太阳能烟囱强化自然通风的研究现状

 自然通风是一种节能的被动式通风冷却技术,其原理是在由温差引起的热压或风压的作用下驱动室内空间的空气自然流动,与机械通风相比,自然通风具有显著的节能优点。太阳能烟囱利用太阳辐射加热烟囱通道内的空气,提高温差,从而强化自然通风。本研究介绍了太阳能集热墙体(Trombe)式和倾斜集热板屋顶式两种典型太阳能烟囱的结构及其强化自然通风的基本原理。详细讨论了影响太阳能烟囱通风性能的主要因素,并介绍国内外学者对太阳能烟囱的主要研究方法和相关研究成果。太阳能烟囱的高度和深度(玻璃盖板与集热墙的间距)影响烟囱内空气的温升以及空气的自然对流的流动特点,从而影响了太阳能烟囱的自然通风流量。空气流量随着烟囱深度的增加而增加,但烟囱深度超过一定值后空气流量不增反减。当烟囱的深高比超过2.5后,烟囱出口端会出现逆流,从而抑制了通风量的增加。集热墙的结构以及倾斜角度对太阳能烟囱自然通风效果的影响与地理位置和气候条件等因素有关。研究太阳能烟囱自然通风的理论方法包括基于能量平衡分析的模型和基于计算流体力学的数值模拟。分析了太阳能烟囱自然通风研究中需要改进的问题。     

多通道太阳能烟囱的通风性能

提出在竖直式太阳能烟囱中内置半圆柱形吸热墙的多通道太阳烟囱结构形式,并通过数值模拟对其通风特性进行研究.分析竖直式太阳能烟囱优化结构在不同的通道宽度W、墙体高度H、半圆柱吸热墙半径R下通风量的变化,并对优化与传统的结构形式的通风量进行对比.结果表明:在内置吸热墙半径为60、75、100、150mm,热流密度为100~1 000 W/m~2的范围内,设置半圆柱形吸热墙的多通道太阳能烟囱通风量比传统的结构增长了16%~32%.     

相变蓄热材料导热系数对太阳能通风墙性能的影响

通过对相变蓄热型太阳能烟囱模型通风蓄放热变化过程的计算,分析比较不同相变蓄热墙导热系数对太阳能烟囱性能的影响.计算结果表明:吸热板最大表面温度随着相变蓄热墙导热系数的增大越接近相变蓄热墙的相变温度;蓄热阶段,入口平均风速随着相变蓄热墙导热系数的增大而减小;放热阶段,入口平均风速随着相变蓄热墙导热系数的增大反而越大;相变蓄热墙导热系数越大,蓄热型太阳能烟囱系统16 h的累计通风量越高,但在导热系数增大到0.66 W·(m·K)^-1后,再增大材料导热系数,累计通风量几乎不再增加.     

公路隧道竖井一集热棚一烟囱三段式自然通风节能模型及应用

为了降低公路隧道通风费用,实现隧道运营节能,自然风的利用是隧道通风发展的方向。但是由于自然风向随机,并且不能准确确定风量大小,隧道自然风的有效利用率低。为了加强公路隧道竖井自然通风的效果,控制竖井口自然风风向,实现隧道通风节能,设计了一种竖井-集热棚-烟囱的三段式自然风增强模型。利用数值模拟的方法,分析太阳能烟囱不同温度下,太阳能烟囱内部不同位置的温度、压力和风速分布情况,从而确定自然风向。结果表明：在太阳能烟囱的不同温度下,设计的三段式太阳能烟囱的通风量与集热棚-烟囱的温度差呈线性相关,并且环境温度越高,线性相关性越强。在环境温度低于15℃时,太阳能烟囱的风向保持向上,起到抽吸的作用。根据该模型的设计思想,陕西省雷家坡一号隧道建成了太阳能烟囱自然风通风系统,观测数据表明该通风系统可以补充隧道机械动力通风,为黄土高原及类似地形地区公路隧道的自然风利用提供借鉴意义。     

内置格栅诱导通道的太阳能通风墙性能

提出一种利用太阳能和风能实现室内自然通风的新型内置格栅诱导通道的太阳能通风墙模型,通过三维数值模拟研究在不同室外风速和太阳辐射强度下结构参数对其通风性能的影响.结果表明,内置格栅诱导通道可以有效利用室外风形成对太阳能通风墙主通道内气流的诱导作用而强化自然通风;该太阳能通风墙通风量随格栅间距与格栅高度比值的增加先增大后减小,存在最佳比值使通风量最大;随着风诱导通道宽度与主通道宽度比值的增加,不同室外风速下的通风量均呈先增大后减小的变化趋势.     

