太陽能煙囪-地埋管聯合自然通風及其對室內熱環境的影響研究

張雅雅,龍天河,葉 愷,鄭迪萌,張紓瑀,李永財

（重慶大學 土木工程學院，重慶 400045）

0 引言

隨著人們生活水平的提高，暖通空調系統能耗占據了建筑總能耗的50%以上[1]。利用可再生能源代替部分化石能源，減少空調系統能耗對緩解能源危機具有積極意義。

利用太陽能促進室內通風的太陽能煙囪以及利用地熱能對室外空氣進行預處理的地道風系統具有廣闊的應用前景，已被廣泛應用[2]～[7]。2010年M.Maerefat[8]提出了一種由太陽能煙囪和地埋管聯合使用的被動式太陽能系統。該耦合系統利用太陽能煙囪產生的煙囪效應為地道風系統提供通風的動力，使室外新風不斷補入室內。這種聯合運行方式舍棄了傳統地道風系統的風機，節省了風機的能耗，同時也提高了太陽能煙囪的應用范圍，使得太陽能煙囪在除過渡季節以外的其他季節也可以使用。盡管上述耦合系統具有諸多優點，但目前該耦合系統還沒有引起足夠重視，相關研究較少，且大部分研究更偏向于通過模擬來進行理論分析，而忽視了實驗研究，但對于一個復雜的耦合系統來說，實驗研究是必不可少的。實驗能夠更真實準確的反應系統的性能。本文利用全尺寸實驗臺對太陽能煙囪-地埋管耦合系統在夏季的運行情況進行了研究，重點分析了該系統的通風性能以及對室內熱環境的影響。

1 實驗方案

1.1 實驗臺及原理

太陽能煙囪-地埋管耦合系統全尺寸實驗臺位于安徽省銅陵市，地處夏熱冬冷地區，夏季室外溫度和相對濕度較高。實驗臺如圖1所示。

圖1 全尺寸實驗臺示意圖Fig.1 Thermal parameters of outer building envelope

該實驗臺由兩個房間、地埋管部分以及太陽能煙囪部分組成。墻體的材料從外向內依次為保溫板、燒結多孔空心磚和找平水泥砂漿；屋頂的材料從上到下是保溫板、鋼筋混凝土現澆板和水泥砂漿。具體熱工參數如表1所示。由于場地限制，測試房間的東墻和對比房間的西墻相鄰，兩墻間隔30 cm。地埋管直徑300mm，材料為PVC，由傾斜入口段、水平工作干管段和豎直出口段3部分組成。水平干管長30m，是冷卻室外空氣的主要部分。因為在地表以下2～3m深處土壤溫度受太陽輻射影響很小，可忽略不計[9]，綜合考慮施工成本和系統效能，水平干管埋深為3m，室外入口管道呈45°傾角以減少空氣流動阻力，室內出口管道豎直設置，出入口管段部分主要功能是連接室外環境和室內環境。因為接近地表處的土壤受太陽輻射影響溫度較高，所以當被水平埋管工作段冷卻的空氣經出口段管道進入室內時，又會被溫度較高的土壤重新升溫，部分抵消地埋管的冷卻降溫效果。為了減少預冷空氣與土壤的換熱，入口地埋管段用保溫材料隔熱。太陽能煙囪部分由水平的太陽能集熱器和豎直的煙囪組成。為了最大限度的利用太陽能，集熱器安裝在屋頂，傾角為30°，面朝南。集熱器長7m，寬1.5m，高0.3m，4個側面以及背面由不銹鋼制成，并用保溫材料隔熱，內測涂有黑色吸熱涂料，頂部為玻璃蓋板。豎直煙囪高6m，直徑0.3m，煙囪主要是提供高差，外壁附有保溫材料以減少冬季熱量損失。在晴天，太陽能集熱器中的空氣被太陽輻射加熱，密度減小，在熱壓差的作用下，空氣從煙囪口排出，集熱器中則形成了一個負壓區，室外新鮮空氣通過地埋管被吸入室內，在這一過程中，空氣在水平地埋管段中與土壤進行換熱，進一步降低了室外新風的溫度。在測試期間測試房間的門窗用泡沫填縫劑作封閉處理，以免發生氣流短路。

