被动式热压自然通风.doc

建筑环境学期末论文
被动式热压自然通风研究综述
建环零 林冠婧 000110建环零 林冠婧 000110 2002.6

摘要：近年来，能耗问题成为社会关注的焦点。总能耗中建筑能耗占了三分之一左右，而建筑能耗的相当一大部分用于室温调节。太阳能是一种清洁方便的新型能源。利用太阳能的被动式热压自然通风应时而生。本文综合介绍并分析了被动式热压自然通风的三种主要方式及其相应研究成果。
关键字：自然通风 换气量 被动式热压自然通风
一．引言
自然通风是一种最常见的通风换气方式，主要由风压或热压引起。与机械通风相比，自然通风的最大好处在于它不消耗动力，获得适当的通风换气量。此外，自然通风对提高室内空气质量、改善人体热舒适性也有明显的好处。当室内气温高于室外的气温时，自然通风还能使建筑构件降温。
以上三种功能的相对重要性取决于不同季节与地区的主导气候条件。其中通风效果的好坏可以用单位时间内的气体流量来表示。
在炎热干旱地区，夏季室外气温高达四十多度，太阳辐射是建筑的主要得热。这么大的热负荷若全采用机械通风，能耗巨大且不经济。另外，随着太阳能采暖的普及，被动式太阳能住宅（passive solar house）夏季过热成了太阳能利用中的一个新问题。如何解决以上问题，更好地利用太阳能？？如果采用穿堂风，则有时换气量较大，会带入不必要的热量。解决这些问题的一个行之有效的办法是利用被动式热压自然通风，主要方式包括太阳烟囱（solar chimney）、太阳能屋顶集热器（roof solar collector）、特隆布墙（tromble wall）。
被动式热压自然通风的主要原理是热压通风。所谓热压通风，就是利用建筑内部由于空气密度不同，热空气趋向于上升，而冷空气则趋向于下降的特点，促进自然通风。热压作用与进风和出风的风口高度差，以及室内外空气温度差存在着密切的关系：高度差愈大，温度差愈大，则热压通风的效果愈明显。
被动式热压自然通风主要应用双层夹壁，玻璃外壁用于透过太阳照射，内壁是蓄热墙，通常含有绝热材料，内外壁之间有一定间隔，分别有开口与外界或室内相通。内壁吸收太阳能，可以达到相当高的温度。从而使内外壁出现较大温差，导致气体的密度差，在夹壁内形成自然对流，浮力作用使气流上升，与外界形成循环，促进室内的自然通风（烟囱效应）。这种室内外的气体循环不仅带进新风，增加换气量，还带走了室内多余的热量和湿气。同时，内壁含有绝热材料，可以减少外界对室内的传热量，这就有效降低了室内热负荷，改善人体热舒适性。
被动式热压自然通风的另一显著优点表现在它的自调节性。室外气温越高，太阳集热系统吸收的太阳辐射也越大，其中空气温度也越高，从而产生更大的通风换气量。因为热压作用与进风和出风的风口高度差，以及室内外空气温度差存在着密切的关系：高度差愈大，温度差愈大，则热压通风的效果愈明显。如果室内温度小于室外温度，则通风状况为由上向下通风（沉降），如果室内温度高于室外温度，则通风状况为由下向上通风（拔风）。所以随外界条件的改变，被动式太阳能冷却会自动调节进风量与出风量。此外，这种冷却方式均是在建筑物结构上加以简单改进，能与建筑设计较好地融合，体现了生态建筑优化设计的思想。
被动式热压自然通风到底具有多大应用潜力，太阳烟囱、太阳能屋顶集热器、特隆布墙的通风能力孰强孰弱，如何运用其达到最好效果，许多学者作了大量的实验与研究。研究方法通常采用实验与数值模拟相结合。实验中通风效果的好坏用单位时间内的气体流量来表示。将实验结果与数值模拟相对比，发现误差很小，因此可用数值模拟对被动式热压自然通风的效果进行预测和分析。本文对几种主要被动式热压自然通风方式作了简单介绍，并对它们的部分研究成果作了总结与分析。
二．太阳烟囱
Ø 传统烟囱与直式太阳烟囱的比较[1]
1999年，Clito Afonso 和Armando Oliveira 研究了传统烟囱和直式太阳烟囱换气量的区别，绝热材料、蓄热墙厚度对气体流量的影响。实验中，太阳烟囱的南面用玻璃取代了传统的墙。实验在冬季进行，采用示踪气体法测量气体流量。
1．传热模型
根据气流的连续性和能量守恒，忽略空气泄漏，有

