建筑室內(nèi)熱羽流與太陽能煙囪效應(yīng)耦合性能研究

郝亞燁，雷勇剛，杜保存

（太原理工大學(xué) 土木工程學(xué)院，山西 太原 030024）

0 引言

隨著建筑能耗和建筑面積的不斷增加，利用可再生能源已經(jīng)成為國內(nèi)外建筑節(jié)能研究的熱點[1]。太陽能煙囪技術(shù)在強化自然通風(fēng)、提高室內(nèi)熱舒適性和新能源發(fā)電等方面得到了廣泛的應(yīng)用，極大地提升了太陽能綜合利用率[2]～[4]。

國內(nèi)外學(xué)者對建筑太陽能煙囪的通風(fēng)性能開展了大量的研究。Kong Jing對傾斜屋頂式太陽能煙囪進(jìn)行數(shù)值研究，發(fā)現(xiàn)其最佳傾斜角度在45～60°，其具體數(shù)值取決于緯度和使用季節(jié)[5]。Hussain研究了屋頂式太陽能煙囪集熱器的進(jìn)風(fēng)口形狀對太陽能煙囪性能的影響，結(jié)果表明，當(dāng)進(jìn)風(fēng)口具有垂直的橫截面時，通道整體通風(fēng)性能達(dá)到最優(yōu)[6]。Wang Yi研究室內(nèi)高溫?zé)嵩磳ㄖ岘h(huán)境的影響時發(fā)現(xiàn)，熱源的對流及輻射對帶有浮升力驅(qū)動通風(fēng)的熱環(huán)境有很大的影響，增強了室內(nèi)空氣的流動[7]。Wang Haoyu提出了一種太陽能煙囪與水墻的組合系統(tǒng)，通過減少玻璃面板的厚度和控制水冷壁組件的著色，使煙囪通風(fēng)率分別提高了7.3%和5.2%[8]。Elghamry Rania提出了一種太陽能煙囪和地埋換熱管相結(jié)合的新型系統(tǒng)，實驗結(jié)果表明該系統(tǒng)可使室溫降低4.5℃，日換氣次數(shù)可達(dá)45次[9]。

通過以上研究可見，目前對建筑太陽能煙囪的研究多集中在結(jié)構(gòu)參數(shù)及環(huán)境參數(shù)對其性能的影響。在實際應(yīng)用中，一些變電站機房、數(shù)據(jù)機房等室內(nèi)存在高熱源的建筑，利用太陽能煙囪進(jìn)行自然通風(fēng)時，熱源近表面處產(chǎn)生熱浮力羽流[10]～[12]，存在太陽能煙囪效應(yīng)與室內(nèi)熱源熱羽流相互耦合作用。針對這一問題，本文建立了太陽能煙囪與建筑內(nèi)熱羽流共同作用的多物理場耦合的三維數(shù)值模型；針對太陽輻射強度I，內(nèi)熱源熱流密度W，內(nèi)熱源距地高度Z和內(nèi)熱源表面發(fā)射率ε對太陽能煙囪自然通風(fēng)性能影響進(jìn)行研究；為太陽能煙囪強化自然通風(fēng)技術(shù)在室內(nèi)具有高溫內(nèi)熱源的建筑中的應(yīng)用提供參考和依據(jù)。

1 物理模型

太陽能煙囪與建筑室內(nèi)熱羽流共同作用的多物理場耦合的三維物理模型如圖1所示。房間的幾何尺寸為3 200 mm×3 200 mm×3 000 mm。室內(nèi)熱源尺寸為800 mm×800 mm×1 000 mm，置于房間正中央。太陽能煙囪設(shè)置于建筑南側(cè)外墻，包括豎直段和傾斜段兩部分，傾斜段與水平方向夾角為45°。太陽能煙囪外側(cè)為玻璃蓋板，內(nèi)側(cè)為集熱面，中間為空氣通道。房間北側(cè)墻體設(shè)置500 mm×200 mm的新風(fēng)口，其下邊緣距地200 mm。煙囪入口STVU的幾何尺寸為1000 mm×200 mm，煙囪寬度RQ為1 000 mm，豎直段高度WQ為1 500 mm，傾斜段長度WN為1 500 mm。

