太阳能烟囱

太阳能烟囱（通常称为热能烟囱）是一种利用被动式太阳能加热的空气对流来改善建筑物自然通风的方式。太阳能烟囱的简单描述是一个垂直竖井，利用太阳能来加强建筑物的自然通风。

太阳能烟囱已经使用了好几个世纪；中东和近东的波斯人、欧洲人，及罗马人使用则更为频繁。

描述

在最简单的形式中，太阳能烟囱由一个涂上黑色油漆的烟囱组成。白天，太阳能加热烟囱及其中的空气，在烟囱中形成一股上升气流。烟囱底部产生的吸力可以用来通风和冷却下面的建筑物。在世界上的大部分地区，利用风能进行通风比较容易，比如使用捕风塔，但在无风的炎热天气，太阳能烟囱可以提供通风，否则就无法通风。

然而，太阳能烟囱有多种变化。太阳能烟囱的基本设计元素是：

• 太阳能集热区： 它可以位于烟囱的顶部，也可以包括整个竖井。此元件的方向、玻璃类型、隔热和热性能对于利用、保留和使用太阳能收益至关重要。
• 主通风井： 此结构的位置、高度、横截面和热特性也非常重要。
• 进风口和出风口： 这些元件的尺寸、位置以及空气动力学方面也非常重要。

有人提出了太阳能发电的原理，在底部使用大型温室，而不是仅仅依靠烟囱本身的加热。(有关这个问题的进一步资讯，请参阅太阳上升气流塔）。

太阳能烟囱涂成黑色，以便更有效地吸收太阳热能。当烟囱内的空气被加热后，会上升并透过热交换管将冷空气从地下抽出。

太阳能烟囱和可持续建筑

该太阳能烟囱通过地热交换吸入空气，为家庭提供被动制冷。

太阳能烟囱（也称为热烟囱）也可以用于建筑环境中，以减少机械系统（通过机械方式对建筑物进行加热和冷却的系统）所使用的能源。数十年来，空调和机械通风一直是发达国家许多建筑类型（尤其是办公室）的标准环境控制方法。污染和能源供应的重新分配促使建筑设计采用新的环保方法。创新技术与生物恒温原则和传统设计策略经常被结合起来，创造出新的、可能成功的设计解决方案。太阳能烟囱是科学家和设计师目前正在探索的概念之一，主要是透过研究和实验。

太阳能烟囱有许多用途。直射阳光会加热烟囱内的空气，使其从顶部上升，并从底部吸入空气。空气的吸入可以用来为住宅或办公室通风、通过地热交换器吸入空气，或者只为特定区域（如堆肥厕所）通风。

自然通风可透过在建筑物上层设置通风口，让热空气透过对流上升并排到室外。与此同时，较冷的空气可从下层的通风口吸入。可以在建筑物的那一侧种植树木，为较冷的室外空气提供树荫。

太阳能烟囱可以增强这种自然通风过程。烟囱必须高于屋顶水平，并且必须建在朝太阳方向的墙上。可以在面向太阳的一侧使用玻璃表面来增加太阳热量的吸收。对面可使用吸热材料。吸热表面的大小比烟囱的直径更重要。大的表面面积可以与太阳辐射加热所需的空气进行更有效的热交换。烟囱内空气的加热将增强对流，从而增强通过烟囱的气流。烟囱通风口的开口应远离盛行风的方向。

为了进一步将冷却效果发挥到最大，可先将进入的空气引导至地下管道，再让其进入建筑物。可将太阳能烟囱与特朗布墙整合，以改善太阳能烟囱。这种设计的额外优点是，在寒冷季节，系统可以反转，转而提供太阳能加热。

太阳能烟囱概念的变体是太阳能阁楼。在阳光充沛的炎热气候下，阁楼空间在夏天通常会热得发烫。在传统建筑中，这会带来一个问题，因为需要增加空调。通过将阁楼空间与太阳能烟囱相结合，阁楼中的热空气就可以发挥作用。它可以帮助烟囱中的对流，改善通风。

