(重要)太阳能烟囱增强热压自然通风的计算研究

第24卷　第2期 西　安　工　业　学　院　学　报 V ol124　N o12 2004年6月 JOURNA L OF XIπAN I NSTIT UTE OF TECH NO LOGY June　2004

文章编号:　100025714(2004)022*******

太阳能烟囱增强热压自然通风的计算研究Ξ

赵平歌

(西安工业学院建筑工程系,西安710032)

摘　要:　本文对太阳能烟囱自然通风模型进行了数值模拟研究.分析了太阳能烟囱在多种情况下,气流的温

度场和速度场分布,从而得出通风量与烟囱高度、进风口面积、出风口面积、加热面之间的关系.研究表明,通

过合理的设计,可以利用太阳能烟囱增强自然通风效果.

关键词:　太阳能烟囱;自然通风;通风量

中图号:　T U834.35 文献标识码:　A

Numerical study of enhanced stack ventilation of solar energy chimney

ZH AO Ping-ge

(Department of Architectural Engineering,X i’an Institute of T echnology,X i’an710032,China)

Abstract:　The m odel of natural ventilation of s olar energy chimney is studied by simulation.The distribution of temperature and velocity fields of the air flow at different situation are analyzed.Based on the analysis,the relationship of flow rate with s ome parameters,such as the height,inlet section,outlet section and heated area of the chimney is established.The study shows that the natural ventilation can be improved by rational design of s olar energy chimney.

K ey Words:　s olar energy chimney;natural ventilation;flow rate

引言

近年来,随着能源消耗问题和环境问题的提出,利用自然通风改善室内环境越来越受到人们的重视.利用自然通风既可以满足房间一定的舒适性要求,又可以节约设备和运行费用以及维修费用,同时能够创造可持续发展的绿色建筑环境.因此,欧美很多国家以及我国的建筑工程师对其进行了广泛的研究.建筑通常意义上的自然通风指的是通过有目的的开口,在风压和热压作用下产生空气流动.而由室内外空气密度差引起的热压自然通风即所谓的“烟囱效应”.太阳能烟囱就是利用太阳热增大烟囱内外温差而增加浮力效应,以达到增强室内通风风量降低室温的目的.到目前为止,人们对太阳能烟囱进行了一定的研究,从理论上,实验方法上,以及模拟研究上都取得了一定的成果.但目前的研究多集中于如何提高太阳辐射热的吸收以及对流换热特性的研究,而对于烟囱本身的优化设计研究较少,能够用于工程设计的资料不多,因而有必要对此进行深入细致的研究.本文所研究的内容为太阳能烟囱内的空气流动,重点是针对太阳能烟囱在不同受热面和不同开口位置及开口度影响下产生的自然通风量进行对比研究,建立开口度、温差、受热面等因素与通风量之间的定性和定量关系,确定优化结构尺寸,从而对应用热压自然通风的优化设计提供依据.

Ξ收稿日期:2003207201

作者简介:赵平歌(1973-),女(汉族),西安工业学院讲师,主要从事建筑节能的研究.

1　模型及求解方法

图1　太阳能烟囱模型Fig.1　M odel of s

olar energy chimney

1.1　物理模型

图1表示本文所研究的分析模型,其特点为:模型

尺寸:L (长)×B (宽)×H (高),其中L =0.5～5.0m ,

B =0.1～0.5m ,H =2.0～5.0m ,B/H =0.05～0.25.

侧面受到太阳照射,其表面温度T W 为30～70℃出风

口面积与进风口面积比A r 为0.6～0.8.为使用稳态模

型,出风口距离烟囱上顶面尺寸取0.1H ,使顶部形成

较为稳定的气流

根据受热侧面的位置及数量变化和出风口位置变

化,可将其分为四种自然通风方式:

(1)　单个侧面受太阳辐射热,出风口开在受热面一侧的自然通风方式;

(2)　单个侧面受太阳辐射热,出风口开在非受热面一侧的自然通风方式;

(3)　两相邻侧面受太阳辐射热,出风口开在受热面一侧的自然通风方式;

(4)　两相邻侧面受太阳辐射热,出风口开在非受热面一侧的自然通风方式.

则受热面和出风口位置的变化对应四种自然通风方式,对于每一种自然通风方式,依次研究受热面温度T W ,烟囱高度H ,长度L ,宽度B ,出风口与进风口面积之比A r 对通风量的影响,以便找到太阳能烟囱通风量的变化规律.

1.2　数学模型

采用基于时均化法则基础上的零方程模型进行求解.因为零方程基于N -S 方程,不需要求解偏微分方程,仅需要较小的计算机内存即可完成,并且具有较快的计算速度,实践表明,采用零方程模型可以实现大多数紊流流动的计算,并取得理想的结果.推导零方程模型控制方程时,应用的主要假设和简化有:

(1)“烟囱”内的气流为低速流动,可视为不可压缩流体,并满足理想气体状态方程.

(2)室内气体,属于牛顿流体,表面应力满足广义牛顿粘性应力公式为P ij =[-P +(μ′-23μ) ・ V ]δij +2μγij (1)

式中:μ′为第二粘性系数;

γij =12(5V i 5x j +5V j 5x i

).(3)Boussingq 假设:①认为流体密度的变化对惯性力项、压力项、粘性力项的影响可忽略不计;仅考虑密度的变化对质量力的影响,即仅在计算浮升力时考虑流体密度的变化.②密度差与温度差成正比.根据以上简化和假设,可得紊流时均流动方程组:

5V i x i

=0(2)5ρV i 5t +5ρi V i V j 5x i =5P 5x i +55x j [μeff (5V i 5x j +5V j 5x i

]+ρβ(T 0-T )g i (3)5ρT 5t +5ρV i T 5X j =55X j [τT ,eff 5T 5X j ]+q c p (4)

本文采用美国麻省理工学院的MITF LOW 程序,求解模型中三维温度场和速度场分布.计算中假定进风口温度及流速,并检验出风口空气流量,使其与进风口空气流量达到平衡为止,计算误差小于1%.数值计算中对大量的工况进行了模拟计算,以期找到太阳能烟囱增强自然通风的最佳工况.

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