优化带有透明插入件的太阳能烟囱的通风性能：关于深度、高度和配置参数的协同研究

本研究通过实验和计算流体力学模拟，揭示了集成透明玻璃插入物的太阳能烟囱中，烟囱深度和高度的非线性耦合机制对通风效率的影响，提出了优化设计参数的建议。

　　

严玉星|景胜兰|雷永刚|郭阳|梁天慈|谢聚鹏

太原理工大学土木工程学院，中国山西省太原市030024

摘要

为了解决传统太阳能烟囱的固有局限性——其通风效率受到单侧加热的严重限制——本研究探讨了集成透明玻璃插件在提升性能方面的潜力。通过结合实验测试和计算流体动力学（CFD）模拟的协同方法，研究阐明了插件引起的效率提升与关键几何参数（即烟囱深度和高度）之间的非线性耦合机制。

在实验阶段，使用电加热铝板作为可控热源以避免外部天气干扰，并在三种不同深度（0.2、0.3、0.4米）下进行了基准测试，分别测试了有/无插件时的通风性能，功率保持恒定。在CFD模拟中，将500 W/m²的入射太阳辐射作为边界条件施加到玻璃外表面。进一步的模拟研究了烟囱高度（1.0–2.2米）、深度与高度比以及插件长度比（λ）对通风性能的影响。

结果表明，集成透明插件使有效烟羽面积翻倍，从而降低了流动阻力并显著提高了质量流量。虽然通风率随烟囱深度和高度的增加而单调增加，但相对效率的提升表现出明显的非线性特征，最佳深度与高度比为0.1–0.3。此外，将λ优化到0.8可以有效减少底部循环涡流的形成，进一步提高了7%的通风率。本研究不仅为太阳能烟囱系统的设计优化提供了实用指南，还揭示了几何参数、内置组件和流场结构之间的内在耦合机制，为建筑物高性能被动通风技术的发展奠定了坚实的理论基础。

引言

根据联合国环境规划署（UNEP，2022年）的报告[1]，建筑和施工行业占全球最终能源消耗的36%和能源相关二氧化碳排放的37%，这凸显了减少其能源足迹的紧迫性。尽管随着绿色建筑技术的采用，整个建筑生命周期内的碳排放增长率有所放缓，但总体排放水平仍然很高。其中，太阳能烟囱作为一种利用浮力驱动的自然通风的被动冷却策略，在改善室内环境质量和减少建筑能耗方面展现出巨大潜力。

最近的研究探讨了将太阳能烟囱与其他建筑系统结合以提升性能和功能。Wang等人[2]通过数值方法研究了太阳能烟囱-水墙系统的组合，并证明了其作为有效被动通风策略的可行性。Mandal等人[3]研究了光伏-太阳能烟囱混合发电厂，表明此类系统可以协同提高发电效率和整体能源利用效率。Bülbül等人[4]报告称，由烟囱效应引起的自然对流显著提高了太阳能热电发电机的性能。Hachicha等人[5]提出了一种能够同时发电和净化的混合太阳能烟囱系统，在有限的性能下降情况下实现了高过滤效率。Mohammadi等人[6]将太阳能烟囱与Heller塔进行了比较，证明混合配置在高风速条件下能实现更优的冷却性能。Zhu等人[7]进一步强调，几何优化和系统混合是提高太阳能烟囱发电性能的主要途径。

与此同时，人们也致力于通过集成相变材料（PCMs）来增强热调节性能。Kaneko等人[8]研究了具有内置潜热存储功能的太阳能烟囱的通风性能。Amori等人[9]通过实验和数值研究证明，PCMs可以在炎热气候条件下延长通风时间。Aghabeigi[10]优化了PCM厚度和出口高度，以同时提高通风和加热效率。Zhou等人[11]系统回顾了PCM在节能建筑中的应用，并提出了材料选择和系统设计的综合框架。Wu等人[12]开发了一种结合PCMs的太阳能驱动热催化净化模块，以解决室内空气质量与供暖需求。Xu等人[13]通过实验表明，增强PCM的建筑围护结构可以提高热舒适度同时减少能源消耗。Jebaei[14]进一步显示，优化后的PCM墙板可以显著减少能源使用和二氧化碳排放。Li[15]提出了一种结合PCMs的弯曲波纹Trombe墙，并通过实验验证了其相比传统设计的优越热性能。

