基于光伏光熱的地下空間太陽能煙囪效應(yīng)影響因素研究

向　波，余　濤，袁艷平，孫亮亮，曹曉玲

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基于光伏光熱的地下空間太陽能煙囪效應(yīng)影響因素研究

向波，余濤，袁艷平※，孫亮亮，曹曉玲

（西南交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，成都 610031）

提出了將太陽能煙囪效應(yīng)與太陽能光伏光熱（PV/T）技術(shù)相結(jié)合來強(qiáng)化地下空間通風(fēng)的技術(shù)措施。為研究該通風(fēng)模式的影響因素，基于質(zhì)量和熱量平衡理論，建立了風(fēng)井通風(fēng)性能的數(shù)學(xué)模型，分析了換熱器管排數(shù)、風(fēng)井高度、熱水水溫和流速對(duì)通風(fēng)性能的影響。結(jié)果表明：風(fēng)井內(nèi)換熱器存在最大有效管排，管間距為0.032、0.038、0.047 m時(shí)換熱器的最大有效管排數(shù)分別為9、13、18，在有效管排數(shù)范圍內(nèi)，隨著管排數(shù)的增加風(fēng)井出口溫度升高，通風(fēng)量先增大后減??；空氣質(zhì)量流量隨著風(fēng)井高度增加、熱水溫度升高明顯增大，隨著熱水流速增大而緩慢增大；風(fēng)井出口空氣溫度隨著風(fēng)井高度增加而降低，隨著熱水溫度升高、流速增大而升高。最后，通過擬合得到計(jì)算風(fēng)井空氣質(zhì)量流量的經(jīng)驗(yàn)公式。

太陽能；傳熱；通風(fēng)；PV/T；地下空間；通風(fēng)風(fēng)井

0 引 言

隨著地下空間（如綜合管廊、地下車庫等）開發(fā)數(shù)量日益增多，地下空間的節(jié)能也越來越受到關(guān)注[1-3]。地下空間因其地勢(shì)低且相對(duì)封閉，易沉積污染物，需要設(shè)置有效的通風(fēng)系統(tǒng)[4-6]，常用的風(fēng)機(jī)通風(fēng)設(shè)備能耗高，噪音大[7]，而自然通風(fēng)無需動(dòng)力設(shè)備，是一種節(jié)能環(huán)保的通風(fēng)方式[8-11]，但其受外界環(huán)境氣象條件影響大，通風(fēng)量不穩(wěn)定，在實(shí)際地下工程應(yīng)用中具有一定的局限性。為彌補(bǔ)自然通風(fēng)的不足，常利用太陽能煙囪來強(qiáng)化地下空間自然通風(fēng)[12-14]。

太陽能煙囪是利用太陽輻射加熱風(fēng)井的空氣，空氣吸熱產(chǎn)生浮升力，形成煙囪效應(yīng)達(dá)到強(qiáng)化自然通風(fēng)目的[15-16]。許多學(xué)者研究了太陽能煙囪的通風(fēng)性能并對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化[17-18]。近年來，也有不少太陽能煙囪與其他技術(shù)結(jié)合強(qiáng)化自然通風(fēng)效果的報(bào)道，如太陽能煙囪結(jié)合蒸發(fā)冷卻腔、太陽能煙囪結(jié)合地埋空氣換熱器、太陽能煙囪結(jié)合內(nèi)置光伏（PV）驅(qū)動(dòng)直流風(fēng)機(jī)等技術(shù)措施[19-21]，但這些文獻(xiàn)研究都集中于地上建筑。針對(duì)地下建筑，郭敏等[12]提出將太陽能煙囪效應(yīng)與太陽能熱水器相結(jié)合用于地下建筑通風(fēng)，并對(duì)其通風(fēng)性能進(jìn)行理論分析和數(shù)值模擬。結(jié)果表明，太陽能可以滿足該通風(fēng)換氣方式60%的能量需求，降低了電能等其他形式能源的消耗。

