太陽(yáng)能煙囪強(qiáng)化自然通風(fēng)與蒸發(fā)冷卻復(fù)合系統(tǒng)的分析

馬柱柱,宣永梅

(西安工程大學(xué)環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院,陜西西安710048)

引言

針對(duì)全球能源匱乏的嚴(yán)峻形勢(shì),越來越多的可再生能源受到關(guān)注和應(yīng)用,尋求清潔能源利用新技術(shù)已經(jīng)成為暖通空調(diào)行業(yè)的研究熱點(diǎn)之一[1]。近年來,利用自然通風(fēng)的方式改善室內(nèi)熱環(huán)境越來越受到人們的重視,但由于自然通風(fēng)量受室外氣候條件和建筑結(jié)構(gòu)形式的約束難以有效控制,通風(fēng)效果不穩(wěn)定。而太陽(yáng)能煙囪技術(shù)利用太陽(yáng)輻射為自然通風(fēng)提供動(dòng)力,是被許多能源專家看好的具有發(fā)展前景的一項(xiàng)新能源技術(shù)[2],在此基礎(chǔ)上,提出一種將太陽(yáng)能煙囪通風(fēng)技術(shù)與蒸發(fā)冷卻相結(jié)合的復(fù)合空調(diào)系統(tǒng),它能進(jìn)一步強(qiáng)化室內(nèi)自然通風(fēng),并能有效地對(duì)空氣實(shí)現(xiàn)降溫、加濕過程。

1 工作原理及意義

太陽(yáng)能煙囪強(qiáng)化自然通風(fēng)是將古老的煙囪技術(shù)與現(xiàn)代太陽(yáng)能利用技術(shù)完美結(jié)合,基于熱壓作用下的通風(fēng)原理,利用太陽(yáng)輻射增大煙囪內(nèi)外溫差,促進(jìn)室內(nèi)外空氣的流動(dòng),增加室內(nèi)通風(fēng)量,改善通風(fēng)效果,從而達(dá)到通風(fēng)、降溫、除濕、改善室內(nèi)空氣品質(zhì)的目的。常見太陽(yáng)能煙囪形式有[3]:Trombe墻體式結(jié)構(gòu) (見圖1)、豎直集熱板屋頂式結(jié)構(gòu) (見圖2)、傾斜集熱板屋頂式結(jié)構(gòu) (見圖3),此外,還有墻壁—屋頂式太陽(yáng)能煙囪、輔助風(fēng)塔通風(fēng)的太陽(yáng)能煙囪等。

圖1 墻體式結(jié)構(gòu)

圖2 豎直集熱板屋頂式結(jié)構(gòu)

圖3 傾斜集熱板屋頂式結(jié)構(gòu)

太陽(yáng)能煙囪技術(shù)用于室內(nèi)通風(fēng)具有顯著意義:利用清潔免費(fèi)的太陽(yáng)能強(qiáng)化自然通風(fēng),將室外空氣送入室內(nèi),提高空氣質(zhì)量,避免了人們長(zhǎng)期處于空調(diào)狀態(tài)下、空氣品質(zhì)下降所導(dǎo)致的 “空調(diào)綜合癥”,同時(shí)又增加了室內(nèi)通風(fēng)換氣次數(shù),有效驅(qū)除了室內(nèi)污染物。

2 太陽(yáng)能強(qiáng)化自然通風(fēng)的研究現(xiàn)狀

太陽(yáng)能煙囪強(qiáng)化自然通風(fēng)的通風(fēng)性能主要受煙囪結(jié)構(gòu)尺寸、煙囪結(jié)構(gòu)形式、太陽(yáng)輻射強(qiáng)度及室外氣象參數(shù)等條件決定。然而太陽(yáng)輻射具有隨機(jī)性及不確定性,難以控制,室外風(fēng)速、環(huán)境溫度等也是不確定因素,因此太陽(yáng)能煙囪自身的結(jié)構(gòu)特性是影響通風(fēng)性能的一個(gè)重要因素。目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)太陽(yáng)能煙囪強(qiáng)化自然通風(fēng)的研究主要集中于獲得最佳通風(fēng)量的煙囪結(jié)構(gòu)尺寸與形式,并對(duì)此進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)研究、數(shù)值模擬和解析分析。

2.1 實(shí)驗(yàn)研究方面

在通風(fēng)量與結(jié)構(gòu)尺寸關(guān)系的實(shí)驗(yàn)研究中,早在1994年Bouchair[4]等在實(shí)驗(yàn)室條件下對(duì)太陽(yáng)能煙囪的通風(fēng)量進(jìn)行了研究,其中太陽(yáng)能煙囪高度為2m,寬度為4m,深度在0.1～1.0m之間變化,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,為了獲取最大通風(fēng)量,存在一個(gè)最佳寬度與深度比,若煙囪寬度過大,在煙囪通道中會(huì)出現(xiàn)空氣回流現(xiàn)象,影響通風(fēng)效果。2001年,Spencer[5]等人進(jìn)行了小尺寸煙囪實(shí)驗(yàn)研究,結(jié)果表明,隨著煙囪深度增大,通風(fēng)量持續(xù)增加,但當(dāng)煙囪深高比達(dá)到0.4時(shí)煙囪通道內(nèi)就會(huì)出現(xiàn)空氣回流現(xiàn)象。2009年,Arce[6]等人在西班牙的Tabernas沙漠進(jìn)行了太陽(yáng)能煙囪全尺寸實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)表明在煙囪高度為3m、煙囪深度為0.3m、傾角為45℃、熱流密度為400W/m2的條件下煙囪可達(dá)到最佳通風(fēng)效果。

