通风口尺寸对太阳能烟囱自然通风的影响

通风口尺寸对太阳能烟囱自然通风的影响

唐明远

【摘要】太阳能烟囱可强化自然通风效果,提高室内热舒适性.文章采用计算流体力学方法模拟了太阳能烟囱进风口尺寸对烟囱内部气流分布的影响.通过分析烟囱进风口尺寸对烟囱内部气流组织的影响发现合理的进风口尺寸可以减少烟囱内部回流现象,有助于提升自然通风效率,防止气流在烟囱内部出现短路;而进风口尺寸对温度场和压力场的分布影响较小.这为被动式建筑设计中太阳能烟囱进风口尺寸的优化设计提供了参考依据.

【期刊名称】《低温建筑技术》

【年(卷),期】2018(040)003

【总页数】4页(P165-168)

【关键词】太阳能烟囱;自然通风;数值模拟

【作者】唐明远

【作者单位】中南大学能源科学与工程学院,长沙410083

【正文语种】中文

【中图分类】TU83

0 引言

建筑能耗在传统能源消耗中占据较大比重，而建筑中的各类设备如供暖、空调、照明、家用电器等又消耗大量能源。其中建筑通风能耗部分通常为人们所忽略，通风

能耗占建筑能耗的20%左右[1]。其中建筑通风方式主要分为机械通风和自然通风两大类。一般的机械通风不仅消耗大量的能源而且效果不佳，在节能减排和零能耗建筑设计趋势的推动下，自然通风作为一种健康绿色环保的技术措施现正被广泛使用中。其中以太阳能作为驱动力的自然通风节能技术被广泛应用于各类建筑中。目前应用普遍的太阳能烟囱通风方式有三种：Trombe墙式太阳能烟囱，竖直式太阳能烟囱，倾斜式太阳能烟囱[2]。国内外的不少学者从上个世纪末就开始对太阳能

烟囱有比较深入的研究。王汉青等运用CFD方法模拟了既能用于强化自然通风又

可用于冬季供暖的Trombe墙太阳能烟囱，分析发现这种被动式建筑节能技术对

于冬季供暖具有显著的效果[3]。Li Yuguo理论分析了单个房间中浮力作用的影响[4]。KTAndersen从基本的流动控制方程出发分析单层房间由于内外温度不同而

造成的浮力作用从而引起强化通风的效果[5]。Ziskind G等通过实验和数值模拟的方法研究了房间顶部受热强化通风效果的情况[6]。目前绝大多数文献主要研究太

阳能烟囱的结构形式，忽略了进风口尺寸对于烟囱内的气流也有一定的影响。本文建立太阳能烟囱三维物理模型，采用CFD方法，选用Realizable k-湍流模型、DO辐射模型对太阳能烟囱内部的温度场、速度场和压力场进行非稳态模拟，得出进风口尺寸对烟囱内部气流分布的影响规律，为太阳能烟囱的合理设计提供指导建议[7]。1 模型的建立

1.1 物理模型及工况

本文中所模拟的太阳能烟囱长、宽、高分别为：L=1.3m，W=0.8m，H=15.6m，两层进风口高度分别设置为 200、500、800、1100mm。在太阳辐射强度相同的情况下，模拟了4种不同进风口尺寸烟囱的内部气流分布规律。为研究方便，将

模型简化处理，简化模型如图1所示。且模型作如下假设：

（1）外界环境稳定。

（2）热通道内的空气为不可压缩牛顿流体，且满足Boussinesq假设。

（3）不考虑玻璃蓄热。

（4）除了进风口和出风口以外，烟囱内的封闭性能良好。

（5）常温下幕墙材料特性与温度无关。

（6）太阳能烟囱位于建筑正南侧，且周围无遮挡。

1.2 边界条件的确定

本文模拟计算的区域的图1所示，烟囱进风口设置在集热墙上；对所有玻璃壁面

上的速度取无滑移边界条件u=v=0；进风口处温度根据供暖季室内条件取=22℃；玻璃幕墙的透射率为0.86，吸收率为0.05，集热墙吸收率为0.93；室外太阳辐射强度取500W/m2，玻璃盖板表面对应的热流密度为30W/m2，集热墙表面对应

的热流密度则为403W/m2；进风口和出风口分别设为压力入口和压力出口；对于烟囱内壁面，则选取可以解决层流边界层问题的增强壁面函数；烟囱通道左右侧墙及下地板绝热，风口边缘壁面绝热[8]。

2 模拟结果

2.1 速度场的分布

太阳辐射透过烟囱外侧的玻璃进入烟囱内部，在集热墙的作用下，烟囱内部通道内的空气快速升温，产生的浮升力使得空气竖直向上流动，热通道下端和进风口处出现负压区，进风口处的气体在热通道内外压差作用下进入到烟囱内部，在碰到烟囱壁面的玻璃后速度方向改变而竖直向上流动。从图3速度分布云图和图4速度矢

量图中可以看出这4种不同尺寸的通风口中烟囱通道内的最大速度没有超过

3.5m/s；在第二层入口上端的1～2m处出现速度的最大值，随着气流继续上升，随着烟囱高度增加，速度会慢慢减小。这主要是因为随着高度的增加，气流沿烟囱壁面的阻力增大速度减慢；若高度设置不合理会导致部分气流倒流入室内，故烟囱高度并不是越高越好，这也是大部分被动式建筑中太阳能烟囱只有在一、二层设置风口的原因。从图3速度分布云图中可以看出进风口宽度为200mm时，风口速

度较大，随着进风口尺寸的增大，风口速度慢慢减小，接近于2m/s；当增加到800mm时，风口处的速度已经开始出现0.2m/s的区域；当增加到1100mm时，风口有超过50%区域的速度减小至0.2m/s，显然此时的通风效果已经开始降低，不利于室内污染物的排出。从图4速度矢量图中可以清楚地看到进风口尺寸为

200mm时，在一、二层风口中间段出现较大的回流区，烟囱通道横截面上有超过50%的区域出现气流短路，一层通风口的空气流通不畅；随着通风口尺寸的增大，回流区慢慢减小，500mm时回流区已经得到明显改善。虽然四种情况下烟囱底部都有不同程度的回流，但不影响烟囱排出室内污染物的能力。当进风口尺寸为

500mm时，风口速度分布较为合理，未出现较大回流区，此时自然通风效果最佳，有利于及时排出室内污浊空气。

图1 物理模型简图

图2 500mm速度云图

图3 太阳能烟囱通道内的气流速度分布

图4 太阳能烟囱通道内的气流速度矢量图

2.2 温度场的分布

从图5中看出烟囱左侧集热墙的温升要比烟囱内的气流快，这也验证了国内有学

者提出集热墙也是影响太阳能烟囱通风性能的一个重要因素，指出墙体的最佳厚度决定了墙体的蓄热能力[9]。在其他条件不变的情况下，增加集热墙的厚度相当于

增加热阻，减少热损失，从而增加了通道中空气的浮升力和通风量。

图5 太阳能烟囱壁面温度分布

图6 太阳能烟囱气流温度分布

从图5烟囱壁面温度分布以及图6烟囱气流温度分布情况来看，4种通风口尺寸

的太阳能烟囱内部温度分布均较接近。通风口尺寸为500mm和800mm时，烟

囱底部温度较其余的温度高出6℃，从烟囱3.5m处开始气流温度接近一致。烟囱