上述關(guān)于太陽能煙囪研究多針對(duì)地上建筑，由于地下空間環(huán)境的特殊性，無法建造類似地上建筑的太陽能煙囪，相關(guān)的研究較少。光伏（PV）發(fā)電技術(shù)是一種常見的太陽能利用技術(shù)[22-23]，PV組件接收的太陽能大部分都轉(zhuǎn)化為熱量，使得PV組件溫度升高，從而導(dǎo)致光電轉(zhuǎn)換效率降低[24]。工程中，可采用PV/T技術(shù)通過水或空氣回收發(fā)電時(shí)產(chǎn)生的熱量來提高光電轉(zhuǎn)換效率[25-26]。若將太陽能煙囪效應(yīng)與PV/T技術(shù)相結(jié)合應(yīng)用于地下空間通風(fēng)，則不僅可以維持PV組件在較高光電轉(zhuǎn)換效率的溫度范圍內(nèi)，而且PV/T產(chǎn)生的低溫余熱還可用于強(qiáng)化地下空間自然通風(fēng)，降低地下空間通風(fēng)能耗，最大限度地提高了太陽能綜合利用效率。

本文提出了太陽能煙囪效應(yīng)與PV/T技術(shù)相結(jié)合的技術(shù)措施，將PV/T集熱器產(chǎn)生的余熱應(yīng)用于地下空間通風(fēng)。文章針對(duì)風(fēng)井部分，分析了其內(nèi)部流動(dòng)和換熱平衡，建立了風(fēng)井通風(fēng)性能的數(shù)學(xué)模型，并初步探討了換熱器管排數(shù)、風(fēng)井高度、熱水水溫和流速對(duì)通風(fēng)效果的影響。

1 風(fēng)井物理模型

1.1 系統(tǒng)描述

如圖1所示為本文提出的太陽能煙囪效應(yīng)與PV/T技術(shù)相結(jié)合的通風(fēng)系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要由光伏光熱（PV/T）集熱器、循環(huán)水泵、換熱器、風(fēng)井、地下空間和蓄電設(shè)備組成。其工作原理為：在晴朗白天，PV/T集熱器發(fā)電可供地下空間用電設(shè)備使用，運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的多余熱量通過水帶走，被加熱的水送至風(fēng)井底部的換熱器，風(fēng)井底部空氣被換熱器加熱密度減小，風(fēng)井內(nèi)空氣因密度差產(chǎn)生向上浮升力，從而形成煙囪效應(yīng)，煙囪效應(yīng)使得空氣沿著風(fēng)井上升，此時(shí)風(fēng)井底部空氣由地下空間的冷空氣填充并被持續(xù)加熱，風(fēng)井內(nèi)將形成穩(wěn)定的上升氣流，可實(shí)現(xiàn)地下空間的通風(fēng)作用。該系統(tǒng)相對(duì)獨(dú)立，利用太陽能產(chǎn)生的電能和熱量可維持自身系統(tǒng)的運(yùn)行，不需要消耗外界其他能源。對(duì)于偏遠(yuǎn)地區(qū)的隧道等地下空間，建設(shè)和維護(hù)電網(wǎng)的成本都比較高，這些地區(qū)使用該系統(tǒng)供電和通風(fēng)是經(jīng)濟(jì)的選擇，而且充分利用了太陽能，節(jié)約資源。

圖1 太陽能煙囪效應(yīng)與PV/T技術(shù)相結(jié)合的通風(fēng)系統(tǒng)

1.2 風(fēng)井物理模型的簡(jiǎn)化

圖2a所示為風(fēng)井二維物理模型，圖中風(fēng)井縱向高度為，橫截面為長(zhǎng)、寬的矩形，==1 m，風(fēng)井內(nèi)的換熱器為順排管束，如圖2b，換熱器第1排管距離風(fēng)井底部′=2 m，管外徑=0.02 m，橫向和縱向管間距分別為1和2，1=2。

