楊倩苗，薛一冰，張晨悅

（1.山東綠色建筑協(xié)同創(chuàng)新中心，山東濟(jì)南　250001；2.山東建筑大學(xué)建筑城規(guī)學(xué)院，山東濟(jì)南　250001）

太陽能煙囪建筑設(shè)計案例分析

楊倩苗1，2，薛一冰1，2，張晨悅2

（1.山東綠色建筑協(xié)同創(chuàng)新中心，山東濟(jì)南250001；2.山東建筑大學(xué)建筑城規(guī)學(xué)院，山東濟(jì)南250001）

在綠色建筑設(shè)計中，太陽能煙囪作為有效的建筑自然通風(fēng)利用技術(shù)得到日益廣泛的應(yīng)用。文章闡述了太陽能煙囪的通風(fēng)原理，通過太陽能煙囪通風(fēng)技術(shù)設(shè)計的典型案例，總結(jié)了建筑應(yīng)用太陽能煙囪通風(fēng)技術(shù)設(shè)計的特征型、消隱型和融合型三種主要方式，提出了太陽能煙囪4個方面的技術(shù)設(shè)計要點，并指出無論采用何種類型的太陽能煙囪，都需要從提高進(jìn)、排風(fēng)口之間的“三差”的角度進(jìn)行技術(shù)設(shè)計，保證其自然通風(fēng)效果，是今后太陽能煙囪技術(shù)設(shè)計領(lǐng)域的主要方向。

太陽能煙囪；技術(shù)設(shè)計；自然通風(fēng)

0　引言

在綠色建筑設(shè)計中，自然通風(fēng)是常用的被動式設(shè)計手段。太陽能煙囪是加強版的自然通風(fēng)技術(shù)，利用太陽熱量加熱煙囪內(nèi)的空氣，增大煙囪的拔風(fēng)效果。

目前，在建筑熱工領(lǐng)域，國內(nèi)外學(xué)者對太陽能煙囪流道內(nèi)部、房間內(nèi)部的空氣流速變化、溫度升高等熱工性能進(jìn)行了大量的模擬和實驗研究［1］，證明其通風(fēng)量的大小與煙囪高度、煙囪寬度、室內(nèi)外溫度差、進(jìn)出風(fēng)口面積比等因素密切相關(guān)［2］。在建筑設(shè)計領(lǐng)域，從原理層面提出了太陽能煙囪與建筑本體集成的理論，將圍護(hù)結(jié)構(gòu)、樓梯、走廊等建筑形式要素作為氣流通道［3］。

在建筑設(shè)計實踐中，太陽能煙囪自然通風(fēng)的概念被大量應(yīng)用，但其專項技術(shù)設(shè)計和實際通風(fēng)效果卻往往被忽略，究其原因是目前太陽能煙囪技術(shù)設(shè)計理論的匱乏，因此論文分析了大量應(yīng)用太陽能煙囪的典型案例，從中總結(jié)出太陽能煙囪技術(shù)設(shè)計的三種主要方式，并提出太陽能煙囪技術(shù)設(shè)計的四個方面的建議，為今后的太陽能煙囪技術(shù)設(shè)計提供一定的理論基礎(chǔ)。

1　太陽能煙囪的通風(fēng)原理

從圖1中可以看出，太陽光曬熱太陽能煙囪上部集熱構(gòu)件（圖1（a）中深色部分），加熱煙囪內(nèi)的空氣，熱空氣上升，在煙囪底部形成負(fù)壓區(qū)，帶動底部房間空氣流入煙囪內(nèi)，新鮮空氣從房間另一側(cè)補充，從而實現(xiàn)房間的自然通風(fēng)，如圖1（b）所示［4］。

英國劍橋大學(xué)Nick等總結(jié)出了太陽能煙囪的通風(fēng)與進(jìn)排風(fēng)口之間的高度差、溫度差、壓力差（簡稱“三差”）成正比［5］。因此，結(jié)合建筑工程實踐，太陽能煙囪技術(shù)設(shè)計的重點是提高進(jìn)排風(fēng)口之間的“三差”，保證自然通風(fēng)效果。此時，吹拔空間、透明玻璃是保證太陽能煙囪通風(fēng)效果的技術(shù)特征，也是太陽能煙囪的形態(tài)特征。

