太阳能烟囱通风是利用太阳能产生热压效应的自然通风技术，是被动、低碳的建筑技术. 提高太阳能烟囱的通风效率是太阳能烟囱的重要研究课题之一. 虽然太阳能烟囱效应原理简单，但涉及自然对流，要准确可靠的预测通风量并不容易. 在较长时期，太阳能烟囱通风量的计算均基于密度均匀假设的单区域模型^[1]和考虑纵向密度分布的分层模型^[2]. 这2个模型并不能很好地解释太阳能烟囱各个设计参数对其性能的影响^[3-5]. 由于缺乏有效模型的指导，文献中有关太阳能烟囱效应影响因素的研究仍比较片面，结论不统一. Shi等^[6]将影响太阳能烟囱效应的主要参数分为4类共13个，包括结构因素（高度、深度或者空腔间隙、进出口面积)、安装条件因素(倾角、房间开口、太阳能集热器)、材料因素(玻璃类型、太阳能吸收器材料、隔热)和环境因素(太阳辐射、外部风、其他气候条件）. 其中有关深高比的研究较多. Hou等^[7]认为太阳能烟囱的最佳深高比为0.4，Liu等^[8]的实验则得到0.2~0.3为最佳深高比，Zavala-Guillén等^[9]得出的最佳宽高比又与上述研究所得的不同.

其他学者从热源侧的角度探索提高烟囱通风性能的方法. Sivalakshmi等^[10]研究吸收板带有半球形凹坑对太阳能烟囱通风性能的影响. Lei等^[11]研究腔内带有穿孔金属吸热插板的屋顶太阳能烟囱的通风性能. Tiji等^[12]研究在吸热板装翅片和相变材料对提高太阳烟囱性能的作用. 此外，烟囱内回流对通风效率的不利影响也受到关注. Khosravi等^[13]通过数值模拟的方法研究如何采用渐缩状的烟囱减少回流提高通风量. Ren等^[14]研究离散热源对回流的抑制作用.

He等^[5]提出太阳能烟囱流动的烟羽模型，该模型在分层模型的基础上考虑热边界层造成的密度分布不均匀性，用恒定厚度的烟羽流(plume)表示热边界层的热压效应，并发展具有一般适用性的烟羽厚度公式^[15]. 烟羽模型可以较好地解释包括热量、通道几何尺寸和环境参数等在内的烟囱主要设计参数对烟囱热压效应和流动阻力的影响，并得到场地实验的验证^[16]，相关数据和计算程序已经公开^[17]. 根据该模型，边界层数量对太阳能烟囱的通风性能有重要的影响作用. 在相同热量情况下，边界层数量可以提高烟囱的通风效果. 类似的结果在其他学者的模拟研究中也被发现^[18]，由于缺乏理论的指导，一直未有深入分析，未有实验验证的尝试. 如果该结论成立，将有助于提高太阳能烟囱的热利用效率和改进设计. 本研究设计可以插入多块吸热板的太阳能烟囱，以玻璃板作为增加边界层数量的构件，通过实际太阳辐射下的比对实验，分析插入玻璃板对太阳能烟囱通风性能的影响.

如图1所示，太阳能烟囱模型由2部分组成：烟囱主体和进风通道. 烟囱主体内部腔体净尺寸为1 580 mm（高）× 400 mm（宽）× 500 mm（深），进风通道尺寸为1 200 mm（长） × 400 m（宽）× 100 mm（高）. 烟囱主体顶部、底部及两侧皆为20 mm厚的夹胶三合板，烟囱外侧是总厚度为10 mm的普通白色夹胶钢化玻璃，内侧为1 200 mm（高）× 400 mm（宽）× 3 mm（厚）的涂有黑漆的铝合金板，铝合金板后边背板是500 mm（高）× 440 mm（宽）× 10 mm（厚）的夹胶三合板. 夹胶板下面是由6块1200 mm（长）×400 mm（宽）×10 mm（高）和2块1200 mm（长）×900 mm（高）×5 mm（厚）的 XPS板组成的含有3个长为1 200 mm通道的盒子. 本实验中，只留用最下面1个通道，其余2个通道被背板和玻纤布管道胶布密封进出口. 实验中使用以1 200 mm（高）× 400 mm（宽）× 6 mm（厚）的玻璃插件作为增加边界层数量的构件，插件位于烟囱通道的中心面上.