表1 屋面、墻面等材料熱工參數Table 1 Thermal parameters of outer building envelope

1.2 實驗儀器及測試過程

實驗在8月某個晴天進行，測試持續24 h，期間測試房間門窗緊閉，通過地埋管進行通風，而對比房間窗戶開啟，進行傳統的自然通風。為了對室內熱環境進行分析，在兩個房間的南內墻和北內墻上分別布置了3個K型熱電偶，熱電偶在壁面中心沿縱向均勻放置，3個熱電偶的平均值作為內墻的溫度，室內溫度由位于房間中心且距離地面1.7m處的K型熱電偶測得。數據采集儀每隔5min自動記錄所有熱電偶的數據。地埋管進出口處分別放置溫濕度自動記錄儀，測量進出口空氣溫濕度。出口風量由3個Omega FMA902A-MA熱線式空氣流速傳感器測量。傳感器布置在距地埋管中心5，10，15 cm的同一截面上，布置方式如圖2所示。

圖2 空氣流速傳感器布置方式Fig.2 Locations of airflow sensors

取其平均值作為地埋管出口的風速，通風量可由平均風速和管道橫截面積求出。同時在室外放置太陽能輻射計，每小時采集并記錄數據。

2 實驗結果分析

2.1 室外氣候環境分析

太陽能煙囪-地埋管耦合系統的性能與太陽輻射強度及室外空氣溫度有很大的關系。實驗當日太陽輻射強度及室外空氣溫度如圖3所示。

圖3 太陽輻射強度與室外空氣溫度Fig.3 Solar radiation intensity and outdoor air temperature

太陽輻射強度從4：00后由0逐漸上升，至12：00達到最大值1 103W/m2，之后緩慢下降，到20：00輻射強度已降為0。室外空氣溫度的最低值出現在5：00，為26.3℃，最高值出現在16：00，為40.1℃。空氣溫度最高值與最低值出現的時間相比太陽輻射強度均有所滯后，這是因為雖然影響空氣溫度的主要因素是太陽輻射，但大部分太陽光熱并不直接加熱空氣，而是通過地面輻射間接影響空氣溫度。

2.2 通風量分析

圖4為通風量與太陽輻射強度關系。

圖4 太陽輻射強度與通風量Fig.4 Solar radiation intensity and airflow rate

由圖4可知，通風量與輻射強度的趨勢基本一致，僅略有延遲，這是太陽輻射通過太陽能集熱器間接加熱其中的空氣造成的。在7：00之后通風量小幅降低，推測是由于此時室外空氣溫度已開始上升，但太陽輻射強度還相對較小，因此熱壓減小，通風量降低。從8：00開始，通風量隨太陽輻射強度的增大而上升，在12：00左右達到最大值252m3/h，并在之后的2個多小時內持續保持在較高水平，15：00左右通風量開始緩慢降低，在接近17：00時由于太陽輻射強度快速降低，通風量急劇減小。在太陽能輻射強度較低甚至沒有輻射的0：00-8：00及19：00-0：00，室內的通風量依然能維持在50m3/h左右，這是由于圍護結構在白天儲存了太陽輻射，表面溫度較高，在夜間，圍護結構向室內散熱，室內溫度升高，室內外形成了熱壓差。實驗結果表明，與地埋管聯合使用提高了太陽能煙囪的適用性，該耦合系統可以連續24 h為室內提供新風。

2.3 地埋管進出口空氣溫度分析

在熱壓的作用下，室外空氣被吸入地埋管并在地埋管中被降溫。出口空氣溫度的變化也印證了這一說法。在整個測試周期內，進口空氣溫度以及通風量變化范圍很大，但出口空氣溫度的波動很小，均維持在26～28℃，最高溫度出現在16：30。圖5為地埋管進出口空氣溫度隨時間的變化關系。

圖5 地埋管進出口空氣溫度Fig.5 Inletand outletair temperature of earth to air heat exchanger

由圖5可知，地埋管對室外空氣的降溫效果明顯，在7：00-19：00室外空氣溫度較高的時間段內，平均溫降為9.2℃，最大溫降可達12.5℃。而在其余時段室外空氣溫度較低，降溫效果雖不明顯，但平均溫降也在0.5℃以上。

