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1、太阳能光导管与自然通风的结合 摘要 自然通风是一种经济且历史悠久的建筑通风方式, 太阳能光导管则是上世纪80年代末开始在国外普遍流行的一种新型照明装置，在世界各国对环境和能源愈加重视并将“节能减排”做为各国政府的重大任务的今天，两者以其绿色、生态、节能的特色引起了人们的重视，本文介绍了自然通风技术和太阳能光导管技术相结合的相关要点，对具有自然通风功能的太阳能光导管系统的研究发展进行了回顾，并对两种技术的结合途径进行了探讨。关键词 自然通风 太阳能光导管 节能减排1 引言当前世界各国对环境和能源的关注越来越大，“节能减排”成为各国政府的重大任务，“绿色建筑”、“生态建筑”成为人们的一种追求。20
2、06年我国建筑总面积为395亿m2,占当年社会总能耗的23.1%l，而空调和照明能耗对于大型公用建筑则占到整个建筑能耗的比例的60%左右。为了达到降低建筑能耗的目的，各种节能新技术在建筑领域越来越多地采用，自然通风和太阳能光导管技术就是这些技术中的典型代表，都是降低建筑能耗的有效途径，如果可以把这两种技术相结合，那么不仅可以降低建筑能耗还能降低两种技术的实用成本，这将是未来的建筑节能技术的一个新发展方向。2 太阳能光导管与自然通风的结合2.1 自然通风自然通风(Natural Ventilation)是一种节能经济的通风方式，它不消耗动力也可获得较大的通风换气量，简单易行，节约能源，有利于环境
3、保护，被广泛应用于工业和民用建筑中2-7。自然通风的原理是：依靠室外风力造成的风压和室内外空气温度差造成的热压使空气流动，以达到提供给室内新鲜空气和稀释室内气味和污染物，除去余热和余湿的目的。自然通风技术具有以下几方面的意义：(1). 在不消耗不可再生能源情况下降低室内温度；(2). 排除室内废气污染物，消除余热余湿；(3). 引入新风，维持室内良好的空气品质；(4). 更好的满足人体热舒适。自然通风是一种古老而有效的建筑物通风方式，我国传统建筑平面布局坐北朝南，讲究穿堂风，都是自然通风原理的运用，但自从空调出现以后，自然通风这种廉价而成熟的通风方式却逐渐被人遗忘，人们转而专注于使用空调等强制
4、通风技术调节室内空气。但在能源问题凸现后人们又开始重新研究起自然通风来。自然通风按工作原理可分：热压作用下的自然通风、风压作用下的自然通风以及热压风压共同作用下的自然通风。图1和图2发分别为风压自然通风和热压自然通风形式。图1 古代中东国家采用的自然通风实例8图2 太阳能热压作用下的“烟囱效应”通风9在2010年上海世博会上，很多展馆都将节能低碳作为自己的特色，自然通风技术被广泛应用，具有代表性的日本馆除了简洁明快的半圆轻型结构之外，其顶部的“三洞三角”也与众不同（如图3）。“三洞三角”实际上是6根循环呼吸柱。这些通体透明的巨大锥形空心柱从穹顶向下，贯穿整个日本馆内部，直达底层的冷却塔，不仅起
5、着支撑整个建筑物的作用，还通过充分利用光、水、风等自然能源，承担着更重要的环保功能。循环呼吸柱的突起部分可以有效地形成上升气流，冷却外部空气，送入馆内，以此降低空调负荷，可以有效解决展示厅的通风换气问题。（摘自瞭望东方周刊）图3 2010上海世博会日本馆2.2 太阳能光导管太阳能光导管照明是上世纪80年代末在国外普遍流行的一种新型照明装置，该装置无需常规能源就能提供白天室内照明，减少由常规能源带来的环境污染，光源取自室外自然光线，通过特殊的传输与分配后，导入室内需要光线的地方，得到由自然光带来的特殊照明效果，是一种绿色健康、节能环保的新型照明系统10-14。图4 太阳能光导管太阳能光导管照明系
