多層建筑太陽能煙囪的全年通風潛力評價

張明杰，郜 志

(南京大學 建筑與城市規劃學院，江蘇 南京 210093)

建筑自然通風有助于提高室內空氣品質和降低建筑空調負荷.然而，自然通風受室外氣象條件影響具有不穩定性的特征[1].作為一種有組織自然通風的裝置，太陽能煙囪可以將輻射得熱轉化為熱壓動力從而強化建筑自然通風，在研究和應用中受到越來越多的關注.

國內外已有研究探討了多種太陽能煙囪在不同工況下的通風效果[2-3].縮尺和全尺寸實驗研究奠定了太陽能煙囪通風效果研究的基礎.但由于成本較高，較難開展系統性的研究.隨著相關研究的不斷深入，太陽能煙囪通風流量計算理論模型被提出并得到不斷完善.上世紀九十年代，Bansal等[4]、Andersen[5]提出可用于簡化計算的太陽能煙囪流量公式；公式包含煙囪出入口溫度和流量系數等自變量.流量系數可取經驗值，范圍在0.6±0.1，其值與孔口形狀、阻力等因素相關[2].2003年，Ong[6]提出了一個簡單的Trombe式太陽能煙囪穩態傳熱數學模型，通過矩陣反演方法求解包含煙囪玻璃罩表面、吸熱墻壁面和腔體內空氣等邊界溫度的熱網絡方程組，進一步完善了煙囪理論模型.之后，一些學者[7-8]建立了太陽能煙囪動態能量模型，考慮煙囪運行過程的非穩態和熱慣性特征，可以用于計算煙囪流量和空腔內部溫度隨時間的變化.除了實驗和理論研究，計算流體力學(Computational Fluid Dynamics, CFD)和建筑能源模型(Building Energy Model, BEM)等數值計算方法也逐漸應用在太陽能煙囪研究領域.這尤其促進了對應用于多層建筑的太陽能煙囪進行系統分析.雷先鵬[9]應用CFD模擬分析了穩態條件下長沙某多層建筑太陽能煙囪通風性能，結果表明一層通風量顯著大于其他樓層.趙爽[10]使用FLUENT軟件模擬分析了夏季正午天津某五層辦公建筑的太陽能煙囪通風性能，結果表明隨著太陽能煙囪的深度增加，各層進風口部位逐漸出現局部的渦流現象.為了分析太陽能煙囪通風長周期自然通風效益，一些研究選擇使用EnergyPlus模擬方法.Asadi等[11]利用EnergyPlus模擬研究了伊斯法罕典型七層辦公樓多種太陽能煙囪設計方案，結果表明太陽能煙囪布置在建筑物的東南部時可提供最大的通風量.查新彧[12]利用EnergyPlus研究了上海三層建筑太陽能煙囪的節能效果，全年節能率達到12.9%.Hong等[13]使用EnergyPlus單區域煙囪模型分析了杭州二層獨立式住宅太陽能煙囪增強通風及其節能效益，結果顯示全年機械通風耗能降低77.8%.

值得注意的是，利用CFD進行太陽能煙囪通風效果研究，準確定義特定工況下的邊界條件仍較為困難；應用EnergyPlus單區域煙囪模型模擬多層太陽能煙囪通風情況時，需提前測定各入口流量分配系數；對太陽能煙囪的通風性能評價仍多使用流量、流速等基礎參數，無法滿足綜合潛力評價的需求[1, 14-15].本文研究提出構建一個工作流來評估多入口煙囪太陽能驅動下的全年通風潛力.首先基于建筑設計平臺Rhino上的性能模擬工具Honeybee(EnergyPlus)[16]和RhinoCFD(PHOENICS)[17]進行耦合模擬，從而較為便捷地計算煙囪全年逐時流量.其次，定義一個煙囪通風潛力評價指標，提升煙囪性能評價的簡便性和綜合性.為了展示該工作流可行性和適用性，本文研究以南京某三層辦公建筑中太陽能煙囪為例進行了案例演示，并對比了多入口煙囪和獨立式煙囪的通風潛力情況.

1 研究方法

1.1 煙囪流量計算模型

應用Energyplus單區域煙囪模型計算太陽能驅動下的煙囪流量[13]，見式(1).