实验场地设置在有西晒的室内大厅，如图2所示. 烟囱玻璃面朝西南方向，实验期间下午有较为良好的日照条件. 实验在室内环境开展的原因是避免室外风速的影响，由于西侧有玻璃幕墙，烟囱受到的辐照度略有损失. 实验期间，用玻纤布密封大厅大门的门缝，装置周围布置挡风板，特别在距离进风通道入口1.0 m处布置挡风板，进一步减少室内环境风速对烟囱热压通风的影响. 在没有进行挡风处理时，实验场地环境风速小于0.08 m/s，加挡风处理后，环境风速恒小于0.03 m/s. 环境风速远小于进风通道中测得的风速，因此可以忽略环境风速的影响.

太阳能烟囱竖直玻璃面上布置太阳辐射表（华控兴业HSTL-ZFSQ，±2%）以测量辐照度. 在距离进风通道入口800 mm处布置风速仪，测点位于通道中心点处. 实验过程中前后使用2种风速仪测量通道风速： Swema03⁺（±0.02 m/s，±0.1 ℃）和TSI 9545风速仪（±3%或±0.015 m/s，±0.3 ℃）. 顶部使用TESTO-405-V1风速仪（±0.1 m/s）测量环境风速. 所有仪器数据采集频率均设置为每秒1次.

取7组有效实验进行分析，实验工况如表1所示. 表中，t_a为气温，A、B组为插板前后的对比实验，C与D、E组为无插板和有插板的对比实验. F、G组为背景通风量的测量实验.

在A、B组实验中，当实验进行一段时间后，插入1 200 mm（高） × 400 mm（宽） × 6 mm（厚）的普通浮法玻璃板. 插入之前，玻璃板暴露于阳光下预热. 插入玻璃板历时1 min. 如图3所示为插板前后垂直太阳辐照度E、测点流速v_in和温度t_in随时间的变化，其中流速为4 min移动平均值. 图中，A组打开盖板插入玻璃板的时间为15：42：01—15：43：09. 插入玻璃板后，尽管太阳辐照度下降，通道进口温度基本不变，但通道内的流速有显著提升. 假设插板后10 min为稳定期，对比插板前后的风速，有明显的提高. 插板前10 min的平均风速为0.43 m/s （样本数n = 600, 方差σ = 0.05 m/s），插入玻璃板10 min后的10 min平均风速（即插入后第10~20 min）为0.46 m/s（n = 600, σ = 0.05 m/s），提高5.94%（P<0.001, t检验）. B组为A组的重复实验，插入预热玻璃板的时间为15：41：06—15：41：53，插入前10 min的平均风速为0.37 m/s （n = 600, σ = 0.03 m/s），插入玻璃板10 min后的10 min平均风速（即插入后第10~20 min）为0.40 m/s （n = 600, σ = 0.03 m/s），提高8.01% （P < 0.001, t检验）. A、B组均给出一致的实验结果，即插入玻璃板后，风速均有显著提高.

如图4所示为C、D和E组实验的数据，流速为4 min移动平均值. 3组实验均在晴朗、无云的天气下进行. 对比空置组 C和插板组D，插板组D的辐照度相对较低，但2组实验进口风速相近. 对比E和C组，2组辐照度在15：30之前接近，在15：30后，插板组E的辐照度甚至略低于空置组C，但是E组的风速明显高于C组. 以上2组对比实验表明，在相同辐照度下，插板组的流量高于空置组.