6、统通过采光装置聚集室外自然光线并导人系统内部，再经过高效传输后，由系统底部的漫射器将光线均匀照射到室内任何需要光线的地方。从黎明到黄昏，甚至是雨天或阴天，该系统导入室内的光线均十分充足。2.3 太阳能光导管与自然通风结合的研究现状随着人们对能源问题重视程度的加大，自然通风和太阳能光导管越来越多地运用到现代建筑中，将太阳能光导管与自然通风相结合，既可以使建筑物利用太阳能实现绿色照明的同时，又可以提高建筑物新风量，降低通风能耗。观察图1、图2和图4，可以发现这三种原理不同的装置在外形和结构上由一定的相似性，这也为光导管与自然通风相结合提供了可能。光导管和自然通风相结合的技术在国内外研究的还比较少。
7、英国诺丁汉大学的Saffa Riffat教授最早从事光导管与自然通风技术相结合的研究，他所提出的方法是使用由两个同轴管道组成光导管系统，如图5。他在1999年研究了不同的光导管内部涂膜材料对自然通风的影响，他们采用对可见光90%反射对红外光80%透射的双色材料作为光导管内部涂膜。当太阳光通过光导管时，会通过气流与光导管的壁面换热，提高气流温度，从而提高驱动自然通风的热压，强化自然通风效果15。Saffa Riffat还和Li Shao等利用示踪气体恒量释放法研究了与自然通风相结合的光导管系统的通风效果。实验采用的实验箱尺寸为1.3m1.3m1.3m，实验箱内部框架是由15mm厚的刨花板构成，为
8、了增加内部反射率，内侧刷白。实验所用的光导管管壁用铝箔制成，内涂反射率95%的高反射膜。光导管长2.2m，直径215mm。排风管直径250mm，两管之间距离为15mm。绝缘层是100mm厚的聚苯乙烯。整个管道的直径为452mm。实验表明光导管传输的太阳红外线比可见光略少。实验中在自然排气的作用下每小时有8次换气。当箱内温度大概在20时，随着外部温度的降低，换气次数增加，这是由于排气作用的加强。随着箱内温度的增加，换气次数会减少。在冬季各种室内外温差下，换气次数理论期望值与实验箱内测量值符合的很好16。 图5 由两个同轴管道组成太阳能光导管系统152000-2001年，葡萄牙波尔图大学的Szab
9、olcs Varga和Armando C.Oliveira等依据紊流k-方程建立了由于CFD模拟所使用的光导管和自然通风相结合组成的复合系统的数学模型，并采用CFD方法针对如图6所示的敞口平顶型、敞口半球顶型、伞型和H型等四种不同的出风口末端形式，进行了实验和模拟研究17,18，认为通风管道末端结构的设计对自然通风效果影响较大，他们是将光导管布置在排烟道的中央，外部自然光通过光导管导入室内，室内空气通过光导管与排烟道之间的环形通道利用烟囱效应自然排出室外实现自然通风。试验中，光导管和通风管间隙15mm，末端最外层直径都是35cm。假定箱内外温差20，模拟三种室外风速（0，2，4m/s）和三种不
10、同风向（水平，斜向上45和斜向下45）的情况。他们发现只有H型末端在三种不同风向的情况下没有出现气流倒灌现象，而且体积流量较稳定。所以，H型末端是最佳选择。但这种末端易积水积尘，这样通风和采光效果会受到影响。伞型末端在风向水平和斜上时，都出现了气流倒灌现象，效果并不如直径35cm的末端好，尽管在室外风速很小（2m/s），箱内温差很大（20）的情况下，室外风也会对通风效果产生很大影响，所以在设计和研究通风管效果的时候，必须考虑到风的影响。风向水平时候，敞口半球顶型末端的通风效果比敞口平顶型要差，但是光导管要求必须要有半球形的采光罩。而在风向斜下和斜上时，半球顶型末端效果比平顶型的好。当风向水平和
11、斜上时，伞型末端降低了通风效果，但在风向斜下的时候，有效的阻止了气流倒灌的发生。H型末端在三种不同风向的情况下体积流量较稳定且没有气流倒灌现象发生。图6 波尔图大学试验的四种不同出风口末端形式2000年，芬兰赫尔辛基工业大学在第六届世界可再生能源大会上介绍了光导管技术和自然通风相结合的研究19，他们利用一个组合结构引导自然光进入建筑物同时将空气排出，其结构与英国诺丁汉大学Saffa Riffat教授的设想一致。中部是涂有高反射物质的光导管，其结构与普通光导管类似。光导管外部被环形空间所包围，作用是排气。在管道的上部有一个通风末端用来强化通风和防止逆流。2007年，北京工业大学“传热强化与过程节
