多房间建筑中壁挂式太阳能烟囱的通风性能评估

《Energy》：Ventilation evaluation of wall-mounted solar chimney for multi-room building

多房间建筑中太阳能烟囱的通风性能研究通过数值模拟和理论模型分析，揭示了内部通风口配置、强制与非强制通风口高度差及平行布局对换气率（ACH）的影响规律，提出最小通风口高度0.2米可满足6 ACH需求，平行布置使效率提升10.2–13.7%。研究发现入口高度和烟囱宽度在0.2–0.3米时通风效率最优，过量抬升入口会削弱热浮力效应。模型验证显示能有效预测多房间建筑中复杂气流耦合的通风性能。

　　

赵子涛|赵小青|吴启宏|王清源|史龙

中国四川省成都市成都大学建筑与土木工程学院，610106

摘要

以往关于太阳能烟囱的研究主要集中在单房间或简化后的多房间建筑上，其对于具有复杂气流耦合路径的多房间建筑的适用性仍不清楚。本研究探讨了太阳能烟囱在多房间建筑中的性能。通过数值模拟分析了强制通风口和非强制通风口大小的影响，揭示了关键设计参数的作用，并建立了一个理论模型来预测其性能。结果表明，内部通风口配置在通风性能中起主导作用。在连接四个房间的走廊中，要达到6 ACH的通风量，最低通风口高度需要为0.2米；将强制通风口设置得比非强制通风口高约0.1米可以提高通风性能并提升设计效率。将强制通风口和非强制通风口平行布置可以缩短气流路径，使气流效率提高10.2–13.7%。与单房间系统不同，多房间建筑中的通风率与入口高度和腔体宽度呈抛物线关系，最佳值在0.2–0.3米之间，这是由于浮力驱动的气流与延长气流路径中的阻力增加之间的平衡所致。过高的入口位置会减弱热浮力，从而降低烟囱的性能。增大窗户尺寸可使通风效率提高最多11%，但进一步增大窗户尺寸的效果会减弱。所提出的理论模型对多房间结构中的气流性能具有良好的预测能力。本研究解决了多房间太阳能烟囱的理论认识不足的问题，为其优化设计和应用提供了基础。

引言

随着对传统能源耗尽的担忧日益增加，可持续能源解决方案的探索受到了广泛关注。建筑行业占全球能源需求的约36%，其中供暖、通风和空调（HVAC）系统占能源消耗的40–60% [1]，[2]，[3]。基于热浮力的可再生能源系统因其低成本、易于实施以及能够显著降低建筑能耗而受到关注 [4]。在各种可再生能源系统中，太阳能烟囱表现出良好的节能性能 [5]。因此，太阳能烟囱已被广泛应用于各种类型的建筑中，包括住宅建筑 [6]，[7]、办公楼 [8] 和工业设施 [9]。

太阳能烟囱可以有效增强自然通风并降低建筑能耗 [10]，[11]。设计合理的太阳能烟囱在有利条件下可实现高达27.11 h^-1的换气率和88.9%的最大效率 [12]。墨西哥梅里达的一项实验研究表明，将屋顶太阳能烟囱集成到测试房间中，夏季通风率提高了8%–45%，冬季提高了1.16%–24.89%，热效率在夏季为11.7%–33.3%，在冬季高达36.5%，显示出其在温暖气候下的良好性能 [13]。洪等人 [14] 将太阳能烟囱集成到总面积为220平方米的两层独立住宅中，每年减少了77.8%的通风能耗和变制冷剂流量（VRF）系统的能耗2.3%。此外，在中国上海，太阳能烟囱夏季可节省约14.5%的能源 [15]；而在日本亚热带气候条件下，冬季可减少约50%的风扇使用量和约20%的供暖负荷 [8]。

太阳能烟囱的性能受多种因素影响，包括安装条件、结构配置、环境因素和材料使用 [16]，[17]。为了进一步提高通风性能，提出了各种设计策略，如几何优化 [18] 和引入相变材料 [19]。崔等人 [20] 通过数值模拟表明，瑞利数（Rayleigh number）、入口长宽比（h/H）和倾斜段长度（L/H）对性能有显著影响，最佳值为 h/H = 0.15 和 L/H = 0.70。伊姆兰等人 [21] 发现间隙大小和倾斜角度对通风有显著影响，60°为最佳角度；在750 W/m²的太阳辐射下，高度为2米的烟囱配合0.05米的空气间隙可实现30 ACH的通风量。图卡等人 [22] 报告称，在两层建筑的太阳能烟囱中加入Al-dura石蜡可以增强通风效果，提高空气交换率，降低室内温度，并在日落后持续五个小时保持气流。外部风可以进一步提高性能，将烟囱设置在迎风侧可以显著增加气流 [23]，[24]。

尽管太阳能烟囱已被广泛研究，但大多数研究集中在单房间建筑上，而对多房间建筑的研究仍然有限。现有的多房间应用研究主要集中在屋顶太阳能烟囱上。例如，阿卜杜拉 [25] 将屋顶太阳能烟囱与被动风塔结合在套房型建筑中，使室内温度降低了约8°C，同时保持CO₂浓度在450 ppm左右。史等人 [26] 报告称，在典型气候条件下，安装在养老院的屋顶太阳能烟囱的通风率为6.4至14.8 ACH，符合世界卫生组织（WHO）推荐的室内空气质量标准。然而，屋顶太阳能烟囱通常安装在建筑屋顶上，主要适用于单层建筑。对于通过走廊连接的多房间建筑（如医院、教学楼和办公楼），这种通风方法难以有效应用。