圖1　太陽能煙囪CFD模擬圖

2　建筑技術(shù)設(shè)計案例分析

2.1建筑技術(shù)設(shè)計方式

通過研究大量的建筑案例，根據(jù)太陽能煙囪技術(shù)特征的表現(xiàn)程度，總結(jié)出了建筑應(yīng)用太陽能煙囪通風(fēng)技術(shù)設(shè)計的三種主要方式:特征型、消隱型和融合型。

2.1.1特征型

以提高太陽能煙囪的拔風(fēng)效果為主要目的，在建筑中單獨設(shè)計太陽能墻煙囪，完全保持太陽能煙囪獨特的技術(shù)特征，臺灣成功大學(xué)的“綠色魔法學(xué)院”的太陽能煙囪就屬于特征型。

臺灣成功大學(xué)的“綠色魔法學(xué)院”是臺灣第一座“零碳建筑”，地上3層，地下1層，建筑面積4799.67 m2。為了強化自然通風(fēng)，三層通高的中庭、300人的國際會議廳“崇華廳”、亞熱帶綠建博物館分別設(shè)計了太陽能煙囪，如圖2（a）所示［6］。太陽能煙囪的形態(tài)完全符合流體力學(xué)的要求，以最大程度地發(fā)揮其自然通風(fēng)效果，減少空調(diào)的使用時間。扁平、高聳的體量，如圖2（b）所示［7］，為其服務(wù)的大空間提供風(fēng)場均勻、風(fēng)速適中的拔風(fēng)吸力；煙囪外壁開設(shè)玻璃窗，窗內(nèi)側(cè)安裝了鋁板材質(zhì)的黑色烤漆集熱板，用于加大煙囪內(nèi)垂直方向的溫度差，加強抽風(fēng)效果。這種模仿傳統(tǒng)“灶窯”通風(fēng)系統(tǒng)，“原汁原味”地再現(xiàn)其技術(shù)特征的太陽能煙囪，就是特征型的太陽能煙囪。

特征型太陽能煙囪的建筑形態(tài)服務(wù)于通風(fēng)效果，是一種技術(shù)流的太陽能煙囪。

漲潮時進(jìn)行套泊作業(yè)。為便于頂流靠泊，待泊船完成調(diào)頭后在離泊船上游碼頭前沿旋回區(qū)候泊。漲潮雙套作業(yè)等候方式見圖2。洋山港四期出口船可使用航道正常出口。需要注意的是，雙方需協(xié)調(diào)確認(rèn)如何通過，必要時洋山港四期出口船需盡量主動等待，等候待泊船完成調(diào)頭后再通過。

2.1.2消隱型

消隱型太陽能煙囪是內(nèi)在的，從建筑外觀上幾乎看不見太陽能煙囪的痕跡，建筑本體的建筑風(fēng)格不受其影響。夏季自然通風(fēng)的特朗勃墻、井—箱式的雙層玻璃幕墻是消隱型太陽能煙囪的典型代表。

圖2　臺灣成功大學(xué)“綠色魔法學(xué)?！眻D

特朗勃墻是建筑自發(fā)利用太陽能實現(xiàn)冬季采暖的一種被動式太陽能熱利用方式，在解決其夏季過熱的問題時，發(fā)現(xiàn)可利用特朗勃墻實現(xiàn)室內(nèi)的自然通風(fēng)，夏季自然通風(fēng)的特朗勃墻其本質(zhì)就是太陽能煙囪。1974年建成的Kelbaugh住宅位于美國普林斯頓，是建筑師Douglas Kelbaugh的自建二層住宅，南立面設(shè)計了56 m2的特朗勃墻，如圖3（a）所示夏季特朗勃墻內(nèi)的熱空氣從屋檐下的排風(fēng)口排出帶動室外涼爽空氣從建筑北側(cè)進(jìn)入，實現(xiàn)自然通風(fēng)如圖3（b）所示［7-8］。從Kelbaugh住宅的建筑外觀上，根本找不到太陽能煙囪最主要的形態(tài)特征——吹拔空間，太陽能煙囪被隱藏在建筑的墻體內(nèi)。