烟囱示意图

V－气体体积流量 Dh－出口烟囱的水力半径 SOC－出口面积 Sic－进口面积
ß－热膨胀系数 △T=Tout－Text K－局部损失系数 f－沿程损失系数
由上方程，即可求得相应条件下的气体体积流量。
2．结论
1）如下表，在Portugal的冬季太阳烟囱可使室内通风量增加10％－20％，日照强时，通风量的增幅加大。
Month
Daily global radiation
horizontal surface（w/m2）
Reference average
flow rate (l/s)
Conventional average
flow rate(l/s)
Solar assistance
efficiencies(%)
January
2943
137
124.3
10.2
March
5671
105.7
86.4
22.4
2）在内壁上加绝热材料比不加Solar assistance efficiencies提高约60％。5mm的绝热材料已接近理想绝热。
Month
Average flow rate（l/s）
Solar assistance efficiencies(%)
Thickness
0cm
5cm
Ideal
0cm
5cm
Ideal
January
128.8
135.5
137.0
3.7
9.0
10.2
March
93.8
103.7
105.7
8.6
20.1
22.4
3) 蓄热墙厚度的增加对Solar assistance efficiencies的提高影响不大。但增加蓄热墙的厚度能增大日间蓄热量，从而降低日间气体流量，增加夜间气体流量。但若厚度达10cm以上再增大厚度意义不大。

Ø 斜式太阳烟囱[2]
1998年，Mohsen.M.Aboulnaga研究了倾斜式太阳烟囱的倾角、间距对换气量的影响。实验在夏季进行，室内温度23℃，室外温度27℃。倾角β25－40°，间隔0.10－0.25m。斜式太阳烟囱结构如下（见下页）：
1．理论分析
（根号）
Z—hfwn/mcp Q－体积流量 K—coeffient of discharge —平均太阳辐射
U－heat coeffient h－烟囱高度 A- 面积 w—宽度 L—长度 n—楼层数
a— 吸收率 —transimittance
下标含义：R—房间 L—损失 l—进口 s—烟囱 a—外界

h－烟囱高度
2．结论
研究显示，要获得最好的降温效果，太阳烟囱的间距须保持在0.20m，当间距小于0.10m时，降温效果不明显；倾角为35°时气流量最大。安装有太阳烟囱之后，在平均太阳辐射850w/m2下，气体流量最大可达到0.81m3/s,即1.60kg/s。
J 小结
以上两种太阳烟囱均可促进室内自然通风。二者相比，斜式烟囱的换气量更大，因为斜式烟囱太阳照射面积更大，吸收更多热量，自然对流较为强烈。但斜式的建造难度大于直式。总体看来，太阳烟囱产生的换气量仍较小，可通过增加烟囱数目或与其他被动式太阳能热压自然通风构件相结合继续增大换气量。

三．太阳能屋顶集热器(RSC)
Ø 普通太阳能屋顶集热器[3]
1999年，Jongjit Hirunlabh, Sopin Wachirapuwadon, Naris Pratinthong和Joseph Khedari研究了普通太阳能屋顶集热器的倾角、长度对换气量的影响，并对四种不同型式的太阳能屋顶集热器进行了比较。实验工况为夏季。图（1）是实验RSC的样图，它的上层是CPAC monier roof tiles，下层是低导热系数的灰泥板。
图1 图2

1.理论分析
将RSC的传热过程看为一维非稳态传热。由传热的三种基本方式对其进行分析，得到相应方程组。再用有限差分法进行数值求解可得到相应结果。（图2）
2．结论
1）屋顶倾角对气体流量的影响
由左图得：气体流量随日照的增强增大。倾角在60度前，随倾角增大流量显著增加。60度之后，流量随倾角增大而减小。所以RSC的最佳倾角在20－60度之间。