外置式太阳能热电烟囱通风及其对室内热环境的影响

太阳能烟囱(solar chimney, SC)是热压驱动室内自然通风的重要手段之一,提高其太阳能利用率和通风性能具有重要意义。结合离散热源强化烟囱通风理念,提出了一种外置式太阳能热电烟囱并探讨了烟囱通风特性及其对室内环境影响。首先基于流动传热与热电能量转换理论,建立了太阳能热电烟囱二维非稳态模型。其次分析了不同热电发电机(thermoelectric generator, TEG)位置,如烟囱出口处(TEG-outlet),烟囱中部处(TEG-mid),烟囱入口处(TEG-inlet),烟囱通风性能与室内环境流动分布规律,并进一步讨论了热电发电性能。最后比较了外置式离散热电烟囱(solar chimney integrated with TEG,TEG-SC)与传统烟囱的各项通风、发电性能的差异,阐明TEG-SC的优势。结果表明：随着光照强度增大,热电放置在入口处相对于放置在出口处和中部处下的出口速度和每小时换气率量(air changes per hour, ACH)最大,此时,每个位置TEG的发电功率差别不大,但是随着光照强度的增大,热电放置出口处的发电功率会逐渐增大。与此同时,...     

太阳能烟囱在地下空间中的通风特性及优化

建立无量纲模型对不同Ra下太阳能烟囱内部气体流动特性及出口质量流率规律进行数值分析,提出结构优化方案以增大烟囱出口质量流率。研究结果表明,随着Ra的增加,烟囱内气体由完全出流逐渐转变为出口反向流特征,出现反向流时Ra近似为106;分析烟囱出口质量流率得到,出口处无量纲质量流率随Ra的增大而增大,但反向流的出现会减小其增长率。出口反向流现象是影响太阳能烟囱强化通风效果的重要因素之一,由此提出倾斜式优化通风结构。     

外遮阳和SC-EAHE自然通风系统对室内热环境改善效果实验研究

在“双碳”目标背景下,建筑被动节能措施逐渐成为国内外学者关注的热点之一。基于太阳能烟囱与地埋管耦合系统(SC-EAHE)对有无外遮阳措施的自然通风与降温效果进行对比测试分析。实验结果表明,SC-EAHE系统单独作用时,通风量最高为206.7 m³/h,实验房间温度维持在25.9～27.7℃,与对比房间最大温差达1.6℃;与遮阳措施共同作用时,外遮阳有效降低了窗户的得热量,玻璃内表面温度下降明显,最高可达7.7℃,通风量最高达217 m³/h,实验房间与对比房间室内温度最大差值达2.8℃。由此可见,外百叶遮阳的应用不仅可以阻挡太阳辐射进入室内,还可有效降低玻璃窗本身温度,减少室内外温差传热,从而降低建筑冷负荷,对室内热环境的改善效果更为显著。     

基于遗传算法的太阳能烟囱发电站结构优化

为了研究太阳能烟囱发电站的几何参数与其输出功率之间的关系,本文提出了一个考虑系统不可逆损失的太阳能烟囱发电站理论分析模型。首先用西班牙Manzanares太阳能烟囱试验电站的实验数据验证所建立的理论模型的可靠性,结果表明该理论模型能较好地预测系统输出功率,不考虑系统不可逆损失时系统输出功率会高约24%。然后利用该理论模型对集热棚半径、烟囱高度和烟囱半径进行参数敏感性分析,结果表明:集热棚半径增大到一个"拐点"后建筑成本依然近似线性增长但系统各项性能变化不明显;增加烟囱高度要比增加集热棚半径更有助于系统输出功率和热效率的提高;烟囱半径增大到一定程度后系统输出功率趋于稳定,上升气流速度不断减小但系统质量流量显著增大。最后基于遗传算法利用提出的理论模型和建筑成本模型开发了太阳能烟囱发电站的多目标结构优化程序。对西班牙Manzanares太阳能烟囱试验电站进行结构优化,优化后总建筑成本是原型的2.47倍,但是输出功率可达到原型的3.91倍。该研究内容可为太阳能烟囱发电站的设计提供理论指导。     

太阳能烟囱强化自然通风在建筑节能中的应用研究

该文通过数值模拟主要研究了太阳能烟囱高度、深度之间的优化关系，以及空气质量流量与太阳能烟囱几何尺寸之间的关系。得到了NuL取得最大值时，在105≤ RaL ≤1012范围内，（b/L）opt的关联式。RaL值越高，NuL取得最大值时，（b/L）opt越小。得到了无量纲质量流量M取得最大值时（b/L）opt的值，在RaL相同时，它大于NuL取得最大值时的（b/L）opt值，且同时优化太阳能烟囱内空气的传热和流动性能是不可行的。     