除了热存储策略外，最近的研究还探索了辐射冷却和先进的建筑节能措施。Feng等人[16]实验评估了应用于通信基站的辐射冷却涂层在稳定室内温度方面的有效性。Anand[17]研究了内外墙辐射特性的联合修改，以最小化季节性暖通空调负荷。Duan等人[18]强调了政策驱动的节能措施对于适应不断变化的气候条件的重要性。

由于浮力驱动的气流与热传递之间的复杂耦合，准确预测太阳能烟囱的通风性能仍然具有挑战性。K.S. Ong等人[19]的早期工作通过测量不同运行条件下的温度和气流特性评估了太阳能空气加热器的热性能。Sandberg等人[20]提出了一个分层模型来关联温度上升与质量流量，尽管这种方法倾向于高估实验结果。为了解决这一限制，He等人[21]开发了一个基于烟羽的分析模型，考虑了垂直和水平方向的密度变化，显著提高了预测准确性。He[22]的后续改进进一步增强了该模型对不同烟囱几何形状和流动状态的适用性。

结构参数显著影响太阳能烟囱的性能。Shi等人[23]将影响参数分为结构配置、安装条件、材料属性和环境因素。Du等人[24]建议在施工限制范围内最大化烟囱高度，而Zhai等人[25]通过实验表明，当烟囱高度超过1米时，通风效果会减弱。Spencer[26]报告称，最佳烟囱深度取决于入口面积和整体高度，过高的深度可能导致逆流。Liu等人[27]随后确定最佳深度范围为0.2–0.3米。Jia等人[28]优化了吸收器几何形状和通道角度，显著提高了热收集效率，而Zuo等人[29]通过优化涡轮参数提高了风增压太阳能烟囱系统的性能。

另一种提高通风性能的有效方法是增加烟囱通道内的热边界层数量。Chen和Li[30]通过数值方法研究了在均匀壁面热流条件下的太阳能烟囱。Lei等人[31]证明插入多孔吸收板可以有效增强自然通风。He等人[32]通过实验表明，插入透明玻璃板以创建额外的热边界层可以将平均气流速度提高5–9%。Jiang等人[33]对这种配置进行了数值研究，进一步阐明了与透明插件面板相关的优化机制。

尽管已经报道了“插件引起的增强”和“深度依赖的流动行为”的单独效应，但大多数现有研究主要集中在优化插件配置本身。关于烟囱深度如何影响装有插件的系统中的气流机制的系统研究仍然有限。此外，深度和高度的耦合效应以及它们在装有插件的太阳能烟囱中的潜在协同作用尚未得到充分探索。

为了深入理解结构参数如何调节通风性能，本研究探讨了烟囱深度和高度对装有透明插件的太阳能烟囱性能的影响。具体来说，本研究旨在：（1）分析烟囱深度的变化如何影响有和没有插件的系统中的气流特性；（2）研究烟囱高度的影响，以建立“深度-高度-插件”耦合相关模型。本研究旨在确定最大化通风效率的最佳比例和阈值，从而为太阳能烟囱的集成结构设计提供更全面的理论和实验基础。

实验方法

为了研究不同深度下太阳能烟囱的通风性能，并评估透明玻璃插件在这种配置下的效果，设计、建造并系统测试了一个定制的实验装置。

实验装置的示意图如图1所示。主要结构由12毫米厚的层压胶合板制成。示意图中使用了符号表示尺寸（H、W和d）

实验结果

实验测试于2025年8月29日至30日进行。在完全组装太阳能烟囱系统后，首先在未激活热源的情况下进行了出口空气速度的基线测试。结果显示，在这种条件下，入口空气速度始终低于0.01米/秒，与主动加热相比这个值可以忽略不计。这一结果证实了环境干扰对通风的影响

讨论

为了为观察到的烟囱深度、高度和透明玻璃插件对通风性能的影响提供理论基础——特别是效率提升的变化——本节基于热边界层理论、He等人[21]提出的烟羽模型以及数值流线模式进行了解释。

结论

本研究重点研究了装有透明玻璃插件的太阳能烟囱的通风性能。通过一系列比较实验和数值模拟，全面研究了烟囱深度、高度以及透明插件与吸收板之间的长度比（$\lambda$）对通风性能的影响。主要结论如下：

1) 透明玻璃插件的引入在烟囱内部形成了额外的热边界层

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。