(1)

式中：Q為煙囪體積流量，m3/s；Cd為流量系數，取經驗值[3]，如0.5；A為煙囪橫截面面積，m2；g為重力加速度，取9.8 m/s2；L為煙囪高度，m；To為煙囪出口空氣溫度，K；Tr為煙囪入口空氣溫度，K.

對于設計有多個入口的太陽能煙囪，不同入口處的流量(Qi)可結合分配系數(ri)計算得到，各分配系數之和等于1，見式(2)和式(3)：

Qi=riQ

(2)

r1+r2+…+rn=1

(3)

應用PHOENICS開展煙囪內熱壓通風模擬，以求解各入口流量分配系數.模擬所需邊界條件則由Energyplus熱工模擬獲得[18]，見式(4).

(4)

式中：hw為吸熱墻壁面對流換熱系數，W/m2K；Tw,s為吸熱墻壁面溫度，K；Tsc煙囪內空氣溫度，K；hg為玻璃蓋板壁面對流換熱系數，W/m2K；Tg,s為玻璃蓋板內壁面溫度，K；ρ為煙囪內空氣密度，kg/m3；cp為空氣比熱容，J/kgK；w為煙囪寬度，m.

1.2 模擬工作流和通風潛力指標

建筑設計平臺Rhino同時搭載了能耗和氣流模擬插件Honeybee和RhinoCFD，分別以EnergyPlus和PHOENICS為計算引擎。結合二者搭建耦合模擬工作流，可以便捷地實現數據交互，協同模擬效率較高。工作流包括三個步驟：1)預模擬.提取Rhino中的幾何模型，利用Honeybee轉化為熱工模型.定義煙囪熱工區域時，流量系數使用經驗值，流量分配系數或參照相近案例設定近似值，或設置均分值.進行全年周期模擬.2)典型工況模擬.拾取Rhino中煙囪幾何模型，轉化為RhinoCFD模擬計算域.基于預模擬結果，定義至少3組典型工況，進行熱壓氣流模擬.求解完成后，提取各出入口流量，計算得到流量分配系數.3)全年周期模擬.根據RhinoCFD模擬獲得的流量分配系數，調整熱工模型設置，重新計算全年周期煙囪熱壓通風效果.輸出各功能房間在室人數、太陽能煙囪各入口逐時通風量等數據.

定義太陽能煙囪通風潛力值為單位時間的有效通風量，見式(5).

(5)

式中：Psc為潛力值，m3/h；k為與煙囪連通房間序號；i為人員在室時刻；t為人員在室總時長，h；Qk,i為房間逐時有效新風量，m3.Qk,i隨房間人員密度和逐時在室率而變化，且僅當煙囪入口流量滿足房間最小新風量時計入有效流量，見式(6).

(6)

式中：Qk-d,i為房間最小新風需求量，m3.Qk-d,i計算見式(7).

Qk-d,i=Akdkk,iqkΔt

(7)

式中：Ak為房間面積，m2；dk為房間人員密度，人/m2；ηi為在室率；qk為單人最小新風量，m3/h·人；Δt取1 h；Qsc-k,i為煙囪帶動房間k逐時通風量，m3.

以往研究發現了太陽能煙囪流量過剩[12]，即煙囪實際流量遠大于新風需求的現象.通風潛力值Psc的定義公式使用房間逐時有效新風量Qk,i作為因子，可以排除流量過剩現象對潛力值判定的干擾.

2 案例研究

2.1 案例建筑

案例建筑位于江蘇省南京市.通過分析南京氣象文件(epw格式)，發現日間時段(8∶00～18∶00)靜風時數達到550 h，占比為13.70%；日間時段風速不超過2 m/s的時數達到1 768 h，占比達44.03%.靜風或低風速情況下，熱壓通風，尤其是太陽能煙囪等增強自然通風裝置可以很好地提升建筑通風換氣.本節研究即設置環境為靜風，重點關注太陽能驅動下的煙囪熱壓通風效果.

