一种被动式太阳能通风的数值研究

一种被动式太阳能通风的数值研究赵平歌 (西安工业大学，西安，710032)摘 要：本文从太阳能烟囱简介出发，通过对烟囱模型进行数值模拟，分析太阳能烟囱通风量与烟囱高度、宽度、进排风口面积、加热面之间的关系，指出烟囱宽度和出风口位置与通风量密切相关，并给出相应的太阳能烟囱通风量计算公式。引言在被动式太阳房的设计中，广泛的采用窗、附加阳光间、太阳能烟囱等来实现自然通风。其目的是使空气在太阳能的作用下被加热，利用烟囱效应的抽吸作用使流动加速，强化自然通风效果；显然，这种自然通风是在有限空间内进行的。可以预见，当在小温差小间距时以导热为主存在阻滞区，而当间距足够大时，接近于自由空间。基于以上分析，有限空间内的自然通风不仅与其推动力有关，而且与抽吸通道的几何参数（高度、间距、宽度）及通道侧缘是否开放等有关。通过分析研究，建立这些参数与自然通风的定量关系，对于应用有限空间自然通风方式的各种装置的设计及其优化有着重要的实际意义。 本文将通过模拟计算和理论分析，讨论几何参数不同时的自然通风效果，并建立相应的计算公式。 1 太阳能烟囱系统简介太阳能烟囱一般包括两个部分，一个是太阳能加热器，另一个是烟囱，如图1所示。这种系统的设计目的是通过吸收太阳能加快通风效果。其关键设计参数为高度、横断面面积以及烟囱热系统进出口温度1。空气在太阳能加热器内温度升高，体积膨胀产生浮力，带动空气流动。这种系统最大的优点是其自身平衡能力，天越热，太阳能集热器温升越大，则气流越快。图1.太阳能烟囱系统2.数值计算模型文献1通过理论分析由伯努利方程和连续性方程得出太阳能烟囱内通风量的计算公式： （2.1） （2.2）其中，AO出风口面积Ai进风口面积H进风口与出风口中心距离 Ti进风温度T进、排风温度差CD流出系数流出系数CD是描述烟囱几何参数和通风量关系的参数值，其受太阳能烟囱几何形状和流量的影响，可取不同值。本文针对一种特定的烟囱形式通过数值模拟来求解该模型中的速度场和温度场，以寻求与之相适宜的几何参数与通风量的关系。在本文的研究中，烟囱始终保持垂直即，而烟囱高度、进排风口面积以及由此产生的进、排风温差发生变化。烟囱模型如图2所示，计算范围如下： 模型尺寸：L（长）B（宽）H（高），其中L=0.55.0m，B=0.1m0.5m，H=2.0m5.0m，B/H0.050.25侧面受到太阳照射，其表面温度TW为 300C 700C出风口面积与进风口面积比Ar为0.60.8 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。3.结果及讨论针对图2所示模型，依次研究受热面温度Tw，烟囱高度H，长度L,宽度B,出风口与进风口面积之比对通风量的影响，计算结果参见图3-图6。 由图中数值计算结果可知，烟囱通风量大小不仅与烟囱的高度，进、排风口面积及太阳辐射热等因素有关，还与烟囱宽度及出风口位置密切相关。首先当烟囱宽度确定时，随着烟囱高度的增加，通风量并非越来越大。这是由于在有限空间内增加烟囱高度对换热的影响主要表现在改变了过渡区特别是正在发展区的换热量。而当烟囱高度增大到一定值时，烟囱内的有限空间换热达到充分发展区，此时，再增加高度对换热影响不大，因此通风量有所下降，烟囱宽度对通风量的影响由烟囱的宽高比确定，通风量达到最大值时，烟囱的宽高比约取1/10。其次烟囱对空气的抽吸作用是由于烟囱进出口的温度差引起的，从图中可以看出出风口设在加热面一侧时的通风量远大于设在非加热面时。对数值结果进行回归分析，将通风量公式整理为以下形式： （3.1）其中，B为烟囱宽度；C为常数，B/H0.2时取0.55，,B/H0.2时取0.35。此时可知：通风量与高度、温差、出风口与进风口面积之比关系分别为：（1）；（2）；（3），即（4）. 与公式（2.1）相比，修正公式考虑了烟囱宽度对通风量的影响，并根据烟囱宽高比给出了常数C的参考值。利用修正后的公式与数值计算结果对比：4.结论4.1数值计算结果表明烟囱通风量与烟囱宽度密切相关。在有限的烟囱空间内，受热后的空气不能像大空间那样自由膨胀，无限制的增厚热边界层，所以空气平均温升比自由空间大，密度更小，可以在热压作用下产生一定的抽吸力，加快空气流动；而当宽度继续增大，由此引起的自然通风效果将减弱。4.2由计算公式与数值计算结果对比可知，烟囱高度4米以下时，修正公式与数值计算结果比较吻合；当高度达到5米时，两者出现偏差，计算结果比实际通风量大得多。由此表明，并非烟囱高度越高，实际通风效果越好。4.3通过本文的研究表明，针对实际的工程，合理的进行自然通风设计对自然通风的实现有着重要的意义。参考文献：1N.K.Bansal, Rajesh Mathur, M.S.Bhandari. Solar chimney for enhanced stack ventilationJ, Building and Enviroment, 1993,3(28): 373-3772韩振兴，陆维得等，抽吸式自然对流换热的实验研究J，太阳能学报， Vol.13,No.3,July,1992：250-2543L.F.Hamdy,M.A.Fikky. Passive solar ventilationJRenewable Energy,1998,1-4(14):381-386作者简介：赵平歌，女，1973年3月， 汉，陕西兴平人，讲师，西安工业大学建筑工程系，710032，email地址：xazhpg