太阳能烟囱结构对通风效果影响的数值研究

作者:薛宇峰;苏亚欣 刊名:暖通空调 上传者:徐明

【摘要】采用Realizable K-ε湍流模型和DO辐射模型对太阳能烟囱内部的流场和温度场进行了数值模拟,计算结果与文献中实验值吻合得较好。对太阳能烟囱高度和宽度等结构因素对通风效果的影响进行了模拟分析,结果表明,诱导风量随烟囱高度增大而增大,随宽度增大先增大后减小;Gr可作为设计太阳能烟囱高度时的参考;渐缩型通道能有效防止通道内回流的产生。

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0引言自然通风因不使用机械驱动而大大降低了常规能源的消耗,它利用空气温差引起的热压或风力造成的风压来促使空气流动,近年来对自然通风的研究一直是国际上的热点,自然通风已被应用于各类不同形式的建筑中,取得了节能和较好的通风效果[1-2]。然而由于自然通风驱动力(即热压或风压)对于机械驱动来说相对微弱,因而在一定情况下自然通风的应用领域受到了限制,其使用效果也存在许多不足。太阳能烟囱(solarchimney)是一种利用太阳能强化自然通风的有效手段,它利用太阳辐射来提高烟囱通道内热压,促使诱导气流流动。研究表明,太阳能烟囱能有效提高通风效率,并改善室内空气质量。Preeda等人对由两块透明材料组成的太阳能烟囱进行实验研究,该太阳能烟囱安装在一个体积为2.8m3的房间模型上,通过对比测试认为安装太阳能烟囱后该房间比普通单层玻璃房间有更好的通风效果[3];Sompop等人分别搭建了两种不同安装形式的太阳能烟囱建筑模型与一个普通建筑模型来模拟太阳能烟囱在多层建筑中的通风效果,研究结果表明有太阳能烟囱的多层建筑内部温度低于普通建筑[4];Kumar等人通过对比分析室内生物气溶胶(微生物)、可吸入颗粒物、气态污染物及液态污染物4个方面的指标来说明太阳能烟囱技术对绿色建筑室内空气质量的提高有所帮助[5]。在对太阳能烟囱提高通风换气率的研究过程中,研究者发现太阳能烟囱的结构对它的通风效果一次修回:2010-06-20二次修回:2011-09-03201620东华大学环境科学与工程学院(0)13166174779E-mail:suyx@dhu.edu.cn有很大的影响。Khedari等人测量了多种形式安装于屋顶用于通风的太阳能集热器,得出有最佳通风率的太阳能烟囱尺寸为高1m、倾斜角30、通道宽度0.14m[6];Chen等人对一个高1.5m、宽0.62m、通道内长度0.10.6m的太阳能烟囱模型作了实验测量,得出倾斜角45、通道内长度0.2m的太阳能烟囱具有最佳通风效果,其通风率比同尺寸情况下的竖直太阳能烟囱高45%左右[7]。由于太阳能烟囱通道内气流状况的复杂性对归纳具有普适性太阳能烟囱最佳通风尺寸的研究造成困难,因此研究太阳能烟囱结构对通风效果的影响已成为推广使用太阳能烟囱急需解决的关键问题。相对于实验研究,应用CFD方法可以得出更为详细的流场分布以便于分析问题,国内外许多研究人员使用了这种方法并得到了很多有价值的研究成果。Moshfegh等人对太阳能光伏电面板后通道内的空气流动(原理与太阳能烟囱相同)分别作了实验和数值模拟,采用一个二维的、包含壁面函数法的标准K-湍流模型,同时考虑了辐射影响,得出了通道内温度及速度分布,数值模拟结果与实验结果非常吻合[8];王丽萍采用FLUENT软件分别对Trombe墙体式、竖直集热板屋顶式和倾斜集热板屋顶式3种不同类型的太阳能烟囱进行模拟,得出高度、太阳辐射强度对太阳能烟囱通风效果的影响及在各种类型太阳能烟囱下的最佳烟囱宽高比[9]。笔者利用CFD技术,对太阳能烟囱加强自然通风的运作过程进行了数值模拟研究,并与文献[10]中实验值进行对比,验证了所建立模型的有效性。在此基础上对实验模型无法测量的情况进行了深入研究,在得出详细温度、速度场分布的同时提出对结构尺寸设计有参考价值的特征数Gr,并对太阳能烟囱结构进一步改造,使通道内流场得以优化。1模型1.1物理模型用于加强自然通风的太阳能烟囱可安装于建筑物朝阳面的墙壁或屋顶上,一般有倾斜式与竖直式两种形式,主要由吸热壁面、透明材料(可采用高透射率的玻璃)及围护结构组成,其内部通道通常

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