2）长度对RSC的影响
一段较长的RSC产生的气体流量小于长度之和相当的两段较短的RSC。所以，为了获得最大的通风量，可用若干短RSC组成屋顶，每段长度在1－2m之间。
3）根据上两因素的影响，设计了四种类型的屋顶，如下图。

测量结果如下表
Month
Specific air flow rate（m3/s）
Model A
Model B
Model C
Model D
March
0.0416
0.0619
0.0666
0.0713
July
0.0361
0.0537
0.0566
0.0597
November
0.0389
0.0578
0.0633
0.0685
可看出，四种模型中模型D得到的气体流量最大。但其值也较小，无法满足室内人舒适性要求。所以采用RSC可提供自然通风，但单纯采用它无法满足人们需要，要与其他冷却机构如特隆布墙同时使用。

Ø 运用Breathing wall 的太阳能屋顶集热器[4]
1995年，Hoyano et al.发明了一种新型墙体－breathing wall.。 Breathing wall有许多层铝箔嵌在内部木头框架里，铝箔之间是空气夹层，在每层铝箔的一定位置都钻有许多小圆孔。气体可通过这些圆孔流通，带走具有传热量和传湿气的功效。太阳照射时，铝箔被加热，气流经过铝箔被预热，这就减少了通风的热量损失。随外界风压的改变，进气量与出气量同时随之改变达到自平衡。1997年，Seonghwan Yoon 和Akira Hoyano 将breathing wall应用于建造屋顶集热器，研究分析了breathing wall单位开口面积对换气量及铝箔夹层内水气凝结的影响。实验在冬季进行。冬季白天，太阳照射时，铝箔被加热，室外冷气流经过铝箔被预热，减少了通风带进屋内的冷量。同时，采用Breathing wall 作为蓄热体，可将热压与风压作用相结合，增大换气量。
1．实验装置及通风原理

实验装置结构如上，屋顶上部覆盖有缝隙的瓦片，下部为Breathing wall由多孔材料构成。实验建造了两个模型，倾角分别为26.5°（1）和45.0°（2）。Fig 3显示了气体在两种最主要动力（热压和风压）作用下的流动形式。
2．结论
实验结果表明为了提供足够的换气量（如在无风条件下0.5次每小时），两模型Breathing wall 的单位通风面积要求分别为10 cm2/m2和5 cm2/m2。在风速达10m/s，外界温度5℃时，室内温度可达13.2/12.5℃，相当于热流密度128/158w/ m2。当单位通风面积为11.3 cm2/m2，就可保证在风速10m/s下，铝箔夹层内无内部凝结。
冬季？应明确不同季节下的不同运行方式
J 小结
⑴太阳能屋顶集热器产生的气体流量同时受斜面垂直高度和所接受的太阳辐射量制约。倾角越大，斜面垂直高度越高，热压增加；但同时所接受的太阳辐射量减少，热压降低。因此，当倾角从0增大时，气体流量增加，倾角增大到一定值后，气体流量达最高点，继续增大倾角，气体流量反而减少。
⑵，由于热压自身产生动力所限，若RSC的长度过长，所产生的气体流量就会受到一定限制。单个长RSC相当于若干短RSC的串联，多个短RSC组合相当于并联。串联的特点是压头大，流量小；并联的特点是压头小，流量大。因此，采用多个短的RSC组合通风效果要强于单个长的RSC。
⑶单独采用普通太阳能屋顶集热器，换气量很小，远不能满足人们需要。但加上辅助措施(与breathing wall 结合)，换气量有明显改善。原文中仅对白天工况作了研究，对于冬季晚上，笔者认为应在气体夹层中设置隔热层，或封闭屋顶上的所有进气口，以防止室外冷风渗透及屋内热量散失。
只要breathing wall 单位面积的开孔面积达到一定数值，则可很好的完成通风的任务。而所担心的夹层中水气凝结引起细菌繁殖问题也能通过增大开口面积解决。
四．特隆布墙（Tromble walls）
Ø 普通特隆布墙[5]
1997年，Guohui Gan用CFD（computational fluid dynamics）对特隆布墙进行模拟分析，研究了风道宽度，墙体得热，绝热程度，气体开口位置对换气量的影响。实验在夏季进行，室外气温19℃，室内20℃。
1. 特隆布墙简介
特隆布墙既可用于夏季降温，也可用于冬季采暖。当用于冬季采暖时，节气闸（dampers）设置如（a），外界冷气流从底部进入，与屋内气流混合，经蓄热墙加热后，在浮力作用下上升，从风道顶部流入房间。用于夏季降温时，节气闸设置如（b）。在热带地区，由于外界温度过高，这种冷却方式不可行。但在类似英国夏季外界气温不是太高的地区，特隆布墙日夜都可以起到较好的降温作用。同时，可以通过节气闸控制进入房间的气流量。
2． 结论
1）风道宽度的影响
由左图，当风道进口宽度固定在0.1m时，风道宽度对气体流量影响很小，可忽略不记。当进口与风道宽度相等时，Q与L满足下式：
Q＝143.4L0.6582
随风道宽度增加，气体流动的空间加大，流量也随之增加，但应有一上限。

