太阳能烟囱通风的节能潜力研究

作     者：洪诗艺 

作者单位：浙江大学 

学位级别：硕士

导师姓名：何国青

授予年度：2019年

学科分类：08[工学] 081404[工学-供热、供燃气、通风及空调工程] 0814[工学-土木工程] 

主      题：EnergyPlus 太阳能烟囱 自然通风 数值分析 能耗模拟 节能评估 

摘      要：太阳能烟囱是利用太阳能热压增强室内自然通风的一种低碳、节能的被动式技术,正在被越来越多的应用于建筑中。然而,太阳能烟囱通风究竟对建筑全年节能有多大的影响,却鲜有研究报道。本文针对这个问题,开展了太阳能烟囱通风量预测模型的研究,以及基于能耗模拟软件的太阳能烟囱通风节能潜力评估方法,并评估了中国各气候区代表城市中住宅的太阳能烟囱的通风能力和节能性能。首先,在实验室中用电加热板模拟太阳能吸热墙,通过太阳能烟囱等比例模型实验研究入口尺寸对烟囱通风量的影响,结果发现入口管段尺寸需要和烟囱尺寸匹配,过小会限制烟囱流量;当尺寸接近烟囱通道尺寸时,对流量的影响逐渐消失;继续增大尺寸,对流量的继续提升效果减弱。接着,在一实际住宅建筑中进行了太阳能烟囱通风性能的场地实验,通过多个星期的连续测试,发现太阳能烟囱不仅在太阳辐射充足时提供了显著的通风量,而且在太阳辐射较弱的阴雨天甚至无辐射的夜间同样可以提供足量的自然通风。在这种情况下,室内温度往往高于烟囱内的温度,后者又高于室外温度。为区别于太阳能驱动下的“正常温度分布状态（烟囱内温度室外温度）,本研究将这种由室内热源作为热压来源的温度分布称为“逆分布状态。由于逆分布状态的存在,该场地实验中绝大多数时刻房间的通风量都大于每小时1个换气次数。然而,现有的能耗模拟软件EnergyPlus中的烟囱模型并未考虑到“逆分布状态下的通风,无法预测太阳能烟囱的夜间通风量。基于实验数据,本研究完善了太阳能烟囱预测模型,得到基于室内温度、烟囱出口温度、室外温度三者关系的修正后的太阳能烟囱流量模型,并通过拟合,获得了模型所需的流量系数,使得模型可用于预测太阳能烟囱建筑的全年能耗。随后,通过改写EnergyPlus中太阳能烟囱部分的源代码,将修改后模型植入,并使之能与主程序耦合。用户可以通过输入的烟囱结构参数、流量系数等参数,快速的模拟计算太阳能烟囱建筑通风量和全年能耗数据,用以评估太阳能烟囱通风的节能潜力。最后,本文在一近零能耗住宅模型上,加装了太阳能烟囱模块和相应的HVAC系统,建立了 EnergyPlus计算模型,以研究太阳能烟囱在不同气候区的节能效果。通过模拟该太阳能烟囱建筑在全国不同气候地区的七个典型城市的能耗情况,对比有无太阳能烟囱的HVAC能耗,探讨了太阳能烟囱建筑的能耗表现和节能效果。研究发现在合理控制太阳能烟囱流量后,在建筑中应用太阳能烟囱可以有效节能。太阳能烟囱节能主要体现在两方面,1)降低机械通风的风机（DOAS）能耗,2)通过增强的自然通风,减少供暖和空调的能耗。太阳能烟囱自然通风的机械通风节能表现突出,在寒冷地区,由于室外温度低,室内外温差引起的热压导致的自然通风占很大比重,风机节能比例均超过90%,高于夏热冬冷地区和炎热地区。各地区太阳能烟囱建筑总HVAC节能量在156.8-727.6 KWh之间。其中夏热冬冷地区由于四季分明,被动加热和被动冷却的节能量大于其他地区,因此节能潜力高于炎热地区和寒冷地区。炎热地区,如广州,由于本身冷负荷较高,烟囱通风又大多来自太阳辐射,因此节能量比其他城市要低。综上所述,太阳能烟囱通风的节能潜力较大,在太阳辐射和内热源的共同驱动下,可以在全年的大部分时间均提供可观的自然通风量。本文研究针对住宅,住宅体量小,通风需求也较小,如果通风需求量随着建筑体量增大,则节能量也会相应增加。这是由于太阳能烟囱的运行成本不会增加,甚至为零。