風(fēng)井內(nèi)的傳熱是涉及導(dǎo)熱、對(duì)流傳熱和輻射傳熱共同作用的混合動(dòng)態(tài)傳熱過程，為了簡(jiǎn)化問題，現(xiàn)作以下假設(shè)：

1）風(fēng)井內(nèi)形成穩(wěn)定的一維空氣流；

2）風(fēng)井內(nèi)壁面絕熱；

3）忽略風(fēng)井內(nèi)輻射傳熱；

4）忽略空氣在風(fēng)井內(nèi)流動(dòng)的沿程阻力；

5）忽略風(fēng)井外部環(huán)境的風(fēng)壓作用；

6）忽略換熱器水管的熱阻；

7）忽略地下空間內(nèi)部阻力，認(rèn)為其與室外大氣相通；

8）通過換熱器加熱后的空氣密度保持不變。

注：ρa(bǔ)0、ρa(bǔ)1、ρa(bǔ)2分別為斷面0-0、Ⅰ-Ⅰ、Ⅱ-Ⅱ處空氣密度，kg·m-3；va1和va2分別為斷面Ⅰ-Ⅰ和Ⅱ-Ⅱ處空氣平均流速，m·s-1；ta1和ta2為風(fēng)井入口和出口空氣溫度，℃；H為風(fēng)井縱向高度，m；W為風(fēng)井截面寬度，m；h’為換熱器第1排管到風(fēng)井底部的距離，m； s1和s2分別為橫向和縱向管間距，m；d為換熱管外徑，m；n為管排數(shù)。

2 風(fēng)井內(nèi)流動(dòng)與傳熱數(shù)學(xué)模型及求解方法

2.1 流動(dòng)控制方程

風(fēng)井內(nèi)空氣流動(dòng)滿足伯努利方程和連續(xù)性方程，取地下空間底部為基準(zhǔn)面0-0，換熱器最下排管處斷面Ⅰ-Ⅰ，風(fēng)井出口斷面Ⅱ-Ⅱ，則有：

0-0和Ⅰ-Ⅰ斷面的流動(dòng)平衡方程為：

Ⅰ-Ⅰ和Ⅱ-Ⅱ斷面的流動(dòng)平衡方程為：

Ⅰ-Ⅰ和Ⅱ-Ⅱ斷面的連續(xù)性方程為：

式中0、1、2分別為斷面0-0、Ⅰ-Ⅰ、Ⅱ-Ⅱ的靜壓，Pa。為簡(jiǎn)化問題，認(rèn)為地下空間與外界相通，靜壓0=2=0，可認(rèn)為基準(zhǔn)面處（0=0）空氣靜止，即a0=0，空氣溫度為20 ℃；0、1、2分別為斷面0-0、Ⅰ-Ⅰ、Ⅱ-Ⅱ的位置標(biāo)高，m；a0、a1、a2分別為斷面0-0、Ⅰ-Ⅰ、Ⅱ-Ⅱ處空氣密度，kg/m3，a0=a1=1.205 kg/m3；a0、a1、a2分別為斷面0-0、Ⅰ-Ⅰ、Ⅱ-Ⅱ處空氣平均流速，m/s。a1為換熱器底部空氣的來流速度；為重力加速度，m/s2；1和2分別為Ⅰ-Ⅰ和Ⅱ-Ⅱ處風(fēng)井?dāng)嗝婷娣e，m2；1為風(fēng)井空氣入口局部阻力系數(shù)，取值0.5[27]；2為空氣流經(jīng)換熱盤管的局部阻力系數(shù)，參考文獻(xiàn)[28]，可按式（4）計(jì)算：

式中為空氣流向的管束縱向排數(shù)；0為對(duì)應(yīng)于管束中單管的阻力系數(shù)。

單位時(shí)間內(nèi)被排出地下空間的空氣質(zhì)量a可由下式計(jì)算：

2.2 換熱平衡方程

由1.2節(jié)假設(shè)可知，風(fēng)井內(nèi)空氣與換熱器的換熱方式為空氣橫掠管束對(duì)流換熱，空氣吸熱量全部來自于水的放熱量，因此換熱器處的熱平衡方程為