此外，关于太阳能烟囱在多房间建筑中适用性的系统研究仍然有限。张等人 [27] 研究了墙壁安装的太阳能烟囱在两房间建筑中的气流特性，发现当腔体宽度和入口高度均为0.2米时，气流速度最佳。增加烟囱高度、调整入口位置和扩大窗户面积也能提高通风率，而房间布局的影响相对较小。然而，在多房间建筑中，门通常作为循环通道而不是通风口，这使得这些发现难以应用于更复杂的建筑结构。此外，随着房间数量的增加，同时满足多个空间的通风需求变得更加具有挑战性 [28]，[29]。因此，太阳能烟囱在多房间建筑中的适用性及其满足所有房间通风需求的能力仍不清楚，需要进一步研究。

多房间太阳能烟囱的理论模型尚未建立，这阻碍了其设计优化。现有研究大多基于单房间建筑，通常假设气流分布均匀且压力损失可以忽略不计 [23]，[30]，[31]，这无法准确捕捉多房间建筑中复杂的气流耦合和分布特性。虽然张等人 [27] 研究了多房间建筑中太阳能烟囱的性能，但他们没有建立有效的理论模型来预测这种性能。虽然史等人 [26] 为养老院的屋顶太阳能烟囱提出了一个模型，但它仅考虑了顶部的单个开口，不适用于具有多个相互作用的通风口的多房间建筑。在多房间条件下，更长的气流路径和更复杂的流动结构会加剧气流衰减，增加压力损失，从而降低通风效率并导致房间间的气流分布不均 [27]。因此，需要一个能够捕捉多房间建筑中房间间气流耦合和压力相互作用的通用物理模型。

在多房间建筑中探索太阳能烟囱也面临一些挑战。在本研究中，多房间建筑被定义为由多个房间（三个或更多房间）通过内部通风口相连的建筑。随着房间数量的增加，室内气流路径变得更加复杂，这容易引起涡流和房间间的气流分布不均 [27]。这不仅会影响通风的均匀性，还可能降低局部空气交换效率。不同的房间连接配置会改变气流组织，从而影响太阳能烟囱的性能 [26]。此外，房间数量过多可能导致某些局部空间的气流停滞，形成低通风区域，进一步降低烟囱的整体性能 [10]，[32]。

因此，本研究分析了多房间建筑中壁挂式太阳能烟囱的通风性能，并根据主要影响因素研究了性能变化模式。提出了一个理论模型来估算太阳能烟囱的通风效率。研究结果为在多房间配置中实施太阳能烟囱提供了理论和实践指导。

本研究的主要目标如下：

•

评估多房间结构中壁挂式太阳能烟囱的性能；

•

研究主要参数对多房间太阳能烟囱自然通风的影响；

•

建立理论模型以预测多房间太阳能烟囱的通风率。

部分摘录

控制方程

太阳能辐射加热多房间太阳能烟囱腔体内的空气，产生浮力驱动的压力差，从而实现自然通风 [33]。这种辐射引起的气流通过Fire Dynamics Simulator（FDS）进行数值分析，该软件采用大涡模拟（LES）方法求解控制质量、动量和能量的Navier–Stokes方程 [34]，[35]，[36]，其可靠性已在许多先前的研究中得到验证 [23]

窗户位置

太阳能烟囱利用热浮力驱动自然通风，在非强制通风房间和强制通风房间之间建立连续的气流路径，从而实现多房间建筑的自然通风。在浮力引起的压力差作用下，室外空气通过非强制通风房间的窗户进入，并通过强制通风房间的烟囱排出（见图3）。房间通过窗户、内部通风口和烟囱相互连接，形成一个跨房间的气流网络。

理论方程

如先前研究所示，非强制通风口和强制通风口都是非强制通风房间和强制通风房间之间的关键气流通道，它们的垂直高度显著影响太阳能烟囱的通风性能。值得注意的是，对称布置在两侧的强制通风房间和非强制通风房间显示出相似的气流模式（如图4(b)所示）。因此，假设这两种对称配置是独立的。如图11所示，气流依次

实施与应用

我们的研究表明，太阳能烟囱在多房间建筑中可以实现有效的自然通风。较高的内部通风口高度是确保太阳能烟囱通风性能的关键因素。0.2米的内部通风口高度可以满足典型五房间配置的最低通风要求。由于强制通风口直接连接到太阳能烟囱房间，它对浮力驱动效应更为敏感。因此，设置

结论

本研究分析了多房间建筑中太阳能烟囱的通风性能，研究了主要参数对通风效率的影响模式，并开发了一个适用于多房间建筑的理论模型来预测太阳能烟囱的体积气流率。主要结论如下：

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内部通风口的配置决定了气流组织，在通风性能中起主导作用。最低通风口高度为0.2米

CRediT作者贡献声明

吴启宏：撰写 – 审稿与编辑，监督。史龙：撰写 – 审稿与编辑，项目管理，方法论，资金获取，概念化。王清源：撰写 – 审稿与编辑，监督。赵小青：撰写 – 审稿与编辑，形式分析。赵子涛：撰写 – 初始草稿，软件，形式分析

利益冲突声明

? 作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本工作得到了国家消防救援局重点研发计划（编号：2024XFZD09）和国家自然科学基金（编号：52274235）的支持。