圖3　Kelbaugh住宅圖

位于德國杜塞多夫的ARAG 2000辦公塔樓，如圖4（a）所示，高120 m，由RKW與Norman Foster合作設(shè)計，因為建筑南側(cè)的交通噪聲極高，設(shè)計了雙層玻璃幕墻隔絕室外噪音。玻璃幕墻同時兼顧自然通風(fēng)，在垂直方向被分為四組，每組8個樓層，按井—箱式結(jié)構(gòu)設(shè)計，如圖4（b）所示。太陽能加熱豎井內(nèi)的空氣，帶動與箱型窗連通的房間內(nèi)部的自然通風(fēng)，在設(shè)計階段的模擬試驗表明，ARAG 2000辦公塔樓每年有50% ～60%的時間可以實現(xiàn)自然通風(fēng)［9-10］。不難看出，貫通8個樓層的豎井就是太陽能煙囪的吹拔空間，建筑形態(tài)具有典型的玻璃幕墻的特征，而與太陽能煙囪關(guān)系不大。

消隱型太陽能煙囪的特點就是隨形就勢，是在應(yīng)用太陽能得熱技術(shù)、建筑隔聲技術(shù)等的同時，通過進(jìn)出風(fēng)口的設(shè)計、組織結(jié)構(gòu)的優(yōu)化等技術(shù)措施，兼顧太陽能煙囪的自然通風(fēng)，其通風(fēng)效果受原有功能的限制，將吹拔空間隱藏在建筑內(nèi)部，其高聳的形態(tài)不復(fù)存在了。

2.1.3融合型

融合型的太陽能煙囪建筑形態(tài)介于特征型與消隱型之間，將樓梯間、風(fēng)道、中庭等建筑本體要素作為氣流通道［11］，進(jìn)行太陽能煙囪集成設(shè)計，在保證其原有使用功能的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)建筑的自然通風(fēng)樓梯間的體量和尺寸易于產(chǎn)生拔風(fēng)效果，因此太陽能煙囪多與樓梯間融合設(shè)計，英國諾丁漢稅務(wù)部（Nottingham Tax Office）就是應(yīng)用融合型太陽能煙囪形態(tài)的典型案例。

圖4　ARAG 2000辦公塔樓圖

圖5　諾丁漢稅務(wù)部辦公樓圖

英國諾丁漢稅務(wù)部大樓樓梯間設(shè)計成太陽能通風(fēng)煙囪，其功能同時具備垂直交通和自然通風(fēng)，其建筑形態(tài)同時保持樓梯間和太陽能煙囪的雙重特征。樓梯間突出建筑屋頂，突出部分四面設(shè)計有透明玻璃，是樓梯間太陽能煙囪不同于普通樓梯間的典型特征。

2.2建筑技術(shù)設(shè)計的建議

無論采用何種方式的太陽能煙囪通風(fēng)技術(shù)，在設(shè)計中都需要保證其自然通風(fēng)效果，因此需要注意下面4條其技術(shù)設(shè)計要點:

（1）太陽能煙囪帶動的自然通風(fēng)的區(qū)域是有限的

熱空氣上升產(chǎn)生的動力是有限的，因此在設(shè)計中需要合理匹配太陽能煙囪服務(wù)的自然通風(fēng)的區(qū)域面積，杜絕出現(xiàn)“小馬拉大車”的情況。清華大學(xué)超低能耗樓，如圖6（a）所示，也是與樓梯間集成設(shè)計的融合型太陽能煙囪，樓梯間5.2 m×6.6 m，三跑樓梯，在梯井位置設(shè)置了3個封閉的玻璃豎井，如圖6（b）所示，分別負(fù)責(zé)一二層、三層、四層的自然通風(fēng)，保證每個樓層的通風(fēng)換氣次數(shù)［13］。與諾丁漢稅務(wù)部大樓相比，清華超低能耗樓樓梯間太陽能煙囪采用的是“一拖一”的設(shè)計方案，每個通風(fēng)豎井負(fù)責(zé)相應(yīng)的樓層面積的自然通風(fēng)，避免了不同樓層間氣流的交叉，保證了上部樓層的通風(fēng)效果。