在國(guó)內(nèi),2005年,荊海薇[7]研究了一面壁加熱的豎直集熱板屋頂式太陽(yáng)能煙囪,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,對(duì)于高度為2 m,長(zhǎng)度為1 m,寬度變化范圍為400～1200mm的豎直集熱板屋項(xiàng)式太陽(yáng)能煙囪,當(dāng)煙囪空氣通道寬度和高度比值為0.5時(shí),此時(shí)煙囪通風(fēng)量達(dá)到最大。2006年,郝彩霞[8]在荊海薇的基礎(chǔ)上研究了二面壁加熱的豎直集熱板屋頂式太陽(yáng)能煙囪,研究表明,與一面壁加熱不同的是,對(duì)于兩面壁加熱,沒有發(fā)現(xiàn)最佳的結(jié)構(gòu)尺寸使得風(fēng)量最大,隨著煙囪寬度的增加通風(fēng)量一直在增大。2009年,端木祥玲[9]利用氫氣泡技術(shù)分別對(duì)豎直集熱屋頂式太陽(yáng)能煙囪和Trombe墻體式太陽(yáng)能煙囪進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究,分析表明,當(dāng)兩種煙囪模型的房間進(jìn)口尺寸和煙囪的寬度相同時(shí),Trombe墻體式太陽(yáng)能煙囪產(chǎn)生的自然通風(fēng)量相比于豎直集熱板屋頂式太陽(yáng)能煙囪要大很多。

2.2 理論分析

太陽(yáng)能煙囪理論分析主要是對(duì)其各組成部分的傳熱過程進(jìn)行分析,建立相關(guān)溫度分布的數(shù)學(xué)模型,從理論上推導(dǎo)通風(fēng)量與各個(gè)參數(shù)之間的關(guān)系,從而得到煙囪內(nèi)部空氣溫度分布的理論公式。2003年,Ong[10]等人根據(jù)煙囪內(nèi)部空氣能量平衡關(guān)系建立了一個(gè)簡(jiǎn)單煙囪穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)模型,采用轉(zhuǎn)置矩陣法求解此數(shù)學(xué)模型,得出了煙囪進(jìn)出口溫度和太陽(yáng)輻射照度對(duì)其通風(fēng)量的影響。2005年,Bansal[11]等人同樣用能量平衡關(guān)系建立了集熱墻、玻璃板和煙囪內(nèi)部空氣的平均溫度方程,計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果誤差在10%之內(nèi)。2005年,蘇醒[12]等人應(yīng)用能量平衡法對(duì)豎直式太陽(yáng)能煙囪進(jìn)行了理論分析和數(shù)值計(jì)算,分析了煙囪結(jié)構(gòu)尺寸、室外氣象參數(shù)以及集熱墻與玻璃蓋板的物性參數(shù)對(duì)通風(fēng)量的影響。2006年,陳會(huì)娟[13]等人同樣采用能量平衡法對(duì)Trombe墻的通風(fēng)性能進(jìn)行了分析計(jì)算與討論,得出了通風(fēng)量與煙囪結(jié)構(gòu)尺寸、太陽(yáng)輻射之間的關(guān)系。

2.3 數(shù)值模擬

采用計(jì)算流體力學(xué)的數(shù)值模擬方法可以較為詳細(xì)地得出煙囪內(nèi)部空氣的溫度場(chǎng)和速度場(chǎng)等的分布規(guī)律。1998年,Gan[14]等人通過CFD數(shù)值模擬了Trombe墻體結(jié)構(gòu),得出了通風(fēng)量隨著吸熱墻溫度、太陽(yáng)輻射強(qiáng)度、高度、寬度以及吸熱墻的厚度的改變而改變。2000年,Rodfigues[15]等采用CFD方法模擬了二維紊流流動(dòng)條件下太陽(yáng)能煙囪內(nèi)部空氣的流場(chǎng)和溫度場(chǎng),分析了Gr數(shù)以及Nu數(shù)對(duì)通風(fēng)性能的影響。2003年,王麗萍[16]使用穩(wěn)態(tài)三維CFD軟件對(duì)3種不同結(jié)構(gòu)形式的太陽(yáng)能煙囪進(jìn)行了數(shù)值模擬對(duì)比研究。2006年,孫猛[17]等同樣利用k-ε湍流模型對(duì)太陽(yáng)能煙囪的通風(fēng)性能進(jìn)行了三維模擬。