圖1 物理模型Fig.1 Physical model

太陽能煙囪與建筑室內(nèi)熱羽流共同作用的工作原理：在太陽輻射及室內(nèi)熱源的共同作用下，室內(nèi)空氣通過煙囪下部入口進(jìn)入空氣通道；太陽光照射到玻璃蓋板，一小部分被玻璃蓋板吸收增溫，絕大部分被太陽能煙囪內(nèi)側(cè)的集熱墻體吸收。通道內(nèi)的空氣被加熱，密度減小，與外部空氣形成密度差，促使室內(nèi)空氣流動并通過太陽能煙囪通道排出室外，增強自然通風(fēng)和改善室內(nèi)空氣品質(zhì)。

2 數(shù)值模擬方法

2.1 控制方程和計算方法

利用Fluent軟件對上述模型進(jìn)行數(shù)值模擬分析。模型中室內(nèi)氣流及太陽能煙囪內(nèi)部氣流運動屬于湍流流動，采用RNGκ-ε模型，其三維穩(wěn)態(tài)湍流控制方程如下。

式中：ui為xi方向上的平均速度分量，m/s；xi為坐標(biāo)，i=1，2，3；ρ為空氣密度，kg/m3；P為平均壓力，Pa；νt，ν為湍流和層流粘滯系數(shù)；gi為i方向上的重力加速度，m/s2；β為空氣膨脹系數(shù)，1/K；T，T∞為平均溫度和參考點溫度，K；Γ為廣義擴散系數(shù)；κ為湍流脈動動能；ε為流體脈動動能的耗散率；c1，c2為經(jīng)驗系數(shù)；Gk為湍流動能的產(chǎn)生項；Pr為普朗特數(shù)；σk，σε，σt為經(jīng)驗系數(shù)。

采用Boussinesq假設(shè)來處理動量方程中的浮力項，使用有限容積法離散控制方程，采用RNG湍流模型求解。由于內(nèi)熱源的存在，引入DO輻射模型同時解決墻體輻射和氣體參與的影響。模型中采用SIMPLE算法進(jìn)行速度和壓力耦合，對流項的離散格式為二階迎風(fēng)格式。

2.2 邊界條件

如圖1所示：平面LIJK為壓力入口，室外新風(fēng)經(jīng)由平面LIJK進(jìn)入室內(nèi)；平面MNPO為壓力出口，其相對總壓設(shè)置為零；平面RQWZ、平面ZWNM、平面TSYX和平面XYPO為壁面邊界條件；房間墻體為壁面邊界條件，內(nèi)表面與室內(nèi)熱源進(jìn)行輻射換熱。

計算域中所有固體壁面為無滑移條件，玻璃蓋板和集熱墻的熱流密度通過太陽輻射強度及材料的物性參數(shù)計算得出。玻璃蓋板吸收率α1=0.06，透射率τ=0.84；吸熱板吸收率α2=0.95；室外環(huán)境溫度為300 K；大氣壓力為101.325 kPa。

2.3 計算網(wǎng)格

通過CFD前處理軟件Gambit對物理模型進(jìn)行幾何建模與網(wǎng)格劃分。采用非結(jié)構(gòu)化四面體網(wǎng)格，同時在太陽能煙囪內(nèi)部、熱源壁面處、墻壁內(nèi)表面等換熱流動強烈的區(qū)域進(jìn)行局部網(wǎng)格加密，以提高模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性。建立了7套網(wǎng)格來進(jìn)行網(wǎng)格獨立性考核，網(wǎng)格數(shù)分別為143 938，182 226，251 199，346 482，520 901，651165，702 828。圖2為網(wǎng)格獨立性考核結(jié)果，通過分析不同網(wǎng)格數(shù)下的計算通風(fēng)量發(fā)現(xiàn)，第5套網(wǎng)格的計算通風(fēng)量與相鄰兩套網(wǎng)格的計算通風(fēng)量偏差小于1%，結(jié)果穩(wěn)定。考慮計算結(jié)果準(zhǔn)確性和節(jié)省計算資源，選擇第5套網(wǎng)格進(jìn)行模擬計算。