式中a1和a2分別為風(fēng)井入口和出口空氣溫度，℃，a1= 20 ℃；w1和w2分別為換熱器入口和出口水溫，℃；pa為空氣的定壓比熱容，J/(kg·K)；pw為水的定壓比熱容，J/(kg·K)；w為水的密度，kg/m3；w為水的流速，m/s；d為換熱器熱水管的橫截面積，m2；p為換熱器傳熱面積，m2；h為空氣與換熱器之間的平均對(duì)流換熱系數(shù)，W/(m2·K)；Δ為換熱器處對(duì)數(shù)平均傳熱溫差，℃。

空氣橫掠換熱器管束與管內(nèi)的水換熱可視為順利多次交叉流，當(dāng)交叉次數(shù)大于等于4時(shí)，其平均傳熱溫差可按純順流的平均傳熱溫差計(jì)算[29]，其計(jì)算公式為

式中Nu為努謝爾特?cái)?shù)；a為空氣導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m2·K)。由于風(fēng)井內(nèi)煙囪效應(yīng)顯著，可形成穩(wěn)定的空氣流動(dòng)，故空氣與換熱器傳熱過程可視為橫掠管束的強(qiáng)迫對(duì)流傳熱過程，則Nu采用文獻(xiàn)[29]中給出的經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算：

空氣的特征溫度a為膜平均溫度：

2.3 數(shù)學(xué)模型求解過程

式（1）－式（15）為風(fēng)井內(nèi)流動(dòng)與傳熱過程的完整數(shù)學(xué)描述，應(yīng)用上述數(shù)學(xué)模型即可對(duì)圖2所示的風(fēng)井自然通風(fēng)進(jìn)行計(jì)算。本文采用MATLAB軟件求解上述數(shù)學(xué)模型，求解過程如圖3所示。

圖3 數(shù)學(xué)模型求解流程圖

3 通風(fēng)效果影響因素分析

風(fēng)井內(nèi)的空氣流量是通風(fēng)效果優(yōu)劣最直觀的體現(xiàn)，而溫度變化產(chǎn)生密度差是空氣流動(dòng)的驅(qū)動(dòng)力。本文研究了換熱器管排數(shù)、風(fēng)井高度和PV/T集熱器產(chǎn)生的熱水溫度、流速對(duì)風(fēng)井出口空氣溫度和空氣質(zhì)量流量的影響。

3.1 管排數(shù)對(duì)通風(fēng)特性的影響

由圖4a可知，風(fēng)井出口空氣溫度隨著換熱器管排數(shù)的增加而增大，換熱器出口水溫隨著換熱器管排數(shù)的增加而減小。顯然，管排數(shù)越多，換熱器換熱面積越大，空氣被加熱后的溫度越高，水的出口溫度就越低，空氣與換熱器換熱量隨之增加，煙囪效應(yīng)增強(qiáng)，當(dāng)管排數(shù)超過一定值后，風(fēng)井出口空氣溫度上升和換熱器出口水溫度下降達(dá)到極限值，空氣與換熱器不再換熱，定義此時(shí)的換熱器管排數(shù)為最大有效管排數(shù)，用max表示。當(dāng)≥max時(shí)，為無效管排。最大有效管排數(shù)通常與管間距、管徑、熱水水溫、熱水流速等參數(shù)有關(guān)。圖4a所示情況下，管間距為0.032、0.038、0.047 m時(shí)換熱器的最大有效管排數(shù)分別為9、13、18。