3 太陽(yáng)能煙囪和蒸發(fā)冷卻復(fù)合系統(tǒng)的分析

結(jié)合國(guó)內(nèi)外對(duì)太陽(yáng)能煙囪強(qiáng)化自然通風(fēng)的研究進(jìn)展,本文提出了一種太陽(yáng)能煙囪強(qiáng)化自然通風(fēng)和蒸發(fā)冷卻結(jié)合的通風(fēng)系統(tǒng)。我國(guó)西北地區(qū)全年少雨,氣候干燥,太陽(yáng)輻射強(qiáng)度大[18](1),以新疆地區(qū)為例,新疆地區(qū)夏季氣候干燥,干濕球溫差大,這些條件為蒸發(fā)冷卻技術(shù)提供了天然場(chǎng)所。另外新疆地區(qū)太陽(yáng)日照豐富,年平均日照達(dá)2500小時(shí)以上,可利用太陽(yáng)輻射產(chǎn)生的熱壓強(qiáng)化自然通風(fēng)。因此,針對(duì)干燥地區(qū)夏季炎熱氣候,提出一種太陽(yáng)能煙囪與蒸發(fā)冷卻復(fù)合通風(fēng)降溫節(jié)能系統(tǒng)。

如圖4所示,該通風(fēng)供冷節(jié)能系統(tǒng)由太陽(yáng)能煙囪和蒸發(fā)冷卻兩部分組成,其中建筑南墻設(shè)有的Trombe墻太陽(yáng)能煙囪主要由透明玻璃板和Trombe墻組成煙道,透明玻璃板上下分別設(shè)有閥門2和3,Trombe墻煙囪通道側(cè)表面設(shè)有吸熱材料,另一側(cè)表面設(shè)有絕緣材料,上下分別設(shè)有閥門1和4。建筑北墻的蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)是由噴淋循環(huán)水的濕通道構(gòu)成,濕通道內(nèi)表面附有親水材料,下部設(shè)有的水槽、屋頂水箱、閥門、循環(huán)水泵,通過水管相連通。太陽(yáng)能煙囪看作是房間的排風(fēng)系統(tǒng),通過太陽(yáng)能輻射加熱煙囪內(nèi)空氣,將煙囪內(nèi)空氣熱能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能,從而為建筑北墻設(shè)有濕空氣通道的直接蒸發(fā)冷卻送風(fēng)系統(tǒng)提供免費(fèi)動(dòng)力。

圖4 太陽(yáng)能煙囪結(jié)合蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)示意圖

本系統(tǒng)具體工作過程如下:

在夏季,關(guān)閉閥門2、4,打開閥門1、3、5,Trombe墻通過透明玻璃板吸收太陽(yáng)輻射熱量,加熱煙囪內(nèi)空氣,室內(nèi)空氣不斷地由煙囪通道內(nèi)排除,從而驅(qū)動(dòng)室外空氣不斷地由建筑北墻的濕通道送入室內(nèi)。室外空氣在煙囪效應(yīng)的熱壓作用下,依次流經(jīng)濕通道、房間、最后由煙囪通道排出,形成一個(gè)直流模式,通風(fēng)效果明顯。同時(shí),室外空氣在流經(jīng)濕通道時(shí),在親水材料作用下,干熱空氣與循環(huán)水進(jìn)行充分熱濕交換,是一個(gè)直接蒸發(fā)冷卻過程,有效地降低了送風(fēng)溫度。

在冬季,停用建筑北墻循環(huán)水蒸發(fā)冷卻系統(tǒng),關(guān)閉閥門2、3、5,打開閥門1、4,利用太陽(yáng)能加熱煙囪內(nèi)的空氣,將熱空氣送入室內(nèi)。當(dāng)室外空氣溫度不是很低,也可以關(guān)閉閥門1、3、5,打開閥門2、4,將室外新鮮空氣通過煙囪加熱送入室內(nèi)。

4 結(jié) 論

太陽(yáng)能煙囪強(qiáng)化自然通風(fēng)是一種很有潛力的通風(fēng)手段,它具有強(qiáng)化室內(nèi)通風(fēng)、改善室內(nèi)空氣品質(zhì)的優(yōu)點(diǎn)。蒸發(fā)冷卻技術(shù)具有節(jié)能、無污染的特點(diǎn)。將太陽(yáng)能煙囪強(qiáng)化自然通風(fēng)和蒸發(fā)冷卻技術(shù)相相結(jié)合應(yīng)用于生態(tài)建筑,有效地解決了室內(nèi)通風(fēng)降溫問題,由綠色能源太陽(yáng)能作為蒸發(fā)冷卻空調(diào)中風(fēng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)力,大大節(jié)省了投資和運(yùn)行費(fèi)用,節(jié)能環(huán)保效果顯著,具有良好發(fā)展前景。

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