關(guān)于豎直式太陽能煙囪優(yōu)化及其通風(fēng)性能的探索
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作者：張毅
近年來，國內(nèi)外學(xué)者對用于建筑中的太陽能煙囪開展了相關(guān)研究。Awbi和Gan采用標(biāo)準(zhǔn)k一s湍流模型對太陽能煙囪內(nèi)的空氣流動進(jìn)行了數(shù)值模擬，其結(jié)果與已有的實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本一致。AboulNaga和Abdrabboth在干熱氣候條件下研究組合式太陽能煙囪的性能，結(jié)果表明，其誘導(dǎo)通風(fēng)量是屋頂式太陽能煙囪單獨(dú)作用時(shí)的3倍。Arce通過實(shí)驗(yàn)方法研究了一個(gè)全尺寸太陽能煙囪在真實(shí)氣象條件下的熱特性和通風(fēng)性能。Zamora和Kaiser探討了太陽能煙囪在風(fēng)熱壓耦合作用下的通風(fēng)量和平均努謝爾數(shù)Nu隨瑞利數(shù)Ra的變化關(guān)系。Tan和Wong將太陽能煙囪系統(tǒng)應(yīng)用于新加坡的某一教學(xué)建筑，對其自然通風(fēng)性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測試，結(jié)果表明，在熱濕地區(qū)自然通風(fēng)效果良好。Chungloo開展了屋頂式太陽能煙囪的實(shí)驗(yàn)研究，數(shù)據(jù)表明合理設(shè)計(jì)房間及有效利用太陽能可使房間溫度降低2～4℃I剮。Chen通過模型實(shí)驗(yàn)，研究了太陽能煙囪寬高比為1:15—2:5時(shí)，其通風(fēng)量隨煙囪傾角的變化情況，得到高1.5 m、寬200 mrn的太陽能煙囪在傾斜角為45 0時(shí)通風(fēng)量最大的結(jié)果。Burek和Habeb對熱流密度為200～1 000W／m2，通道寬度為20～110 mm的太陽能炯囪內(nèi)部氣流和熱效率性能開展了研究。李安桂和郝彩俠探討了高2 000 mm．長1 000 mm的豎直集熱板屋頂式太陽能煙囪模型，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在研究范圍內(nèi)，自然通風(fēng)量隨著煙囪寬度、熱流密度的增大而增大。楊啟容和杜威研究了一個(gè)豎直式煙囪和傾斜式煙囪的串聯(lián)式結(jié)構(gòu)的通風(fēng)性能，得到長：寬=12:1時(shí)，該炯囪通風(fēng)量最大。
綜上所述，目前大多數(shù)研究都只是針對基于熱壓誘導(dǎo)作用下的傳統(tǒng)Trombe墻式、豎直式和屋頂式結(jié)構(gòu)的太陽能煙囪性能，對風(fēng)熱壓耦合作用下太陽能煙囪的優(yōu)化結(jié)構(gòu)研究較少。本文對豎直式太陽能煙囪進(jìn)行優(yōu)化，提出一種基于風(fēng)壓和熱壓耦合作用的新型結(jié)構(gòu)，通過三維數(shù)值模擬，研究其在不同結(jié)構(gòu)參數(shù)和操作參數(shù)下的通風(fēng)性能。
1物理模型和工作原理
優(yōu)化豎直式太陽能煙囪的物理模型和計(jì)算區(qū)域如圖1所示。圖2為沿線段ST處的剖面圖。該優(yōu)化結(jié)構(gòu)安置于建筑南外墻上，由豎直式煙囪、外筒、擋板和無色透明百葉組成，百葉片與水平面的夾角為p=45 0。其工作原理如下：吸熱板吸收透過玻璃蓋板和百葉片的太陽輻射，加熱吸熱板和玻璃蓋板表層空氣，使其密度變小而向上流動：一部分室外風(fēng)進(jìn)入通道Ⅱ，當(dāng)其以一定速度流出通道時(shí)，對通道I氣流形成誘導(dǎo)作用；同時(shí)，一部分室外風(fēng)在外筒上部流過而形成負(fù)壓，對太陽能煙囪內(nèi)空氣形成誘導(dǎo)作用。優(yōu)化結(jié)構(gòu)形式在熱壓和風(fēng)壓作用下，促使空氣從房間進(jìn)入煙囪而形成自然通風(fēng)。
2計(jì)算區(qū)域