2）墙体得热（wall heat gain）及墙高的影响

由上图易知，气体流量随墙体得热和墙高的增加而显著增长。
3）绝热的影响
玻璃和蓄热墙的绝热程度能够影响壁表面的温度，从而改变气体流量。
措施
采用双层玻璃
绝热蓄热墙
气体流量（l/s）
前
30.6
30.6
后
34.0(相同太阳光)35.9（相同墙壁得热）
36.5
增幅
11％－17％
19％
由上表得，对于夏季，采用双层玻璃也可提高一定气体流量，但效果没有将蓄热墙绝热好。蓄热墙绝热不仅有效增大换气量，还能够阻挡外界多余热量进入室内。
4）气体出口位置的影响
若把特隆布墙的侧面气体出口改到墙体顶部，气体流量能从30.6l/s增大到40.2l/s，增幅高达30％。由此可见，若太阳能仅用于通风，太阳烟囱的效果比特隆布墙好。

Ø 带金属板的特隆布墙[metallic solar wall（MSW）][6]
1998年，J .Hirunlabh. W.Kongduang ，P. Namprakai和 J.Khedari 研究了在热带气候下风道高度与间距对带金属板的特隆布墙换气量的影响及MSW产生的热舒适性。实验建了一座小型太阳住宅。它的南墙是MSW，宽1m，高2m构造如图。实验在过渡夏季（十一月气温20多度，是夏季吗？）进行。

结论：
1）高度与间距的影响
高度增加使MSW的吸收面积变大，间距减小让所需加热的气体量减少，这些都会使MSW的温度升高。高度2m，间距14.5cm时,最大的平均气体流量达到0.015kg/s。
2）MSW产生的热舒适性
由Fig7可看出，室内外温差很小。可见，当室外气温低于人体体表温度（32℃）时，MSW在引进新风，改善室内空气品质的同时，还可以有效带走室内产热，满足人体热舒适性。

由下图可看出，室内外温差很小，it can be seen that room temperature is not very higher than the ambient air when no ventilation is produced. This demonstrates that natural ventilation by MSW can ensure a certain feeling of thermal comfort within a house especially when the outdoor air temperature is lower than body surface temperature 32.(如何由图得此结论？)

J 小结
⑴间距增大，气流截面积变大，使流量增大；但同时要加热的气流量也增大，拔风作用减弱。因此，流量随间距增长有一上限。
⑵气体在太阳烟囱与特隆布墙内的流动方式不同。在太阳烟囱内，气体直接从底部进入，从顶部排出。而对特隆布墙，气体要经过蓄热墙与玻璃的若干个侧面进出口在室内外形成循环。气体流入开口的突然缩小，流出的突然扩大与气体转弯引起的局部损失都增加了热压的损失。因此，选用单种被动式热压自然通风方式，在相同条件下，太阳烟囱比特隆布墙好。