案例建筑為正南朝向三層辦公建筑，見圖1a.建筑東側布置辦公空間，每個辦公室建筑面積約230 m2.建筑南側設置太陽能煙囪，尺寸為3 m×0.35 m×8.1 m.煙囪底部設置有第一個進風口(面積0.9 m2)，連通一層辦公室.距煙囪底部3.6 m處設置第二個進風口(面積0.9 m2)，連通二層辦公室.煙囪頂部高出女兒墻0.9 m，設置出風口(面積0.9 m2).太陽能煙囪構造如圖1(b)所示，詳細構造信息及熱工參數見文獻[12].

圖1 案例建筑模型

2.2 模擬工作流應用

參照GB50189—2015《公共建筑節能設計標準》和DG J32/J96—2010《江蘇省公共建筑節能設計標準》，辦公室人員密度設置為4 m2/人，人員工作日在室時段為7∶00～19∶00，逐時在室率設參照標準設置.非工作日設定室內無人員活動.辦公空間室內照明功率密度設置為9 W/m2，電器設備功率密度設置為20 W/m2.滲風換氣次數設定為0.5次/h.其他熱工區域根據房間類型和使用情況進行室內熱源的具體設置，詳見文獻[12].參照舒適性空調設計要求，功能空間有人員活動時溫度控制在[16, 28 ℃]區間.一層和二層辦公室使用煙囪加強自然通風的方式引入新風.啟用能源管理系統管理煙囪入口開閉狀態.設定人員在室時段，當室外氣溫同樣在[16, 28 ℃]區間時，煙囪入口開啟.該規則有助于避免過熱或過冷室外空氣的引入導致室溫偏離舒適性區間及伴隨的冷熱負荷增加.區域煙囪模型中，流量系數設置為0.5，入口1和入口2的流量分配系數均設置為0.5.三層辦公室啟用新風系統引入室外空氣，流量按照辦公空間最小新風量要求設置為30 m3/h?人.

模擬完成后發現，太陽能煙囪有效運行時段主要在3月～11月.提取4月5日和7月5日10∶00、14∶00和16∶00三個時刻的數據，建立共計6組CFD模擬工況.煙囪網格劃分如圖2(a)所示，y方向設置網格精度為進深的1/35，煙囪出入口處網格加密處理，總網格數達到567 000.圖2(b)～(d)展示了4月5日三個工況的煙囪中部(y-z)剖面空氣流速云圖.結果表明，不同的邊界條件下，煙囪內氣流模式差異較小.

圖2 網格及氣流模擬結果

提取所有模擬工況煙囪出口和兩個入口的流量，并計算得出各個入口的流量分配系數，如表1所示.可以發現在不同的邊界條件下，流量分配系數變化不大.這反映出，相比于邊界條件，煙囪本身的構造材料和幾何尺寸等設計參數更直接決定了各入口流量分配系數.設定所研究太陽能煙囪入口1流量分配系數為0.89，入口2流量分配系數為0.11.將分配系數寫入熱工模型設置，重新計算.

表1 不同工況下煙囪入口1、2流量系數

2.3 結果分析

圖3(a)和3(b)依次展示了4月和7月第1周一、二、三層辦公室新風供需關系.新風需求根據人員密度、逐時在室率和新風量設計標準而確定.除滲風換氣外，一層、二層辦公室新風由太陽能煙囪增強自然通風供給，三層辦公室則由機械通風系統供給.圖3同時展示了模擬工況中煙囪玻璃蓋板入射太陽輻射強度的波動情況。值得注意的是，受到太陽高度角和天氣的影響，7月第一周玻璃蓋板接收到的太陽輻射強度整體偏小。

從圖3(a)所示結果發現，當周內太陽能煙囪有效運行時段主要在4日至7日(即24～120 h).從通風量上看，太陽能煙囪供給一層辦公室的最大新風流量達到0.80 m3/s左右；4天內通風量達到需求的煙囪有效運行時長依次為9 h、11 h、11 h、10 h.而太陽能煙囪供給二層辦公室的最大新風流量僅為0.09 m3/s左右；房間新風流量均未能達到要求.對比三層辦公室機械通風方式，煙囪增強自然通風供給一層辦公室的新風量遠遠高于實際需求，而供給二層辦公室的新風量卻不能滿足需求.這與當前多層太陽能煙囪不同入口的流量分配比例有關，也反映出該煙囪在平衡流量分配上存在欠缺.由于3日(0～24 h)室外最高氣溫為14.4℃，低于設定的室內熱舒適區間，能量管理系統控制煙囪兩個入口狀態為關閉，因此未觀察到太陽能煙囪向一、二層辦公室供給新風.