如圖1所示，太陽能煙囪底部距房間頂板高度BC=500 mm，煙囪長度OP=1 000 mm，通道I高度為1 500 mm，通道I寬度為200 mm，百葉片長度為50 mm。為了準(zhǔn)確確定室外風(fēng)場的影響，需確定合理的風(fēng)場計(jì)算區(qū)域，通過不斷試算，直到通風(fēng)量計(jì)算數(shù)據(jù)之間誤差小于5%，最后確定計(jì)算區(qū)域?yàn)锳B=1 200 mm，CD=1 200 mm，AF=3 000mm，4G=2 400 mm。
3數(shù)學(xué)模型
3.1控制方程和計(jì)算方法
三維穩(wěn)態(tài)湍流控制方程如下。
式中：x為坐標(biāo)；u：為x。方向上的平均速度分量；p為空氣密度；P為平均壓力；v1，v為紊流和層流粘滯系數(shù)；昏為i方向上的重力加速度；B為空氣膨脹系數(shù)：T，T為平均溫度和參考點(diǎn)溫度；I為廣義擴(kuò)散系數(shù)：k為湍流脈動動能；s為流體脈動動能的耗散率；CI，C2為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)；G^為湍流動能的產(chǎn)生項(xiàng)；Pr為prandd數(shù)；礦。，礦。，嘸取經(jīng)驗(yàn)值。
采用Boussinesq假設(shè)，使用有限容積法求解控制方程，數(shù)值模擬采用RNG k-8兩方程模型，速度與壓力之間的耦合采用SIMPLE算法，對流項(xiàng)的離散格式使用二階迎風(fēng)格式，離散方程的求解采用亞松弛TDMA算法。
3.2邊界條件
如圖1所示，平面A FLG為速度人口邊界條件，速度取值1～5 m/s，室外風(fēng)垂直此平面進(jìn)入；平面FEKL和平面DEKJ均為壓力出口邊界條件，相對總壓設(shè)為0；平面MNLQ為壓力入口邊界條件，相對總壓設(shè)為0；平面ABCDEF、平面GHIJK以及平面ABNPOMHG為對稱邊界條件；平面CDJ1、平面OPNM和平面BCIHMQLN為壁面邊界條件。
計(jì)算域中所有固體壁面速度采用無滑移條件，玻璃蓋板和吸熱板設(shè)置為定熱流密度，熱流密度由太陽輻射和材料吸收率、透射率得出，取玻璃吸收率a=0.06，透射率r=0.84，吸熱板吸收率a，=0.95。外界環(huán)境溫度設(shè)為306 K，房間溫度為295K。
3.3網(wǎng)格獨(dú)立性考核
南于物理模型包括百葉、擋板、外筒等多種面，同時(shí)考慮風(fēng)場區(qū)域，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，本文采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格；為保證模擬的準(zhǔn)確性，網(wǎng)格劃分時(shí)對局部百葉和煙囪內(nèi)部區(qū)域進(jìn)行加密，局部計(jì)算網(wǎng)格如圖3所示。
為了使計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確且節(jié)省計(jì)算資源，進(jìn)行了網(wǎng)格獨(dú)立性考核。建立了7套網(wǎng)格，網(wǎng)格數(shù)分別為352 902, 440 195, 514 697, 600 855, 709 352,795 123，965 196。通過采用不同網(wǎng)格數(shù)計(jì)算其通風(fēng)量，計(jì)算結(jié)果如圖4所示。通過比較，網(wǎng)格數(shù)在600 855時(shí)計(jì)算結(jié)果偏差較小，出于節(jié)省資源和準(zhǔn)確性考慮，本文采用該網(wǎng)格數(shù)對模型進(jìn)行計(jì)算。
4模型有效性驗(yàn)證
為驗(yàn)證本文模型和計(jì)算方法的可靠性，對文獻(xiàn)[12]實(shí)驗(yàn)條件下太陽能煙囪誘導(dǎo)通風(fēng)進(jìn)行數(shù)值模擬，數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對比如圖5所示。實(shí)驗(yàn)條件下的太陽能煙囪由兩塊側(cè)板和一塊吸熱板、一塊玻璃蓋板組成（高為102.5 cm，長為92.5 cm，寬為20～110 mm，取60 mm)，使用電加熱代替太陽輻射，熱流密度分別為200，400，600，800，1 000 W／m2。結(jié)果表明，數(shù)值模擬的太陽能炯囪通風(fēng)量隨著熱流密度的增大而增加，與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的趨勢一致，且兩種結(jié)果的偏差小于15%，基本吻合，充分說明本文計(jì)算方法的可靠性。