五．多种被动式热压通风方式的综合应用
Ø 特隆布墙－太阳烟囱（combined wall－roof solar chimney）[7]
2000年M.M.AboulNaga 和S.N.Abdrabboh在斜式太阳烟囱基础上，对与特隆布墙相结合的太阳烟囱的通风效果进行研究。其理论分析与斜式太阳烟囱同。
1． 结构示意图
2． 结论
当倾斜面获得的平均太阳辐射为850w/s，室内外温度分别为23℃和27℃时，若墙高3.45m，得到的最大气体流量为2.3m3/s,是只有太阳烟囱的三倍（0.81m3/s）。
在Al-Ain(炎热干旱区)，这种装置的换气量（air change）为26 m3每小时。
Ø RSC.MTW.TW.MSW综合[8]
1999年，Joseph Khedari , Boonlert Boonsri, Jongjit Hirunlabh 将RSC.MTW.TW.MSW综合，研究了综合后的室内外温差、产生的换气量。实验在夏冬季进行。
1．结构示意图

上图为MTW.TW.MSW各自的结构图以及实验所搭建的房子。
2．结论
1）室内气温波动
当所有气体入口被封闭时，室内外最高温差为6℃；当仅有普通的门和窗打开时，室内外最高温差为4℃；当太阳烟囱窗口也被打开时，温差降到3℃。也就是说，采用太阳烟囱后，有效缩小了室内外温差。（是否室内外温差减小，就会提高热舒适性？）
2)产生的换气量
如Fig9左图，开口总面积6-9m2的四种太阳能集热构件综合后，产生总换气量在10－15m3/h之间，相当于每小时换气1.6-2.5次（per unit surface area）这在这么低的室内温度（0－8℃）下是个相当大的数。。

J 小结
由以上两实验可看出，将多种被动式热压通风方式结合能明显增大换气量。

七．总结
从上述研究成果看出，被动式热压自然通风不需要机械动力，能耗少，能有效增大室内的通风换气量，引进室外新风，改善室内空气质量。增加长度（高度），增强绝热程度，增大受热面积，是提高被动式热压通风产生换气量的主要措施。单种方式的热压通风产生换气量往往不大，在与其它方式同时使用后换气量明显增加。作为一种新兴的自然通风方法，被动式热压自然通风具有相当的潜力巨大，发展前景看好。但其仍有一定局限。主要表现在热压作为一种动力，其压强有限，而机械动力可高达上百帕 ，这样这种热压通风无法应用于高层建筑，只适用于低层的平房或别墅。目前所得实验数据也仅限于低层建筑，甚至只是单个房间。从长远看来，随研究的深入和技术的成熟，被动式太阳能热压通风的应用将愈来愈广泛。

参考文献：
[1])Clito Afonso , Armando Oliveira ,Solar chimneys: simulation and experiment, Energy and Buildings 32（2000）71–79
[2]) Mohsen M.Aboulnaga, A roof solar chimney assisted by cooling cavity for natural ventilation in building in hot arid climates:an energy conservation approach in al-ain city, PⅡ:S0960-1481(98)00090-1
[3]6) Jongjit Hirunlabh, Sopin Wachirapuwadon, Naris Pratinthong, Joseph Khedari*, New confi®gurations of a roof solar collector maximizing natural ventilation ,Building and Environment 36 (2001) 383-391
[4]7) Senghwan Yoon and Akira Hoyano, Passive ventilation system that incorporates a pitched roof constructed of breathing walls for use in a passive solar house, PI I : S0038 – 092X(98)00083 – 8
[5]Guohui Gan,A parametric study of Trombe walls for passive cooling of buildings, Energy and Buildings 27 (1998) 37-43
[6] J .Hirunlabh. W.Kongduang P. Namprakai J.Khedari, Study of natural ventilation of houses by a metallic solar wall under tropical climate, Renewable Energy 18 (1999) 109-119
[7] M.M. AboulNaga*, S.N. Abdrabboh,Improving night ventilation into low-rise buildings in hot-arid climates exploring a combined wall-roof solar chimney,
Renewable Energy 19 (2000) 47-54
[8] Joseph Khedari ), Boonlert Boonsri, Jongjit Hirunlabh, Ventilation impact of a solar chimney on indoor temperature fluctuation and air change in a school building, Energy and Buildings 32 (2000) 89–93

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