圖2 網(wǎng)格獨立性考核結(jié)果Fig.2 The grid independence test and verify

2.4 模型有效性驗證

在文獻(xiàn)[13]實驗條件下的太陽能煙囪參數(shù)：高度1 025 mm，長度為925 mm；通道寬度80 mm；太陽輻射強度分別為200，400，600，800，1 000 W/m2。采用上述模型和計算方法對相同結(jié)構(gòu)及邊界條件的太陽能煙囪建模，進(jìn)行數(shù)值模擬計算，并以通風(fēng)量為主要評價指標(biāo)，將模擬結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行對比（圖3）。由對比結(jié)果可知，模擬數(shù)據(jù)與實驗測量值總體趨勢一致，且偏差小于10%，在誤差允許的范圍之內(nèi)。這充分說明了本文采用的模型及計算方法的有效性。

圖3 數(shù)值模擬結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)對比Fig.3 The comparison of the experiment data and the simulation data

3 結(jié)果與分析

3.1 太陽輻射強度I對通風(fēng)量的影響

圖4為在不同內(nèi)熱源熱流密度和不同內(nèi)熱源距地高度下，太陽能煙囪通風(fēng)量隨太陽輻射強度I的變化曲線。其中：太陽輻射強度I=200～1 200 W/m2；內(nèi)熱源表面熱流密度W=0～3 000 W/m2；內(nèi)熱源距地高度Z=0～600 mm；內(nèi)熱源表面發(fā)射率ε=0.8。

圖4 通風(fēng)量隨太陽輻射強度的變化Fig.4 Variations of ventilation rate with solar radiation intensity

圖4（a）表明，當(dāng)熱源距地高度Z為300 mm時，太陽能煙囪內(nèi)通風(fēng)量在不同內(nèi)熱源熱流密度下的變化趨勢大致相同。隨著太陽輻射強度的增大，煙囪通風(fēng)量呈上升趨勢。當(dāng)內(nèi)熱源表面熱流密度W=0，即內(nèi)熱源表面無熱羽流時，隨著太陽輻射強度I從200 W/m2增至1200 W/m2，太陽能煙囪通風(fēng)量由0.103 m3/s增至0.126 m3/s，最大增幅為22.3%。當(dāng)內(nèi)熱源表面熱流密度W為3 000 W/m2時，太陽能煙囪通風(fēng)量在不同太陽輻射強度下的最大增幅為14.3%。這說明隨著內(nèi)熱源表面熱流密度的增加，太陽輻射強度對通風(fēng)量的影響逐漸減小。在設(shè)置有太陽能煙囪和具有內(nèi)部熱源的建筑中，太陽能煙囪和熱源對自然通風(fēng)具有耦合作用。隨著太陽輻射強度的增大，集熱墻吸收更多熱量，使得煙囪通道內(nèi)空氣溫度升高，密度差增大，由此產(chǎn)生的氣流浮升驅(qū)動力逐漸增大，促使通風(fēng)量增大。隨著內(nèi)熱源表面熱流密度的增大，熱源表面熱羽流與室內(nèi)空氣自然對流換熱，加大了浮力熱羽流對通風(fēng)量的影響，內(nèi)部熱源對自然通風(fēng)的作用增大，太陽輻射強度對通風(fēng)量的影響逐漸減小。

圖4（b）表明，內(nèi)熱源表面熱流密度W為2 000 W/m2時，通風(fēng)量隨著太陽輻射強度的增大呈現(xiàn)遞增的趨勢，但增大的幅度會隨著內(nèi)熱源距地高度的增加而輕微減小。內(nèi)熱源距地高度Z=0時，太陽輻射強度I從200 W/m2增至1 200 W/m2時，通風(fēng)量從0.118 m3/s增至0.138 m3/s，增幅為16.9%。當(dāng)內(nèi)熱源距地高度Z為600 mm時，太陽能煙囪的通風(fēng)量在不同太陽輻射強度下相對增幅為15.7%。