5計(jì)算結(jié)果與分析
5.1豎直式太陽能煙囪的優(yōu)化結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)通風(fēng)性能比較
豎直式太陽能煙囪的優(yōu)化結(jié)構(gòu)和傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)通風(fēng)量Q隨室外風(fēng)速v和太陽輻射I的變化關(guān)系如圖6和圖7所示。傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)即南兩塊側(cè)板、一塊玻璃蓋板和一塊吸熱板組成一個(gè)空氣流通的通道。其中，兩種煙囪的寬度、高度和進(jìn)口尺寸相同，豎直式太陽能煙囪的優(yōu)化結(jié)構(gòu)外筒高度h=300 mm,通道Ⅱ寬度w=50 mm。
由圖6、7可以看出，在所研究范圍內(nèi)，隨著室外風(fēng)速v和太陽輻射I的增大，兩種太陽能煙囪的通風(fēng)量均呈現(xiàn)增大趨勢。由于優(yōu)化結(jié)構(gòu)在百葉和玻璃蓋板間形成了通道Ⅱ，室外空氣通過該通道時(shí)對太陽能煙囪通道I中的氣流形成誘導(dǎo)作用，從而進(jìn)一步強(qiáng)化了通風(fēng)性能。計(jì)算結(jié)果表明：在相同室外風(fēng)速和相同太陽輻射條件下，優(yōu)化的太陽能煙囪通風(fēng)量均高于傳統(tǒng)豎直式太陽能煙囪，最大可高出30.5%。在太陽輻射/=400 W／m2,室外風(fēng)速v從1 m/s增至5 m/s時(shí)，優(yōu)化的豎直式太陽能煙囪通風(fēng)量增加了166.5%，而傳統(tǒng)豎直式太陽能煙囪通風(fēng)量增加了136.7%;當(dāng)室外風(fēng)速v=3 m/s，太陽輻射從200 W／m2增至600 W／m2時(shí)，兩種太陽能煙囪增幅大致相同。
5.2太陽能煙囪局部流場
圖8為優(yōu)化的豎直式太陽能煙囪局部流場圖，通道Ⅱ寬度w分別取50，200，350mm，外筒高度h=300 mm，太陽輻射強(qiáng)度/=400 W/m2，室外風(fēng)速v=3 m/s。
由圖8可知，當(dāng)w=50 mm時(shí)，室外風(fēng)進(jìn)入通道Ⅱ受到玻璃蓋板的阻擋，進(jìn)入外筒的氣流轉(zhuǎn)向是豎直向上，對通道I內(nèi)空氣形成良好的誘導(dǎo)作用：在w=200 mm時(shí)，玻璃蓋板對室外空氣的阻擋作用變小，從兩邊百葉進(jìn)入的兩股氣流合在一起阻擋了通道I空氣的流出，并且在通道Ⅱ底部由于靜壓小開始形成渦流；當(dāng)w=350 mm時(shí)，玻璃蓋板的阻擋作用變小，在玻璃蓋板外側(cè)和外筒中形成兩個(gè)渦流，極大地誘導(dǎo)通道I空氣的流出，此時(shí)空氣流動分布極不均勻。
5.3外筒高度對通風(fēng)量的影響
太陽能煙囪優(yōu)化結(jié)構(gòu)在不同外筒高度^的通風(fēng)量Q隨室外風(fēng)速v和太陽輻射，的變化分別如圖9和圖10所示。其中，煙囪外筒高度h的研究范圍為0～600 mm，通道Ⅱ寬度w=200 mm。
從圖9,10可以看出，隨著煙囪外筒高度的增加，通風(fēng)量持續(xù)增加。在相同煙囪外筒高度下，通風(fēng)量隨室外風(fēng)速和太陽輻射強(qiáng)度的增加而增大，室外風(fēng)速和太陽輻射對通風(fēng)量均起到增益作用。如在v=3m／s，I=400 W/m2時(shí)，煙囪外筒高度h從0增加至600 mm時(shí)通風(fēng)量Q增加了73.0%。這是因?yàn)椋阂环矫骐S著外筒高度的增加，增加了煙囪效應(yīng)：另一方面外筒高度增加使室外風(fēng)誘導(dǎo)通道I出口氣流的時(shí)間增長，增加了風(fēng)壓的誘導(dǎo)作用。當(dāng)室外風(fēng)速v=3 m/s，太陽輻射每增加100 W／m2時(shí)，通風(fēng)量平均增加0.003 1 kg/s。當(dāng)太陽輻射/=400W／m2時(shí)，室外風(fēng)速每增加l m/s，通風(fēng)量平均增加0.024 2 kg/s，說明在條件允許下，室外風(fēng)速產(chǎn)生的風(fēng)壓對煙囪通風(fēng)量提升的效果更加明顯。
