2.1 案例建筑
案例建筑位于江苏省南京市. 通过分析南京气象文件(epw格式),发现日间时段(8:00~18:00)静风时数达到550 h,占比为13.70%; 日间时段风速不超过2 m/s的时数达到1 768 h,占比达44.03%. 静风或低风速情况下,热压通风,尤其是太阳能烟囱等增强自然通风装置可以很好地提升建筑通风换气. 本节研究即设置环境为静风,重点关注太阳能驱动下的烟囱热压通风效果.
案例建筑为正南朝向三层办公建筑,见图1a. 建筑东侧布置办公空间,每个办公室建筑面积约230 m2. 建筑南侧设置太阳能烟囱,尺寸为3 m×0.35 m×8.1 m. 烟囱底部设置有第一个进风口(面积0.9 m2),连通一层办公室. 距烟囱底部3.6 m处设置第二个进风口(面积0.9 m2),连通二层办公室. 烟囱顶部高出女儿墙0.9 m,设置出风口(面积0.9 m2). 太阳能烟囱构造如图1(b)所示,详细构造信息及热工参数见文献[12].
图1 案例建筑模型
Fig.1 Model of the case building
2.2 模拟工作流应用
参照GB50189—2015《公共建筑节能设计标准》和DG J32/J96—2010《江苏省公共建筑节能设计标准》,办公室人员密度设置为4 m2/人,人员工作日在室时段为7:00~19:00,逐时在室率设参照标准设置. 非工作日设定室内无人员活动. 办公空间室内照明功率密度设置为9 W/m2,电器设备功率密度设置为20 W/m2. 渗风换气次数设定为0.5次/h. 其他热工区域根据房间类型和使用情况进行室内热源的具体设置,详见文献[12]. 参照舒适性空调设计要求,功能空间有人员活动时温度控制在[16, 28 ℃]区间. 一层和二层办公室使用烟囱加强自然通风的方式引入新风. 启用能源管理系统管理烟囱入口开闭状态. 设定人员在室时段,当室外气温同样在[16, 28 ℃]区间时,烟囱入口开启. 该规则有助于避免过热或过冷室外空气的引入导致室温偏离舒适性区间及伴随的冷热负荷增加. 区域烟囱模型中,流量系数设置为0.5,入口1和入口2的流量分配系数均设置为0.5. 三层办公室启用新风系统引入室外空气,流量按照办公空间最小新风量要求设置为30 m3/hSymbolWC@人.
图2 网格及气流模拟结果
Fig.2 Mesh and air flow simulation results
模拟完成后发现,太阳能烟囱有效运行时段主要在3月~11月. 提取4月5日和7月5日10:00、14:00和16:00三个时刻的数据,建立共计6组CFD模拟工况. 烟囱网格划分如图2(a)所示,y方向设置网格精度为进深的1/35,烟囱出入口处网格加密处理,总网格数达到567 000. 图2(b)~(d)展示了4月5日三个工况的烟囱中部(y-z)剖面空气流速云图. 结果表明,不同的边界条件下,烟囱内气流模式差异较小.
表1 不同工况下烟囱入口1、2流量系数
Tab.1 Flow distribution coefficients of inlet one and two of the chimney under different conditions
提取所有模拟工况烟囱出口和两个入口的流量,并计算得出各个入口的流量分配系数,如表1所示. 可以发现在不同的边界条件下,流量分配系数变化不大. 这反映出,相比于边界条件,烟囱本身的构造材料和几何尺寸等设计参数更直接决定了各入口流量分配系数. 设定所研究太阳能烟囱入口1流量分配系数为0.89,入口2流量分配系数为0.11. 将分配系数写入热工模型设置,重新计算.