3.2 內(nèi)熱源熱流密度W對通風(fēng)量的影響`

圖5為在不同太陽輻射強度I和不同內(nèi)熱源距地高度Z的情況下，太陽能煙囪通風(fēng)量隨內(nèi)熱源表面熱流密度W的變化曲線。內(nèi)熱源表面熱流密度W為0～3 000 W/m2；內(nèi)熱源表面發(fā)射率ε為0.8。

圖5 通風(fēng)量隨內(nèi)熱源熱流密度的變化Fig.5 Variations of ventilation rate with indoor heat source intensity

圖5（a）表明，當(dāng)內(nèi)熱源距地高度Z為300 mm時，太陽能煙囪通風(fēng)量隨著內(nèi)熱源表面熱流密度的增大呈上升趨勢，通風(fēng)量的增加幅度隨著太陽輻射強度的增加而逐漸減小。當(dāng)太陽輻射強度I為200 W/m2時，隨著內(nèi)熱源表面熱流密度W從0逐漸增至3 000 W/m2，太陽能煙囪通風(fēng)量由0.103 m3/s增至0.127 m3/s，最大增幅為23.3%。當(dāng)太陽輻射強度I為1 200 W/m2時，太陽能煙囪通風(fēng)量相對增幅為13.9%。當(dāng)內(nèi)熱源表面熱流密度W增大時，熱源表面與室內(nèi)空氣的換熱強度增加，熱源表面處的熱浮力羽流強度增大，帶動更多室內(nèi)氣流進(jìn)入太陽能煙囪內(nèi)部，使其通風(fēng)量增大。當(dāng)太陽輻射強度增大時，煙囪部分受熱增多，通道內(nèi)空氣升溫導(dǎo)致的密度差產(chǎn)生浮升力，促使氣流向上流出，降低了室內(nèi)熱源熱流密度對通風(fēng)量的影響。

圖5（b）表明，當(dāng)太陽輻射強度I為800 W/m2時，隨著內(nèi)熱源表面熱流密度的增大，太陽能煙囪通風(fēng)量逐漸增大，且隨著內(nèi)熱源距地高度的增加，通風(fēng)量的增幅加大。當(dāng)W=3 000 W/m2，Z=600 mm時，通風(fēng)量達(dá)到最大值，為0.140 m3/s。當(dāng)Z=0，即內(nèi)熱源直接置于地面上，內(nèi)熱源表面熱流密度由0增至3 000 W/m2時，煙囪通風(fēng)量由0.118 m3/s增至0.136 m3/s，增幅為15.6%。

3.3 內(nèi)熱源距地高度Z對通風(fēng)量的影響

圖6為在不同太陽輻射強度和不同內(nèi)熱源表面熱流密度下，太陽能煙囪通風(fēng)量隨著內(nèi)熱源距地高度Z的變化曲線。內(nèi)熱源距地高度取值為0～600 mm。

圖6 通風(fēng)量隨內(nèi)熱源距地高度的變化Fig.6 Variations of ventilation rate with the height of the heat source from the ground

圖6（a）表明，在太陽輻射強度不同時，隨著內(nèi)熱源距地高度的增大，煙囪通風(fēng)量均會平緩增加；太陽輻射強度越大，通風(fēng)量增加幅度越小。當(dāng)太陽輻射強度I為200 W/m2時，隨著內(nèi)熱源距地高度Z從0增至600 mm，太陽能煙囪通風(fēng)量由0.118 m3/s增至0.121 m3/s，最大增幅只有2.5%；當(dāng)太陽輻射強度I為1200 W/m2時，內(nèi)熱源距地高度對通風(fēng)量的影響不足1.9%。