5.4通道Ⅱ寬度對通風(fēng)量的影響
圖11和圖12分別為太陽能煙囪優(yōu)化結(jié)構(gòu)在通道Ⅱ不同寬度w下的通風(fēng)量Q隨室外風(fēng)速v和太陽輻射，的變化關(guān)系圖。其中w的研究范圍為0～350 mm，固定外筒高度h=300 mm。
由圖11，12可知，隨著通道Ⅱ寬度的增加，通風(fēng)量呈現(xiàn)先增后減再增的趨勢，其原因在于：當(dāng)w為零時(shí)，即沒有室外風(fēng)進(jìn)入通道Ⅱ，不存在室外風(fēng)壓的誘導(dǎo)作用；隨著寬度w增大，風(fēng)壓的誘導(dǎo)作用出現(xiàn)并增大，通風(fēng)量增加：隨著w再增大，流進(jìn)通道Ⅱ的室外風(fēng)傾斜地從兩邊百葉流出外筒，在煙囪出口處形成一股空氣幕墻，增大了通道I出口處的阻力，隨著寬度的增加，進(jìn)入通道Ⅱ的室外風(fēng)也在增加，其阻力持續(xù)增加，使得寬度w在50～250 mm時(shí)，通風(fēng)量隨寬度增大而降低：隨著寬度w進(jìn)一步增加，在外筒上部形成順時(shí)針的渦流，渦流的出現(xiàn)，破壞了空氣幕，從而極大地誘導(dǎo)通道I中的氣流流出，使通風(fēng)量增加。在同一寬度下，隨著室外風(fēng)速的增加和太陽輻射的增加，通風(fēng)量均增加，室外風(fēng)速和太陽輻射對通風(fēng)量均起強(qiáng)化作用。值得注意的是，在同一太陽能炯囪寬度下，優(yōu)化結(jié)構(gòu)的通風(fēng)量隨室外風(fēng)速增加而增大的幅度高于隨太陽輻射強(qiáng)度的增加而增大的幅度，如在太陽能煙囪寬度為50 mm，太陽輻射強(qiáng)度為400W/m2，室外風(fēng)速從1 m/s增至5m/s時(shí)，優(yōu)化結(jié)構(gòu)的通風(fēng)量增加了166.5%;而當(dāng)室外風(fēng)速v=3 m/s．太陽輻射強(qiáng)度從200 W／m2增至600 W／m2時(shí)，優(yōu)化結(jié)構(gòu)通風(fēng)量增加了7.7%。
6結(jié)論
本文提出了一種基于風(fēng)壓和熱壓耦合作用的豎直式太陽能煙囪的優(yōu)化結(jié)構(gòu)，通過三維數(shù)值模擬，研究了該優(yōu)化的太陽能煙囪在不同的結(jié)構(gòu)參數(shù)和操作參數(shù)下的通風(fēng)性能，主要結(jié)論如下。
①太陽能煙囪的優(yōu)化結(jié)構(gòu)有效利用了室外風(fēng)對太陽能煙囪內(nèi)空氣的誘導(dǎo)作用，使其通風(fēng)性能得到顯著提高：在本文研究范圍內(nèi)，室外風(fēng)速和太陽輻射對通風(fēng)量均起到增益的作用，優(yōu)化結(jié)構(gòu)的通風(fēng)量隨室外風(fēng)速的增加而增大的幅度高于隨太陽輻射強(qiáng)度的增加而增大的幅度。
②隨著外筒高度的增加，通風(fēng)量持續(xù)增大：在室外風(fēng)速為3 m/s，太陽輻射強(qiáng)度為400 W/m2，外筒高度從0增加至600 mm時(shí)，其通風(fēng)量Q增加73.0%。
③通道Ⅱ寬度從0增至350 mm時(shí)，太陽能煙囪內(nèi)通風(fēng)量呈現(xiàn)先增大后減小再增大的趨勢，在寬度為50 mm附近通風(fēng)量達(dá)到最大。
7摘要：介紹了一種基于風(fēng)壓和熱壓耦合作用的豎直式太陽能煙囪優(yōu)化結(jié)構(gòu)，通過i維數(shù)值模擬，研究外筒高度h、通道Ⅱ寬度w、室外風(fēng)速v和太陽輻射強(qiáng)度/對其通風(fēng)性能的影響。結(jié)果表明：在相同工況下，優(yōu)化結(jié)構(gòu)的太陽能煙囪的通風(fēng)性能優(yōu)于傳統(tǒng)的豎直式太陽能煙囪；風(fēng)壓和熱壓對通風(fēng)量均為增益作用：通風(fēng)量隨外筒高度h的增加而持續(xù)增大：當(dāng)增加通道Ⅱ寬度w時(shí)，通風(fēng)量先增后減再增，在w=50 mm附近通風(fēng)量達(dá)到最大值。