圖3 功能房間新風流量

從圖3b所示結果發現，當周內太陽能煙囪有效運行時段主要在3日至6日(即0～96 h).從通風量上看，太陽能煙囪供給一層辦公室的最大新風流量達到0.54 m3/s左右；4 d內通風量達到需求的煙囪有效運行時長依次為12 h、10 h、10 h、8 h.3日和5日多數時段，一層辦公室煙囪增強自然通風流量高于與三層辦公室機械通風；4日和6日多數時段，前者低于后者.由于7日白天為陰天，17∶00以后煙囪輻射得熱帶動熱壓通風，最終當日煙囪供給一層辦公室的通風量達到要求的時長僅2 h.該周內太陽能煙囪供給二層辦公室的最大通風流量僅為0.07 m3/s左右，均未能達到新風量要求.

圖4展示了全年逐月太陽能煙囪通風潛力值的波動情況.太陽能煙囪通風潛力值呈現出“M”形波動.潛力值較高主要集中在4～6月和9～11月.其中10月份太陽能煙囪通風潛力值最大，達到約637.7 m3/h，相當于室內人數為21人的房間新風需求量.由于1月和12月室外氣溫過低，自然通風易造成冷不舒適和熱負荷增加.根據2.2節設定規則，判定太陽能煙囪通風潛力值為零.該太陽能煙囪年通風潛力值為292.1 m3/h，相當于10人房間的新風需求量.

圖4 太陽能煙囪逐月通風潛力值

2.3 對比獨立式與雙入口煙囪

為了對比獨立式煙囪與所研究雙入口煙囪在流量分配和通風利用效率上的差異，在所研究太陽能煙囪入口2下方設計隔斷，行成兩個高度依次為4.5 m、3.6 m的獨立煙囪.上方煙囪與二層辦公室連通，下方煙囪與一層辦公室連通.

圖5依次展示了獨立式煙囪建筑4月和7月第1周一、二、三層辦公室新風供需關系.對比圖3可以發現，4月份第一周有效運行時段內太陽能煙囪增強自然通風能夠同時滿足一層和二層辦公室的新風需求，優于原煙囪設計；而7月份第一周，太陽能煙囪增強自然通風在達到新風需求的時段較原煙囪通風縮短.

圖5 功能房間新風流量

圖6展示了改造后全年逐月太陽能煙囪通風潛力值的波動情況.其中10、11月份太陽能煙囪通風潛力值有明顯提升，漲幅達到52.7%、61.3%.而5～7月份太陽能煙囪通風潛力值則降低，其中5月和6月均降幅達25%以上.總體來看，改造為兩個獨立煙囪后，太陽能煙囪年通風潛力提高至347.9 m3/h，增長了19.0%.這反映出將當前煙囪改造為兩個獨立煙囪會優于原雙入口煙囪設計.

圖6 太陽能煙囪逐月通風潛力值

3 結論

(1)太陽能煙囪通風潛力的量化評價有助于優化煙囪設計和完善煙囪調控策略.本文提出的基于Honeybee和RhinoCFD耦合模擬工作流與通風潛力值指標，可以用于多層建筑太陽能煙囪的全年通風潛力評價.

(2)以江蘇南京某三層辦公建筑太陽能煙囪為例進行了案例研究.CFD模擬分析得到煙囪入口1、2的流量系數依次為0.89、0.11.熱工模擬得到全年煙囪通風結果表明，4～6月和和9～11月太陽能煙囪通風潛力較高，其中10月份達到最高.案例研究顯示所提出的工作流及通風潛力指標具有較好的適用性.

(3)由于流量分配不均，二層辦公室煙囪增強自然通風在通常未能達到新風量要求.改造為獨立式煙囪則可以較好滿足二層辦公室的新風需求。10、11月份太陽能煙囪通風潛力值有明顯提升；但太陽輻射強度較低時獨立式煙囪通風量偏小，有造成兩個房間均無法達到新風量要求的風險，表現在5～7月份太陽能煙囪通風潛力值降低.全年來看，獨立式煙囪可以提升通風潛力19.0%.