（2）設(shè)計太陽能集熱構(gòu)造提高自然通風(fēng)效果

與一般的通風(fēng)煙囪相比，太陽能煙囪的特點就是利用太陽能集熱構(gòu)件提高進(jìn)排風(fēng)口之間的溫度差，增大煙囪的拔風(fēng)效果。太陽能集熱構(gòu)造設(shè)計有兩種:一是常規(guī)構(gòu)造，將煙囪四壁的全部或部分設(shè)計成透明玻璃，將太陽光引入加熱煙囪內(nèi)空氣，如諾丁漢稅務(wù)部的玻璃樓梯間（如圖5所示）、清華超低能耗樓通風(fēng)豎井的玻璃頂部（如圖6所示）；二是加強構(gòu)造，在常規(guī)做法的基礎(chǔ)上增加黑色或深色集熱構(gòu)件，進(jìn)一步提高進(jìn)出風(fēng)口的溫度差，如臺灣成功大學(xué)的太陽能煙囪頂部的黑色鋁板（如圖2所示）、2010歐洲“太陽能十項全能”競賽作品“home+”的太陽能煙囪上部（天窗內(nèi)）懸掛的黑色吸熱片（如圖7所示）［14］。

圖6　清華大學(xué)超低能耗樓圖

圖7　home+的屋頂天窗（內(nèi)懸掛吸熱片）圖

（3）合理確定太陽能煙囪的高度保證自然通風(fēng)效果

理論上太陽能煙囪的高度越高其拔風(fēng)效果越好，但考慮到立面的尺度和效果，特征型、融合型的太陽能煙囪高出建筑屋頂1～2層層高。消隱型太陽能煙囪隱藏在建筑內(nèi)部，在滿足原有功能的同時兼顧拔風(fēng)效果，因此其高度應(yīng)同時考慮上述兩方面的要求。

（4）優(yōu)化排風(fēng)口設(shè)計防止氣流、雨水倒灌

防雨、防風(fēng)是太陽能煙囪排風(fēng)口必要的設(shè)計要求，可啟閉的天窗是最常用的太陽能煙囪排風(fēng)口形式，多用于融合型太陽能煙囪。諾丁漢稅務(wù)部辦公樓樓梯間頂部可升降的頂帽，清華超低能耗樓樓梯間出屋面部分可開啟側(cè)窗，實現(xiàn)了太陽能煙囪排風(fēng)和防雨。特征型太陽能煙囪多從保證出風(fēng)口負(fù)壓、提高進(jìn)出風(fēng)口壓力差的角度進(jìn)行排風(fēng)口設(shè)計，臺灣成功大學(xué)太陽能煙囪出風(fēng)口剖面內(nèi)收成笛口狀，形如半個文丘里管，出風(fēng)口風(fēng)速變大、壓力減小，更好地將煙囪內(nèi)空氣排除，如圖（8）所示［15］。

圖8　成功大學(xué)太陽能煙囪排風(fēng)口通風(fēng)示意圖

3　結(jié)語

文章以太陽能煙囪的技術(shù)設(shè)計為研究對象，總結(jié)了建筑應(yīng)用太陽能煙囪通風(fēng)技術(shù)設(shè)計的特征型消隱型和融合型三種主要方式，提出了太陽能煙囪4個方面的技術(shù)設(shè)計要點，無論采用何種類型的太陽能煙囪，都需要從提高進(jìn)、排風(fēng)口之間的“三差的角度進(jìn)行技術(shù)設(shè)計，保證其自然通風(fēng)效果，這也是今后太陽能煙囪技術(shù)設(shè)計領(lǐng)域的主要方向。

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（學(xué)科責(zé)編：李雪蕾）

A case study on architectural technology design of solar chimney

Yang Qianmiao1，2，Xue Yibing1，2，Zhang Chenyue2
（1.Shandong Co-innovation Center of Green Building，Jinan 250001，China；2.School of Architecture and Urban Planning，Shandong Jianzhu University，Jinan 250001，China）

In green building design，solar chimney is an effective natural ventilation technology and is more and more widely applied.At present，it lacks of architectural design theory of solar chimney.In this paper，the principle of solar chimney ventilation is presented.Furthermore，three design approaches，which are used to design solar chimney，are summarized:feature type，type and fusion type，according to the study on some typical solar chimney case.Finally，four suggestions are presented about technology design of solar chimney.This paper points out that the key problem of solar chimney design is to increase“three differential value”from inlet to outlet.It guarantees for building natural ventilation and is the development direction of solar chimney technology.

solar chimney；technical design；natural ventilation

1673-7644（2015）06-0590-06

TU111

A

2013-12-08

山東省高校科技計劃項目（J11LE07）

楊倩苗（1980-），女，講師，博士，主要從事綠色建筑技術(shù)研究.E-mail:yqm1222@163.com