從以上結(jié)果及分析來看，風(fēng)井內(nèi)的換熱器存在有效管排數(shù)，因此后面的分析都是在有效管排數(shù)內(nèi)。

有效管排數(shù)范圍內(nèi)，風(fēng)井內(nèi)空氣質(zhì)量流量隨管排數(shù)的增加先增加，后減小，如圖4b所示。雖然增加管排數(shù)可以增大換熱面積，但空氣流過換熱器的阻力也會(huì)隨之增大。當(dāng)管排數(shù)小于一定值時(shí)，增加管排數(shù)導(dǎo)致的流動(dòng)阻力增加程度較小，煙囪效應(yīng)產(chǎn)生的浮升力足以克服流動(dòng)阻力，使得空氣流速仍會(huì)增大，因此增大了風(fēng)井內(nèi)的通風(fēng)量。當(dāng)管排數(shù)增加到一定值后，換熱量和浮升力達(dá)到最大，從而空氣質(zhì)量流量達(dá)到最大值，再增加管排，流動(dòng)阻力的增大對(duì)速度的影響超過了換熱器加熱對(duì)空氣所受浮升力的影響，所以空氣的流速減小，從而通風(fēng)量減小。管間距為0.032、0.038、0.047 m的換熱器的管排數(shù)分別為6、8、11時(shí)空氣質(zhì)量流量達(dá)到最大值。所以，在風(fēng)井內(nèi)布置換熱管時(shí)，既要保證足夠的換熱面積，又要避免因管排數(shù)增加導(dǎo)致的流動(dòng)阻力增加。

a. 出口溫度a. Outlet temperatureb. 空氣質(zhì)量流量b. Air mass flow rates

3.2 風(fēng)井高度對(duì)通風(fēng)特性的影響

由圖5可知，風(fēng)井出口空氣溫度隨著風(fēng)井高度增加而減小，而空氣質(zhì)量流量隨風(fēng)井高度增加逐漸增大。當(dāng)換熱器以及換熱器內(nèi)熱水的參數(shù)保持一定時(shí)，風(fēng)井高度增加則煙囪效應(yīng)增強(qiáng)，從而提高了風(fēng)井內(nèi)的空氣質(zhì)量流量。

a. 出口空氣溫度a. Outlet air temperatureb. 空氣質(zhì)量流量b. Air mass flow rates

圖5b中風(fēng)井高度從10 m增加到30 m，水溫為40、50、60 ℃時(shí)，空氣質(zhì)量流量分別增加了75.2%、74.5%、73.8%。因此，要得到大的通風(fēng)量就需要增加風(fēng)井高度，該結(jié)論與文獻(xiàn)[12]一致。煙囪效應(yīng)的增強(qiáng)會(huì)增大換熱器前端的空氣來流速度，使得空氣與換熱器之間的對(duì)流換熱量增加，但空氣流量增加的幅度更大，故出口空氣溫度隨風(fēng)井高度的增加而降低。雖然增加風(fēng)井高度有利于通風(fēng)量的增加，但風(fēng)井的建造成本也會(huì)增加，應(yīng)根據(jù)地下空間類型選取適宜風(fēng)井高度。

3.3 換熱器入口水溫對(duì)通風(fēng)特性的影響

換熱器內(nèi)的熱水來自于PV/T集熱器，產(chǎn)生的熱水溫度（即換熱器入口水溫）是影響風(fēng)井通風(fēng)效果的重要因素，產(chǎn)生熱水的溫度與太陽輻射強(qiáng)度、PV/T集熱器的面積和連接方式等有關(guān)，一般PV/T集熱器能產(chǎn)生溫度在40～60 ℃之間的低溫?zé)崴甗30]。圖6給出換熱器入口熱水溫度對(duì)風(fēng)井出口空氣溫度、空氣質(zhì)量流量的影響，顯然，風(fēng)井通風(fēng)效果隨著水溫升高而明顯加強(qiáng)，溫度從40 ℃增加到60 ℃，熱水流速為1、2、3、4 m/s時(shí)，空氣質(zhì)量流量分別增加了35.1%、36.8%、37.5%、37.9%。水溫越高，換熱溫差越大，風(fēng)井內(nèi)空氣吸熱量越大，空氣溫升越高，煙囪效應(yīng)就越明顯，空氣質(zhì)量流量越大。為保證換熱器入口較高的水溫，可以適當(dāng)增大集熱器面積，根據(jù)季節(jié)和當(dāng)?shù)鼐暥却_定集熱器最佳安裝傾角。

