浅谈建筑一体化太阳能烟囱的通风性能

一、太阳能烟囱的概念和发展历史

随着全球经济的不断进步，能源危机与环境恶化已经给了当代人无与伦比的压力，人们迫切需要寻找一种可再生的、取之不尽、用之不竭的环保型新能源来缓解这些压力。经过人们的不断探索，已经把这种能源聚焦于能量无限以及完全清洁的太阳身上，因此，太阳能烟囱技术也逐渐的开始发展和进步。20 世纪50 年代，法国科学家E.Trombe 开始对太阳能烟囱进行研究 ， 它的研究结果引起了科学家们的兴趣，从此，引发了一股研究太阳能烟囱的热潮其研究成果引起了人们的普遍关注 ， 随后人们对太阳能烟囱展开了一系列探索性研究，并应用于多种领域。太阳能烟囱这项技术是将历史悠久的烟囱技术与新生的太阳能利用技术完美的结合起来 ， 依据热压作用下的自然通风原理 ， 以太阳辐射为空气流动的动力 ， 有效地将辐射热能转化为空气动能 ， 从而增大建筑的压头和排风量。太阳能烟囱作为一项新技术 ， 可以应用于海水淡化、改善室内环境、改变局部区域的小气候以及太阳能发电，因此，这项技术已经成为本世纪可再生能源研究的重要方向之一。

二、太阳能烟囱技术的研究成果

Bouchair A 对太阳能烟囱的的研究证明了 ： 太阳能烟囱存在一个能够使空气流量达到最大化的最佳截面长宽比。Afonso C 等科学家用有限差分模型对太阳能烟囱与传统的自然通风烟囱的工作性能进行了比较，比较的结果表明太阳能烟囱的通风性能要明显优于传统的自然通风烟囱。GanG 用 CFD 方法预测了 T r o m b e 墙的通风性能 ， 其研究结果表明表明：通风量随壁温、太阳的热量、通风墙高及墙的间隙的增加而增大。SudapornChungloo 等学者通过实验和数值计算对北向冷却金属天花板和南向太阳能烟囱的应用做了相关研究。Preeda Chantawong 应用实验和数值方法研究了泰国热带气候条件下太阳能通风墙的性能，研究结果表明：通过改善换气次数可以大大降低室内的热量。Fluri T P 等学者以能量收益和转换效率为基础，分析了太阳能烟囱内部能量转换单元的性能。Harris D J 等学者研究了倾斜太阳能烟囱倾角对通风性能的影响，发现最佳倾角度为 67.5 度。Jyotirmay Mathur 等学者研究了把太阳能烟囱应用于自然通风的屋顶 ， 并发现对于不同纬度的最优烟囱倾角在 40 度到 60 度之间。Ramadan Bassiouny等学者通过数值计算和理论分析研究了太阳能烟囱在房间自然通风中的应用 ， 研究与结果表明：在换气次数和烟囱流率的方面 ， 烟囱宽度的影响更大于进口尺寸产生的影响。

三、太阳能烟囱的实用意义

1. 将室外新鲜风送入到室内 ， 可以改善室内空气的质量 ， 防止长期使用空调导致的空调综合症的发生。

2. 可进一步提高室内的设计温度， 发掘节能的潜力。

3. 充分利用完全清洁、取之不尽、用之不竭的太阳能对室内进行自然通风、供暖或制冷， 已经越来越受到人们的重视。

4. 太阳能烟囱技术对绿色生态建筑的发展具有积极的推动作用，因此，利用太阳能烟囱进行自然通风有着其存在和进一步发展的必要性。

四、太阳能烟囱通风性能的研究方法

1. 实验研究

这种研究方法主要是对太阳能烟囱在结构上进行优化设计 ， 利用多次的实验数据来找出达到最大通风量的最佳太阳能烟囱结构。可以说，这种实验研究主要是以真实的实验数据进行说话，与理论研究相比，他更具有直观性和说服力。例如：Hirunlabh 等学者研究了用于建筑自然通风的太阳能金属墙的性能 ， 研究结果表明 ， 当空气通道宽度为 14.5cm，表面积为 2 时，空气流量为 0 . 0 1-0 . 0 2 k g / s。Burek 等学者用电加热器模拟太阳辐射照度 （ 在 范围内变化 ），研究了太阳辐射照度和烟囱宽度对通过烟囱的通风量的影响。

2. 数值模拟

数值模拟研究主要集中于二维稳态模型上 ， 根据太阳能在不同入口处的尺寸、出口处的尺寸、以及空气通道的宽度、太阳辐射强度下产生的不同自然通风量，分析这些因素对烟囱速度场和温度场的影响。例如：Barozzi 等学者采用二维动态 CFD 法模拟计算了 1 ：12 小尺度大楼模型内的空气运动。Awbi 等学者利用三维标准 K-ε 湍流 CFD 程序模拟了Trombe 墙体中空气的流动与传热。目前，数值模拟的实际应用研究还不多见。

3. 解析分析

解析分析是指从自然通风的基本原理出发 ， 综合考虑风压和热压共同作用下的太阳能烟囱的通风特性，应用物理和数学的计算方法来推导通风量与各个参数之间的关系 ， 从而得到太阳能烟囱强化自然通风的理论描述公式。这种方法主要注重于理论，例如：对于壁温均匀的太阳能烟囱 ，Awbi 等学者假定同一竖直高度上气流的温度呈现均匀分布 ， 并考虑传热系数对受热表面的的影响， 计算并绘制出沿烟囱通道方向的空气温度分布图。Bansal 等学者还用解析分析的方法建立了将传统烟囱与太阳能空气加热器相结合的太阳能烟囱系统的稳态数学模型。

四、结语

太阳能烟囱在通风方面的应用还处于起步探索阶段，各研究者大都在不同领域用不同方法对太阳能烟囱进行研究，这种情况导致了太阳能烟囱技术理论还比较分散，没能形成一套完整的、系统的基础理论。因此，在今后的太阳能烟囱的技术研究中，各学者应当进一步的互相沟通，互相配合，争取把太阳能烟囱的通风性能设计到最合理，最完善。

参考文献：

[1] 杨启容，杜威，张金翠. 建筑一体化太阳能烟囱的通风性能研究[J].太阳能学报，2010，（07）

[2] 许淑惠，董海广，马恬蕾. 太阳能烟囱辅助教室混合通风的温度分布特征研究 [J]. 建筑科学，2010，（10）

[3] 左潞，郑源，周建华. 太阳能强化烟囱技术在强化室内自然通风中的研究进展 [J]. 暖通空调，2008，（10）

[4] 孙猛. 太阳能烟囱强化自然通风的数值模拟[J]. 建筑科学，2006，（6A）