand of the indoor thermal comfort.Whenthe solar intensity is 200 w/m2，the heat can achieve 76.6% and 94.2% of the indoor heat load by the all fresh air system and the indoor air circulation system.Whenthe solar intensity is 300 w/m2 and 400 w/m2，the two systems can meet the demand of indoor heat load.

Key words:solar chimney;heating;all fresh air system;ventilation rate

文章編號：1674-9944(2016)02-0111-04

中圖分類號：X83

文獻標識碼：A

作者簡介：王素云(1989—)，女，山西安澤人，西安工程大學環境與化學工程學院碩士研究生。

收稿日期：2015-11-04