a. 出口空氣溫度a. Outlet air temperatureb. 空氣質(zhì)量流量b. Air mass flow rates

3.4 換熱器水流速對(duì)通風(fēng)特性的影響

圖7為風(fēng)井出口空氣溫度和空氣質(zhì)量流量隨換熱器內(nèi)熱水流速的變化，由圖7可知，二者都隨熱水流速的增大，總體增大的幅度較小。這表明適當(dāng)增大熱水流速可以加強(qiáng)風(fēng)井內(nèi)自然通風(fēng)，但換熱器有一定的換熱效率，當(dāng)水流速增大到一定數(shù)值后，換熱量基本不變，誘導(dǎo)通風(fēng)量也趨于穩(wěn)定。當(dāng)w1為40、50、60 ℃，熱水流速w從1 m/s變化到4 m/s時(shí)，空氣的質(zhì)量流量分別增加了9.2%、10.5%、11.5%，可見熱水流速對(duì)通風(fēng)效果影響較小。供水水泵要耗能，因此，需考慮最經(jīng)濟(jì)的熱水流速。

3.5 空氣質(zhì)量流量擬合分析

從前文可知，若已知換熱器和風(fēng)井橫截面參數(shù)，影響風(fēng)井內(nèi)空氣質(zhì)量流量的主要因素可用函數(shù)定性地描述為

結(jié)合、w1、w對(duì)空氣質(zhì)量流量的影響規(guī)律，通過擬合可得計(jì)算空氣質(zhì)量流量的經(jīng)驗(yàn)公式為

式（11）的適用范圍：=10，1=0.038 m，10 m≤≤ 30 m，40 ℃≤w1≤60 ℃，1 m/s≤w≤4 m/s。風(fēng)井內(nèi)空氣質(zhì)量流量a隨0.512w10.781w0.064的變化情況如圖8所示。對(duì)于其他管排數(shù)、管間距的換熱器，也可以采用類似的方法得到相應(yīng)經(jīng)驗(yàn)公式。該經(jīng)驗(yàn)公式可以為基于換熱器的豎井自然通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供參考。

a. 出口空氣溫度a. Outlet air temperatureb. 空氣質(zhì)量流量b. Air mass flow rates

圖8 空氣質(zhì)量流量隨H0.512tw10.781vw0.064的變化

4 結(jié) 論

本文在已有研究基礎(chǔ)上，提出將太陽能煙囪效應(yīng)與PV/T技術(shù)相結(jié)合，采用PV/T集熱器產(chǎn)生的熱水送入換熱器加熱風(fēng)井空氣以強(qiáng)化地下空間自然通風(fēng)。基于質(zhì)量和能量守恒，本文建立了風(fēng)井通風(fēng)性能的數(shù)學(xué)模型，分析了換熱器管排數(shù)、風(fēng)井高度、熱水水溫和流速對(duì)風(fēng)井空氣質(zhì)量流量和出口空氣溫度的影響，得出以下結(jié)論：

1）采用換熱器加熱風(fēng)井內(nèi)的空氣，管排數(shù)對(duì)通風(fēng)效果有較大的影響。換熱器存在最大有效管排數(shù)，管間距為0.032、0.038、0.047 m時(shí)換熱器的最大有效管排數(shù)分別為9、13、18。在有效管排數(shù)范圍內(nèi)，隨著管排數(shù)的增加風(fēng)井出口溫度升高，通風(fēng)量先增大后減小。

2）風(fēng)井的高度增加，煙囪效應(yīng)增強(qiáng)，通風(fēng)量明顯增大，但風(fēng)井出口的空氣溫度降低。

3）升高換熱器入口水溫可明顯增大風(fēng)井出口空氣溫度和風(fēng)井通風(fēng)量。水流速對(duì)通風(fēng)效果影響較小，適當(dāng)增大熱水流速可增大通風(fēng)量，但流速增大到一定數(shù)值后，通風(fēng)量趨于穩(wěn)定。