将各组的实验时长分为3个时段，前期的波动上升阶段、中期的稳定时段和后期的波动下降时段. 如表2所示为各阶段的平均吸热功率、太阳辐照度和测点流速，以及和对照组比较的统计t 检验 P值. 表中， ${R_{{{Q_{\rm{in}}}}}^{\rm{C}}}、{R_{{E}}^{\rm{C}}}、{R_{{{v_{\rm{in}}}}}^{\rm{C}}}$分别为E组的 $\overline{Q}_{\rm{in}}、 $ $ \overline{{E}}、\overline{V}_{\rm{in}}$与C组的变化率，Q_in为通道吸收的辐射功率，Q_all、Q_out分别为太阳能烟囱受到的总热辐射功率和没有被各板面吸收的辐射功率， P值显示，插板组和空置组的差异显著 (P < 0.05). 在前期阶段，插板组D和E的平均热辐射吸收功率分别比空置组C高0.3%和4.8%，体积流量分别低0.85%和高2.5%. 在中期阶段，D和E的平均热辐射吸收功率分别比 C低11.2%和1.1%，体积流量分别高1.8 %和4.1 %. 在后期阶段，D和E的平均热辐射吸收功率分别比C低4.5%和38.5%，体积流量分别高9.6%和40.8 %. 可见，在相同辐射吸收功率下，有玻璃插板的太阳能烟囱的风速比没有插板的高. 从E和C的全过程对比可以看出，在几乎一致的热辐射吸收功率下，有玻璃插板的太阳能烟囱比没有插板的风速平均值高5.1%.

太阳辐射存在入射角度，由于烟囱实验装置前面有大厅的玻璃外墙，玻璃外墙上沿的非透明构件在烟囱垂直面上投下阴影，辐射表安装在靠近地面的垂面上，因此，读数与烟囱实际受到的辐照量有一定差距. 此外，烟囱内部不同表面加热烟囱内部空气的效率存在差异，因此有必要分析各个面的实际得热功率与烟囱通风量的关系.

计算各表面辐射得热要用到太阳高度角和方位角以及各材料的光学参数. 太阳高度角计算公式^[19]为

(1) $ \sin\;({h_{\rm{s}}}) = \sin\;\varphi \sin\;\delta + \cos\;\varphi \cos\;\delta \cos\;\varOmega \text{，} $

(2) $ \begin{split} \\ \sin\;\delta = 0.397\;95\cos\;[0.985\;63(N - 173)\text{π} /180]. \end{split}$

式中：h_s为太阳高度角，φ为观察点的地理纬度， $ \delta $为赤纬角， $\varOmega$为时角， $ N $为自1月1日开始计算的天数. 太阳方位角以15°/h变化，实验记录光线与烟囱垂直面的夹角. 由式（1）、（2）得到某一时间的太阳高度角和方位角，太阳光线与太阳能烟囱的高度夹角和方位夹角. 各材料和表面的吸收率取值如下：双层夹胶玻璃为0.23，玻璃插板为0.13^[20]，喷黑铝板为0.91，夹胶三合板为0.50^[21]. 测量和比对夹胶玻璃前和铝板前的太阳辐照值，得到夹胶玻璃−空腔系统的透射率为0.626，夹角玻璃−空腔−插板系统的透射率为0.574。根据这些透射率与由式（1）、（2）计算的太阳高度角和方位角，可以计算出各时刻的板面的吸热功率.

计算结果显示，空置组和插板组的太阳辐射得热率变化规律基本相同. 如图5所示为插板D组烟囱内各面吸热功率和通道风速. 图中，风速为4 min移动平均值，Q_t为总得热功率，Q_in,Al为铝板吸热功率，Q_in,w为外玻璃吸热功率，Q_in,c为插板吸收功率，Q_in,mc为2侧面木板吸热功率，Q_in,md为底面木板吸热功率. 虽然午后太阳辐照度在加速下降，但铝板和玻璃插板的受照射面积逐步增加，因此铝板和插板的吸热功率出现先上升后下降、尾端急速下降的变化趋势. 太阳辐射最先照到底面木板，该面的吸热功率呈现和太阳辐照度一致的由大到小的变化趋势. 对于侧面木板，虽然太阳高度角在下降，但其受照面趋于和入射线平行，入射角变小，因此虽然入射面积不变，但两侧木板受照辐射功率呈现和总辐照度类似的单调下降趋势. 烟囱通风量呈现先升后降的趋势，与铝板吸热率的趋势最为接近，意味着铝板的得热功率是太阳能烟囱通风量的主要影响因素. 插入玻璃板对烟囱总得热率影响不大，但使得部分辐射量从铝板转移到烟囱中间的单层玻璃上，加热了中部的空气，增加了2个较弱的热边界层. 实测数据表明，插板引起的热量分布变化以及形成的新边界层有利于提高烟囱通风效率，证实了烟羽模型^[5,15]中的假设：边界层数量的增加有利于烟囱效应的提升.