变工况空间太阳电池翼在轨热变形分析

以空间飞行器太阳电池翼在轨运行期间热变形和热应力变化规律为对象,采用有限元软件I-DEAS建立电池翼热变形分析模型,针对电池翼满负荷和半负荷（变工况）工作状态进行在轨热 结构耦合分析.计算中采用三明治夹心板理论将电池翼基板进行合理简化,得出电池翼等效力学参数.数值结果对比分析发现,电池翼厚度方向瞬态温差是导致电池翼发生热变形的主要原因,太阳电池翼在从阳光区转入阴影区时,电池翼温度变化最剧烈,厚度方向温差达到最大值,此时基板热变形量最大,半负荷（变工况）基板变形最大值明显大于满负荷基板变形最大值.
     

不同工况下空间太阳电池翼的在轨热分析

以空间飞行器太阳电池翼在轨运行期间的温度变化规律为对象,采用有限元软件I DEAS TMG建立电池翼的热性能分析模型,针对电池翼满负荷（100%发电）和半负荷（50%发电）2种工况进行在轨热流和温度场计算.计算中,将电池翼基板处理为正交各向异性材料,采用等效热阻法推导基板在不同方向的等效导热系数.结果表明,当飞行器在轨绕地球飞行第5个周期后,太阳电池翼温度场呈现出周期性变化特征;与满负荷工况相比,半负荷工况下电池翼表面温度的变化范围较大;电池翼从阳光区进入阴影区时,其厚度方向的瞬态温差及其随时间的变化率达到最大值,且在半负荷工况下,电池翼沿厚度方向的最大瞬态温差及其随时间的变化率均大于满负荷工况.     

重庆地区太阳能建筑一体化应用的实测与分析

根据重庆地区的气候特征和太阳能资源分布特点,提出了适于重庆地区的太阳能建筑一体化应用技术思路——太阳能辅助室内通风降温措施,即充分利用重庆地区夏季强烈的太阳辐射,强化烟囱效应,促进建筑内部自然通风,从而改善夏季室内酷暑闷热的热湿环境,达到节能目的,实现太阳能的被动式利用。通过实测分析,在太阳能的热作用下,室内产生了0.16～0.22m/s的风速,同比提高14%～40%,同时室内平均温度比室外的平均温度降低2.6～3.4℃,有效改善了室内热环境舒适状态。     

Study of space heating by dual-function solar collectors

A novel solar collector named dual-function solar collector （DFSC） has been proven feasible for sup-plying warm air for space heating in winter and hot water during none-heating season by theoretical and experimen-tal studies. While integrated with building, the DFSC becomes component of the envelope. Because complexly coupling of several heat transfer modes and subjecting to random weather condition, the thermal influence of DFSC on a building remains obscure. In order to investigate the effect of DFSC for passive and active heating, a demon- strating office building integrated with DFSC panels on the southern wall and roof has been built in Hefei, in the east region of China. A simulation project of the whole building system in winter was built by the software TRNSYS with the new component developed for DFSC and compiled into the TRNSYS library based on the validated theoretical method and experimental results from previous studies. The simulation results show that the energy supplied by the DFSC can meet the heating requirement at most of the time of a sunny day, except early morning. More than 30 % solar fraction can be provided during the whole heating season in Hefei, the value further increases to 59 % in a region of high solar irradiance, such as Lhasa. While active DFSC panels are operated to provide fresh warm air through ventilation system, the flow rate shows strong influence on the solar fraction of heating load. With appropriate operation scheme of the active DFSC, more energy savings and thermal comfort can be achieved.     

太阳能热气流技术研究进展

太阳能热气流技术是近几十年来发展迅速的太阳能热利用技术,它拥有环境友好、技术成本低、应用领域广、适合大规模发电利用等特点。这些年国内外学者对太阳能热气流技术的发展和太阳能烟囱的应用做出了大量杰出的研究工作。总结了近期尤其是近一两年太阳能热气流技术在发电以及暖通领域的最新成果,为我国太能热气流技术的进一步发展提供依据。     

太阳能热气流发电系统流道优化研究

基于相对压力概念,构建了太阳能热气流发电系统新数学模型,并对西班牙太阳能热气流电站模型进行数值模拟,分析了其流场和温度场,并据此对原始模型进行优化.计算结果表明:通过对发电系统集热棚出口和烟囱进口的局部流道进行优化,使烟囱进口处局部流速增大约14%,温度场更加均匀,相对压力减小约50%,提高了系统做功能力和能量转换效率,同时减上蒂统能量损失.数值模拟结果为太阳能热气流发电系统的设计和应用提供理论依据.