4）通過擬合得到計(jì)算風(fēng)井通風(fēng)換氣量的經(jīng)驗(yàn)公式。

文章對(duì)基于光伏光熱的地下空間太陽能煙囪效應(yīng)影響因素做了初步研究，但僅建立了風(fēng)井內(nèi)的通風(fēng)數(shù)學(xué)模型，實(shí)際情況中應(yīng)根據(jù)不同類型的地下空間通風(fēng)需求，考慮PV/T集熱器（集熱面積、集熱器連接方式）、風(fēng)井幾何參數(shù)及換熱器布置形式之間的相互匹配問題，上述這些問題將在下一步工作中進(jìn)行研究。

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Study on influencing factor of solar chimney effect in underground space based on photovoltaic-thermal

Xiang Bo, Yu Tao, Yuan Yanping※, Sun Liangliang, Cao Xiaoling

(610031,)

Pollutants are easy to be concentrated in the underground space because of the low terrain and the enclosure space. Therefore, an effective ventilation system is required to create a clean indoor environment. Ventilation fan is widely used in the underground space, but the fan has high energy consumption and is very noisy. Thus, both energy conservation and environmental protection are significantly important for the design of ventilation system, and solar chimney is a feasible method by using solar energy in order to realize these 2 purposes. Due to the special underground space environment, it’s impossible to construct a solar chimney as the ground building, which must be combined with other technologies. PV (photovoltaic) technology is a common solar energy utilization technology, but most of solar energy irradiating on PV cells is converted into heat when it is operating, resulting in a rising PV temperature and a dropping photoelectric conversion efficiency. In this project, photovoltaic-thermal technology is used to recover the heat of PV cells to maintain a high photoelectric conversion efficiency. This paper proposes a system combining the solar chimney effect with the photovoltaic-thermal technology for the purpose of enhancing the natural ventilation in the underground space. On one hand, this system can maintain the PV temperature at a high photoelectric conversion efficiency. On the other hand, the extra heat can be used in the underground space ventilation. Therefore, the ventilation energy consumption is reduced and the comprehensive utilization efficiency of solar energy is increased. To study the influencing factors of the ventilation system, a mathematical model for evaluating the ventilation performance of the ventilation shaft is established based on the conservation of energy and mass, which is solved by MATLAB software. The influences of heat exchanger tube row, height of ventilation shaft, water temperature and velocity on the ventilation performance are analyzed. Results show that the heat exchanger has a maximum effective tube row in each case, and the tube pitches of 0.032, 0.038 and 0.047 m correspond to the maximum effective tube rows of 9, 13, and 18, respectively. The outlet air temperature increases with the tube row, while the air mass flow rate increases and then decreases with the tube row. The air mass flow rate obviously increases with the height of ventilation shaft and the inlet water temperature, while it slowly increases with the water velocity. The outlet air temperature decreases with the height of ventilation shaft and increases with the water temperature and the water velocity. Finally, an empirical formula for calculating the air mass flow rate is fitted.

solar energy; heat transfer; ventilation; PV/T; underground space; ventilation shaft

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.18.019

TK519

A

1002-6819(2017)-18-0141-07

2017-04-21

2017-08-28

建筑環(huán)境與能源高效利用四川省青年科技創(chuàng)新研究團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目 (2015TD0015）；國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目（51678488）

向 波，男，四川遂寧人，博士生，主要從事地下空間可再生能源應(yīng)用研究。成都 西南交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，610031。Email：xiangbo@my.swjtu.edu.cn

袁艷平，男，湖北洪湖人，博士，教授，博士生導(dǎo)師。主要從事地下空間熱濕環(huán)境與安全、地源熱泵、太陽能建筑一體化、相變儲(chǔ)能在暖通領(lǐng)域的應(yīng)用研究。成都 西南交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，610031。Email：ypyuan@home.swjtu.edu.cn