文献[3]~[5]表明，烟囱通风量的增长率随加热功率的提高而降低，也就是说，随着加热量的增大，热量转换为浮力的效率越来越低. 换句话说，小热量单独作用（相当于叠加到0热量上）产生的浮力增率高于将其叠加到大热量上增加的浮力. 插入透明玻璃板，相当于将高温的吸热铝板上的部分热量挪到插板处单独形成新的热边界层，这些新的热边界层很弱，但其产生的浮力强于将这部分热量叠加到高温吸热板上所增加的浮力. 从边界层的角度看， 热板加热空气，影响范围受限于热边界层的厚度. 产生的边界层厚度并不随热量的增长而同比例增大. 插入透明玻璃板，增加了热边界层，从某种意义上，加大了热量所影响的空气范围. 因此，边界层数量的增加有利于浮力和通风量的增强. 可以合理地推测，最大效率下烟囱流量为分层模型^[2]预测的值，因为此模型假设边界层厚度达到最大值，即烟囱深度.

计算流体动力学（computational fluid dynamic，CFD）模拟也得到类似的结果^[11,18]. Lei等^[11]模拟结果显示，在倾斜的太阳能烟囱中插入多孔金属板，通风量得到提高. Chen等^[18]发现当在总热量不变的情况下，把热量均匀分配到内外2个壁面和中间插板的2个壁面，可以比只分配内外2个壁面多产生30%~60%的通风量. 在该研究中，烟囱深度的影响不能忽略，插板组的烟囱深度是对照组的2倍，有利于插板组获得更大的风量^[15].

增加边界层使得更多的空气被加热，热压转换效率提高，但也增加了空气流动阻力. 因此，有关阻力和加热效果平衡的研究还应深入. 此外，边界层强度对热压增强效应的影响也有待进一步研究. 在本实验中，中间玻璃吸热功率仅占烟囱总得热的7.7%，却能将烟囱体积流量提高5%~9%.可以采用增设吸热玻璃或其他构件的方法进一步提高空腔中部的吸热量，以研究改进效果.

从A~E组可以看出，在实验初期以及日落后，烟囱进风通道总是存在0.2~0.3m/s的基础风速. 由于使用挡风板，实验过程中环境风压的影响可以排除，推测基础通风量是烟囱内外温度差造成的.

如图6所示为F组测量的太阳辐照度、测点流速和温度随时间的变化. 有了方便比较，图中给出测点流速3 min移动平均值F组测试日下午为阴天，期间有短暂日照. 在没有太阳辐射时，环境温度逐渐下降. 此时，吸热板温度被烟囱气流冷却而逐渐降低，但仍高于环境温度，由此形成一个持续的背景风量，风速约为0.15 m/s，约为最高风速的1/3. 如图7所示为G组测试日夜间测点温度和风速随时间的变化. 当日晚17:00至翌日11:00，均有持续的背景通风量. 该结果与文献[16]发现的温度逆分布（inverse condition）下产生烟囱通风气流的原理一致.

（1）实验数据支持在太阳能烟囱通道内增加热边界层可以加强通风量. 在太阳辐射基本不变的情况下，有单层玻璃插板的太阳能烟囱比没有插板的太阳能烟囱的风速平均高5%~9 %.

（2）在太阳辐射下，烟囱的通风量和烟囱内部的总得热功率相关. 其中，铝板和插板的吸热功率是太阳能烟囱通道风速的主要影响因素.

（3）当没有太阳辐射时，烟囱内部的余热和下降的环境气温，可使烟囱产生比较稳定的通风量（0.15~0.20 m³/s）.

（4） 研究结果给太阳能烟囱增强设计方法提供新的思路：通过在内部增设吸热构件，结合成熟有效的CFD的方法，优化光热和气流在通道中的分布，达到最大太阳能烟囱通风效率. 限于实验材料，本研究采用普通浮法玻璃作为插板，可以采用吸热玻璃并增加插板数量，以增强内置插板的吸热份额，进一步提高太阳能烟囱的通风效率.