12、能”实验室建立了太阳能光导管和自然通风相结合的物理和数学模型，利用CFD方法对光导管系统的自然通风效果进行模拟，综合分析了在不同大小和方向的室外风速下，风帽结构、通风管长、管道间距及光导管直径对自然通风效果的影响。与葡萄牙波尔图大学的实验相比，北京工业大学仍采用四种风帽形式，但他们舍弃了敞口平顶型，而添加了百叶型，如图7。结果表明，不同风帽结构对光导管系统的自然通风效果有很大的影响，随着室外风速的增加及风向的变化，光导管系统通风效果不同，H型风帽在任何风速及风向下均能保持良好的通风状态，是光导管系统最佳的风帽形式；管长、管道间距与通风量之间存在最小风量极值点，随着光导管直径的增加，系统的通风量
13、增大，光通量也随之增大，因此在光导管制造成本允许条件下选择较大的光导管直径有利于通风和照明20,21。图7 北京工业大学试验的四种不同出风口末端形式北京科技大学吴延鹏，清华大学李晓锋及北京工业大学马重芳、李仪用示踪气体浓度衰减法实验研究了直通型和T型光导管相结合的自然通风装置。试验中通风管道与光导管同轴，套在光导管外，气流通过通风管道与光导管之间的环形通道进行空气交换。光导管内部涂膜反射比为0.82，管壁由厚0.5mm 的铝箔制成，长700mm，直径为160mm。排气管直径为190mm，两管之间间隙为15mm。排风管最外层均用100mm厚的泡沫保温材料包裹，最外层用防雨塑料包装。选用甲烷作为示
14、踪气体。考察了实验箱内外温差相同的条件下直通型和T型两种不同类型的与光导管相结合的自然通风装置在不同进风口开度时的通风效果22。以上各项研究均是针对同轴管道所组成的系统展开研究，所采用的方法有实验法和CFD模拟法，这些研究大多是针对某些特定的环境参数和特定的实验的装置的研究，并未对实际设备进行测量。研究结果未对所应用的原理给出准确的分析，也没有得出实际工程中可以方便应用的计算方法，而这些正是这种光导管系统研究设计与实际应用的最大障碍，为了更好的推广这种系统，下一步的研究应在继续以上研究的基础上，加强实际装置的研究开发，并争取找到适合工程应用的计算方法。 图8 具有自然通风功能的太阳能光导管系统
15、在太阳能光导管与自然通风结合的研究中出现的另一种结合模式是由某外国公司研制的太阳能光导管系统，如图8。系统由一套光导管装置和一套管道式的通风装置并列安装组成，分别负责采光与通风，其中通风装置直径略小于太阳能光导管直径，且通风管内部安装风扇，在自然通风能力不足时可辅助以机械通风。这种结合方式所组成的系统是在同轴式系统理论和计算方法不足的情况下的一种有效替代方法，但由于这种系统的管道平行布置，增大了系统的体积，占用了更多的空间。3 结论太阳能光导管与自然通风均是绿色低碳的建筑节能技术，而且两者在结构及形式上有相似性，这为这两种技术的结合使用提供了可能。太阳能光导管与自然通风的结合系统具有相当大的优
16、越性，可以使用在各种住宅和公用建筑物中，优势互补，既满足建筑的通风、采光要求，还可以减少建筑能耗，符合当前发展低碳经济和节能减排的要求，顺应世界环境和能源发展的方向，具有很好的发展潜力，但就其技术研究现状而言，还需要相关学者作更多的努力。未来的研究目标应是弄清室外风速、方向和温度以及这些因素所造成的风压、热压等因素对系统的影响以及系统的结构如直径、比例，材料等对系统的影响，综合各种因素提出最优的解决方案，尽快制造出合理可行的产品在实际工程中使用。参考文献1 清华大学建筑节能研究中心.中国建筑节能年度发展研究报告M.中国建筑工业出版社，2009:4-52 金招芬, 朱颖心. 建筑环境学M.北京:
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