2.4 室內外溫度分析

室內溫度是評價太陽能煙囪-地埋管耦合系統性能的重要指標。圖6為測試房間與對比房間的室內溫度。

圖6 測試房間與對比房間室內溫度Fig.6 Air temperature of test room and comparison room

由圖6可知，24 h內，使用耦合系統進行自然通風的測試房間的室溫波動明顯低于對比房間。在白天，隨著室外空氣溫度的上升，對比房間室溫上升明顯，在16：00室溫甚至達到了35.3℃，全天最大溫差為7.2℃，而測試房間的室溫雖然也有所上升，但基本維持在28～30℃，最大溫差為1.2℃。但夜晚的大部分時間，對比房間的室溫則略低于測試房間。0：00-6：00及19：00-24：00內兩房間的平均空氣溫差0.57℃。

圖7為測試房間室內溫度與室外空氣溫度的對比圖。結合圖4分析可知，5：00之前，室內溫度隨室外空氣溫度的降低而降低。從6：00開始，室外空氣溫度明顯上升，室內溫度也隨之上升。8：00之后，由于通風量快速增加，室內溫度持續小幅下降。11：00左右，通風量已基本穩定，但室外空氣溫度依然在持續上升，逐步成為了影響室內溫度的主要因素，室內溫度隨室外空氣溫度的上升而上升。15：00-18：00，室外空氣溫度和通風量均快速下降，室內溫度也開始降低。21：00過后，室內溫度隨室外空氣溫度的降低而降低。

圖7 測試房間室內溫度與室外空氣溫度Fig.7 Test room air temperature and outdoor air temperature

由以上分析可知，與傳統的開窗通風相比，采用太陽能煙囪-地埋管耦合系統進行自然通風時，其室溫在白天明顯低于對比房間，且在24 h內室溫的波動很小。但是在夜間測試房間略高于對比房間，說明夜間開窗通風更有利于降低室內溫度。因此需要優化太陽能煙囪-地埋管耦合系統的運行策略，當室內溫度低于室外空氣溫度時運行耦合系統預冷室外空氣，而當室內溫度高于室外空氣溫度時停止運行耦合系統，開窗通風。從而能更好的營造舒適的室內熱環境。

2.5 壁面溫度分析

圖8，9分別為兩個房間的內表面溫度。可以看出，盡管在夜間對比房間的室內溫度略低于測試房間，但在整個測試周期內無論是南墻還是北墻，測試房間墻壁的內表面溫度均低于對比房間的墻壁溫度，溫度的波動也更小。由于送風量在8：00-9：00快速增大，測試房間的壁溫在9：00小幅下降。室外空氣溫度在16：00達到最高值，對比房間南墻內表面溫度在17：00達到了最高值，滯后時間為1 h，而測試房間南墻內表面的最高溫度出現在20：00，滯后時間為4 h，同時兩面墻壁溫度的最高值相差2.33℃。兩個房間北墻的內表面溫度幾乎都在16：00達到了最高值，但溫差卻達到了3.12℃。

圖8 測試房間與對比房間南墻內表面溫度Fig.8 Inner surface temperature of the south wall of test room and comparison room

圖9 測試房間與對比房間北墻內表面溫度Fig.9 Inner surface temperature of the north wall of test room and comparison room

3 結論

本文通過實驗測試的方法探究太陽能煙囪-地埋管耦合系統在夏熱冬冷地區的通風性能以及對建筑室內熱環境的影響。研究結論如下。

①太陽能煙囪和地埋管系統聯合可以連續24 h為室內提供新風，通風量在12：00左右達到最大值252m3/h，夜間通風量基本維持在50m3/h以上。

②地埋管可以有效降低室外空氣的溫度，進口空氣溫度越高降溫效果越明顯，最高溫降可達12.5℃，即使在溫度較低的夜間，溫降也基本維持在0.5℃以上。

③在白天，測試房間的溫度波動很小，基本維持在28～30℃，明顯低于未使用耦合系統的對比房間室溫以及室外空氣溫度。該耦合系統可以顯著改善白天室內熱環境，但夜間效果略遜于開窗自然通風，因此須要優化太陽能煙囪-地埋管耦合系統的運行策略。

④在測試周期內，測試房間的墻壁內表面溫度均低于對比房間。測試房間南墻內表面最高溫度出現在20：00，相較對比房間南墻內表面最高溫度出現的時間滯后了3 h。測試房間壁面溫度較低，與室內空氣的對流傳熱降低，有利于營造良好的室內熱環境。