CAD（TAS）太阳能烟囱模型

太阳能烟囱的使用可能有益于建筑物的自然通风和被动冷却策略，从而帮助减少能源使用、二氧化碳排放和污染。自然通风和使用太阳能烟囱的潜在好处有：

• 改善在宁静、炎热天气下的通风率
• 减少对风和风动通风的依赖
• 改善对建筑物内气流的控制
• 进气口的选择更多 (例如建筑物的背风面)
• 改善空气品质，降低城市区域的噪音水平
• 提高夜间通风率
• 为狭窄的小空间通风，尽量减少与外界的接触

被动冷却的潜在好处可能包括：

• 改善暖季期间的被动式冷却 (主要是在静止的热天)
• 提高夜间冷却率
• 增强热质性能（冷却、蓄冷）
• 改善热舒适度（改善气流控制、减少穿堂风）

先例研究：环保建筑

位于英国沃特福德加斯顿的建筑研究机构 (Building Research Establishment，BRE) 办公大楼采用太阳能辅助被动通风烟囱作为其通风策略的一部分。

BRE 办公室由建筑师Feilden Clegg Bradley设计，旨在将能源消耗和二氧化碳排放量在现行最佳实践准则的基础上减少30%，并在不使用空调的情况下维持舒适的环境条件。被动式通风烟囱、太阳能遮阳以及内嵌式地板下冷却装置的空心混凝土板是这栋建筑的主要特色。通风和供暖系统由建筑管理系统 (building management system，BMS) 控制，同时提供一定程度的使用者控制权，以根据居住者的需求调整条件。

该建筑利用五个垂直竖井作为通风与冷却策略的组成部分。这些烟囱的主要组成部分是朝南的玻璃砖墙、热质墙以及高出屋顶数米的不锈钢圆形排气口。烟囱与弯曲的空心混凝土楼板连接，通过夜间通风进行冷却。嵌入楼板的管道可利用地下水提供额外的冷却效果。

在暖风吹袭的日子，空气会从弯曲的空心混凝土楼板上的通道吸入。通过不锈钢烟囱自然升起的烟囱通风可增强建筑物内的空气流动。空气在烟囱顶部的流动增强了烟囱效应。在温暖、静止的日子里，建筑物主要依靠烟囱效应，而空气则从建筑物北侧的阴凉处排出。烟囱顶部的低能耗风扇也可用于改善气流。

隔夜，控制系统使通风通路通过空心混凝土板，将白天储存的热量排出，第二天仍然保持低温。与平面天花板相比，外露的弧形天花板提供了更大的表面面积，可作为散热片，再次提供夏季冷量。以被动式烟囱的实际性能测量为基础的研究发现，在温暖而寂静的日子里，它们增强了空间的冷却通风效果，而且由于其热量巨大的结构，也可能有助于夜间降温。

被动式下吸式冷却塔

锡安国家公园游客中心的冷却塔提供凉爽的空气。

与太阳能烟囱密切相关的技术是蒸发式下排风冷却塔。在气候炎热干燥的地区，这种方法可能有助于以可持续的方式为建筑物提供空调。

其原理是透过使用蒸发冷却垫或喷洒水，让水在塔顶蒸发。蒸发会冷却进入的空气，造成冷空气下沉，从而降低建筑物内的温度。可在建筑物的对面使用太阳能烟囱来增加气流，以帮助将热空气排放到室外。此概念已用于锡安国家公园的游客中心。访客中心由国家可再生能源实验室的高性能建筑研究部负责设计。

下吸式冷却塔的原理也被提出用于太阳能发电。(更多资讯请参阅能量塔）。非洲马里多贡人（Dogon）建造的托古纳建筑物顶部垫子上的湿气蒸发，让在下面休息的人感到凉爽。位于镇郊的妇女建筑则具有较传统太阳能烟囱的功能。