由圖6（b）可知，當(dāng)W=0，即內(nèi)熱源表面熱流密度為零時，內(nèi)熱源表面與室內(nèi)空氣無溫度差，此時改變內(nèi)熱源距地高度Z，太陽能煙囪通風(fēng)量維持不變。當(dāng)內(nèi)熱源表面熱流密度逐漸增大時，增加內(nèi)熱源距地高度可在一定程度上增加太陽能煙囪通風(fēng)量；當(dāng)W=3 000 W/m2時，隨著內(nèi)熱源距地高度Z從0增至600 mm，煙囪通風(fēng)量由0.136 m3/s增至0.140 m3/s，增幅為2.9%。在本文范圍內(nèi)，增加內(nèi)熱源距地高度Z，在一定程度上增強內(nèi)熱源熱羽流與進(jìn)風(fēng)口新風(fēng)的對流擾動。

3.4 內(nèi)熱源表面發(fā)射率ε對通風(fēng)量的影響

圖7為在不同太陽輻射強度、內(nèi)熱源表面熱流密度下，太陽能煙囪通風(fēng)量隨內(nèi)熱源表面發(fā)射率ε的變化曲線。

圖7 通風(fēng)量隨內(nèi)熱源表面發(fā)射率的變化Fig.7 Variations of ventilation rate with the indoor heat source surface emissivity

由圖7（a）可知，在不同的太陽輻射強度下，太陽能煙囪通風(fēng)量會隨著內(nèi)熱源表面發(fā)射率ε的增大而增加。隨著太陽輻射強度的增大，內(nèi)熱源表面發(fā)射率ε對通風(fēng)量的影響逐漸降低。內(nèi)熱源表面發(fā)射率ε由0.2增至0.8時，對應(yīng)I=200 W/m2和I=1 200 W/m2的情況，太陽能煙囪通風(fēng)量增幅分別為5%和3.5%。

由圖7（b）可知，在太陽輻射強度一定的情況下，內(nèi)熱源表面熱流密度越強，增大內(nèi)熱源表面發(fā)射率ε對煙囪通風(fēng)量的影響越明顯。因為熱源表面發(fā)射率越高，內(nèi)熱源與室內(nèi)空氣、內(nèi)墻的輻射換熱強度越高，熱源表面熱浮力羽流加強了內(nèi)熱源與室內(nèi)空氣的自然對流效果，增大了煙囪通風(fēng)量。

由圖7（c）可知，當(dāng)太陽輻射強度與內(nèi)熱源表面熱流密度為固定值，內(nèi)熱源表面發(fā)射率ε由0.2增至0.8時，對應(yīng)Z=0和Z=600的情況，太陽能煙囪通風(fēng)量增幅分別為1.1%和2.0%。可見內(nèi)熱源距地高度對通風(fēng)量影響較小。

4 結(jié)論

本文建立了太陽能煙囪與建筑室內(nèi)熱羽流共同作用的物理模型，通過三維數(shù)值模擬研究了太陽能煙囪在不同太陽輻射強度、內(nèi)熱源熱流密度、內(nèi)熱源距地高度和內(nèi)熱源表面發(fā)射率工況下的自然通風(fēng)性能。

①在本文研究范圍內(nèi)，內(nèi)熱源熱流密度和太陽輻射強度均對太陽能煙囪的通風(fēng)性能起到增益效果，且二者相互促進(jìn)。隨著太陽輻射強度的增大，太陽能煙囪通風(fēng)量逐漸增大，最大增幅為22.3%，但其增大幅度會隨著內(nèi)熱源熱流密度和距地高度的增大而減小。

②隨著內(nèi)熱源熱流密度的增大，在不同太陽輻射強度下，太陽能煙囪通風(fēng)量均會增大，最大增幅為23.3%。當(dāng)太陽輻射強度較小時，內(nèi)熱源熱流密度的變化對煙囪通風(fēng)量的影響更大；隨著內(nèi)熱源距地高度的增加，內(nèi)熱源熱流密度對煙囪通風(fēng)量的增益效果愈加明顯。

③太陽能煙囪通風(fēng)量會隨著內(nèi)熱源距地高度和內(nèi)熱源表面發(fā)射率的增大而逐漸增大，但影響程度不及太陽輻射強度和內(nèi)熱源熱流密度的影響。在太陽輻射強度一定的情況下，內(nèi)熱源表面熱流密度越高，內(nèi)熱源表面發(fā)射率ε對煙囪通風(fēng)量的增益效果越明顯。