2.3 结果分析
图3(a)和3(b)依次展示了4月和7月第1周一、二、三层办公室新风供需关系. 新风需求根据人员密度、逐时在室率和新风量设计标准而确定. 除渗风换气外,一层、二层办公室新风由太阳能烟囱增强自然通风供给,三层办公室则由机械通风系统供给. 图3同时展示了模拟工况中烟囱玻璃盖板入射太阳辐射强度的波动情况。值得注意的是,受到太阳高度角和天气的影响,7月第一周玻璃盖板接收到的太阳辐射强度整体偏小。
从图3(a)所示结果发现,当周内太阳能烟囱有效运行时段主要在4日至7日(即24~120 h). 从通风量上看,太阳能烟囱供给一层办公室的最大新风流量达到0.80 m3/s左右; 4天内通风量达到需求的烟囱有效运行时长依次为9 h、11 h、11 h、10 h. 而太阳能烟囱供给二层办公室的最大新风流量仅为0.09 m3/s左右; 房间新风流量均未能达到要求. 对比三层办公室机械通风方式,烟囱增强自然通风供给一层办公室的新风量远远高于实际需求,而供给二层办公室的新风量却不能满足需求. 这与当前多层太阳能烟囱不同入口的流量分配比例有关,也反映出该烟囱在平衡流量分配上存在欠缺. 由于3日(0~24 h)室外最高气温为14.4℃,低于设定的室内热舒适区间,能量管理系统控制烟囱两个入口状态为关闭,因此未观察到太阳能烟囱向一、二层办公室供给新风.
图3 功能房间新风流量
Fig.3 Outdoor air flow rates of office rooms
从图3b所示结果发现,当周内太阳能烟囱有效运行时段主要在3日至6日(即0~96 h). 从通风量上看,太阳能烟囱供给一层办公室的最大新风流量达到0.54 m3/s左右; 4 d内通风量达到需求的烟囱有效运行时长依次为12 h、10 h、10 h、8 h. 3日和5日多数时段,一层办公室烟囱增强自然通风流量高于与三层办公室机械通风; 4日和6日多数时段,前者低于后者. 由于7日白天为阴天,17:00以后烟囱辐射得热带动热压通风,最终当日烟囱供给一层办公室的通风量达到要求的时长仅2 h. 该周内太阳能烟囱供给二层办公室的最大通风流量仅为0.07 m3/s左右,均未能达到新风量要求.
图4 太阳能烟囱逐月通风潜力值
Fig.4 Monthly ventilation potential values of the studied solar chimney
图4展示了全年逐月太阳能烟囱通风潜力值的波动情况. 太阳能烟囱通风潜力值呈现出“M”形波动. 潜力值较高主要集中在4~6月和9~11月. 其中10月份太阳能烟囱通风潜力值最大,达到约637.7 m3/h,相当于室内人数为21人的房间新风需求量. 由于1月和12月室外气温过低,自然通风易造成冷不舒适和热负荷增加. 根据2.2节设定规则,判定太阳能烟囱通风潜力值为零. 该太阳能烟囱年通风潜力值为292.1 m3/h,相当于10人房间的新风需求量.
2.3 对比独立式与双入口烟囱
为了对比独立式烟囱与所研究双入口烟囱在流量分配和通风利用效率上的差异,在所研究太阳能烟囱入口2下方设计隔断,行成两个高度依次为4.5 m、3.6 m的独立烟囱. 上方烟囱与二层办公室连通,下方烟囱与一层办公室连通.
图5 功能房间新风流量
Fig.5 Outdoor air flow rates of office rooms
图5依次展示了独立式烟囱建筑4月和7月第1周一、二、三层办公室新风供需关系. 对比图3可以发现,4月份第一周有效运行时段内太阳能烟囱增强自然通风能够同时满足一层和二层办公室的新风需求,优于原烟囱设计; 而7月份第一周,太阳能烟囱增强自然通风在达到新风需求的时段较原烟囱通风缩短.
图6展示了改造后全年逐月太阳能烟囱通风潜力值的波动情况. 其中10、11月份太阳能烟囱通风潜力值有明显提升,涨幅达到52.7%、61.3%. 而5~7月份太阳能烟囱通风潜力值则降低,其中5月和6月均降幅达25%以上. 总体来看,改造为两个独立烟囱后,太阳能烟囱年通风潜力提高至347.9 m3/h,增长了19.0%. 这反映出将当前烟囱改造为两个独立烟囱会优于原双入口烟囱设计.
图6 太阳能烟囱逐月通风潜力值
Fig.6 Monthly ventilation potential values of the studied solar chimney