一種城市局部氣候調(diào)節(jié)建筑系統(tǒng)及其氣動(dòng)設(shè)計(jì)方法
【專利摘要】一種可以對(duì)城市局部氣候進(jìn)行調(diào)節(jié)的高層建筑。通過在建筑中心設(shè)置天井，并將天井下端通過通風(fēng)道與地面外部熱空氣聯(lián)通。由于熱空氣的密度小，受到浮力的作用，可以在天井內(nèi)形成自下而上的持續(xù)流動(dòng)，不斷將地面熱空氣排向高空。同時(shí)，市郊與高空的清潔冷空氣會(huì)補(bǔ)充到城市的空氣中，實(shí)現(xiàn)城市局部氣候的調(diào)節(jié)。在通風(fēng)道內(nèi)安裝渦輪，利用通風(fēng)進(jìn)行發(fā)電，可以節(jié)省建筑的能源消耗。在能耗較大的城市，由于地面溫度更高，因而熱空氣密度更低，受到的浮力更大，使天井內(nèi)的流速更快，帶來更高的渦輪功率。
【專利說明】一種城市局部氣候調(diào)節(jié)建筑系統(tǒng)及其氣動(dòng)設(shè)計(jì)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種可以對(duì)城市局部氣候進(jìn)行調(diào)節(jié)的高層建筑，具體的講是通過在建筑中心設(shè)置天井，并將天井下端通過通風(fēng)道與地面外部熱空氣聯(lián)通，使天井內(nèi)形成自下而上的持續(xù)流動(dòng)，不斷將地面熱空氣排向高空，實(shí)現(xiàn)城市局部氣候調(diào)節(jié)；同時(shí)在通風(fēng)道內(nèi)安裝渦輪，在通風(fēng)的同時(shí)實(shí)現(xiàn)發(fā)電功能。
【背景技術(shù)】
[0002]在大氣層中，人類居住在對(duì)流層中。對(duì)流層中的溫度自下而上逐漸降低，這是因?yàn)榈孛嫖仗栞椪漳芰康哪芰^空氣強(qiáng)。在太陽的輻照下，地面附近空氣變熱，密度降低，因而在浮力的作用下有向高空運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì)。在自然環(huán)境中，地面附近熱空氣的這種自下而上的運(yùn)動(dòng)是隨機(jī)的、分散。通過一個(gè)較高的煙?，能夠形成一個(gè)穩(wěn)定的通道，使熱空氣源源不斷的通過煙囪排向高空。地面空氣越熱，熱空氣的浮力則越大，煙囪內(nèi)的流動(dòng)越快。為了合理利用城市用地，可將煙?與建筑結(jié)合起來設(shè)計(jì)，即在建筑中心設(shè)置天井來代替煙囪，并利用連接在天井下段的通風(fēng)道吸收地面熱空氣，形成一個(gè)持續(xù)的流動(dòng)。隨著城市的發(fā)展，城市的能耗也越來越高，這導(dǎo)致城市地面的氣溫較市郊更高。熱空氣沿天井排出后，高空及市郊的冷空氣隨之補(bǔ)充進(jìn)來，減低城市的地面附近氣溫。與此同時(shí)，空氣的這種流動(dòng)還能夠帶走城市產(chǎn)生的廢氣、粉塵等有害物質(zhì)，從而達(dá)到調(diào)節(jié)城市局部氣候的目的。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明為一種可以對(duì)城市局部氣候進(jìn)行調(diào)節(jié)的高層建筑系統(tǒng)，以下簡稱“氣候調(diào)節(jié)系統(tǒng)”，并且能夠?qū)崿F(xiàn)發(fā)電的功能，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。其特征為:氣候調(diào)節(jié)系統(tǒng)內(nèi)部有一豎直天井，天井截面形狀不限，天井內(nèi)壁做隔熱處理；天井出口到地面的距離為H;天井上端出口設(shè)置閥門V2，其截面面積為A2 ;天井下端截面面積為A3，保證A3 ^ A2 ;通風(fēng)道處于地下，處于地下的深度不限；通風(fēng)道截面形狀不限，截面最大尺寸為D ;通風(fēng)道進(jìn)風(fēng)口伸出地面，進(jìn)風(fēng)口設(shè)置閥門Vl ;進(jìn)風(fēng)口到天井的距離為B，其長度視建筑區(qū)域大小、形狀而定；通風(fēng)道壁面做隔熱處理，隔熱處理的方式不限，隔熱效果越好，氣候調(diào)節(jié)系統(tǒng)的工作效率越高；通風(fēng)道中部設(shè)置一收縮擴(kuò)展段，該收縮擴(kuò)展段的喉部為圓形，半徑為R，用于安裝渦輪；渦輪半徑可表示為Rt=QciR;通風(fēng)道經(jīng)由一段彎管通入天井中，彎管截面形狀及彎曲形狀不限，彎管壁面做隔熱處理；彎管伸入天井端出口要保證豎直向上，其伸入天井段的長度為L，保證L > 0.5D;通風(fēng)道可有多個(gè)，其數(shù)量N的適宜范圍為2~20個(gè)；所有通風(fēng)道進(jìn)口截面面積之和為A1，保證A1≥A2 ;為降低渦輪設(shè)計(jì)成本，所有通道內(nèi)渦輪半徑相同；外部建筑結(jié)構(gòu)不限。
[0004]該氣候調(diào)節(jié)建筑僅限在白天晴天工作，其工作過程為:當(dāng)太陽出來后，1、打開通風(fēng)道進(jìn)風(fēng)口閥門Vl及天井上端出口閥門V2,并保持渦輪制動(dòng)；2、啟動(dòng)流動(dòng),啟動(dòng)措施為利用鼓風(fēng)機(jī)沿流動(dòng)方向吹入熱空氣或地面空氣，吹入熱空氣的效果更佳，吹風(fēng)通道的位置及鼓風(fēng)機(jī)的安裝形式不限；3、待天井內(nèi)出現(xiàn)持續(xù)流動(dòng)后關(guān)閉鼓風(fēng)機(jī)；4、待天井內(nèi)流速穩(wěn)定并達(dá)到渦輪的啟動(dòng)流速Vci后啟動(dòng)渦輪,渦輪開始發(fā)電；5、待天黑地面冷卻后制動(dòng)渦輪,并關(guān)閉通風(fēng)道進(jìn)風(fēng)口閥門Vl及天井上端出口閥門V2 ;6、若夜晚為晴天時(shí)，第二天可跳過第2、3步。
[0005]其氣動(dòng)相關(guān)參數(shù)的設(shè)計(jì)方法為:天井出口到地面的距離H為關(guān)鍵參數(shù)，其設(shè)計(jì)范圍可取200~1000m ;天井上端出口面積A2=C1.H2，C1的設(shè)計(jì)范圍為0.0001~0.05內(nèi)任意可取，可由建筑設(shè)計(jì)師根據(jù)需求選定；定義ΛΡ為流動(dòng)驅(qū)動(dòng)壓力，其大小為AP=Pc1-PhEXP [ (gH) / (TgR0)]，單位 Pa，式中 Ph=P0 [ (T0- α H) /T0] ~ [g / ( a R0)]，涉及變量分別為=P0為大氣壓，單位Pa，Ttl為市郊?xì)鉁兀瑔挝籏，Tg為市內(nèi)氣溫，單位K，α為常量，取值0.006，g為重力加速度，單位m / s2，Rtl為常量，取值287.06;通風(fēng)道喉部風(fēng)速，即渦輪的設(shè)計(jì)流速為V= ε.SQRT[(2AP) / (3p)]，其中，P為熱空氣的密度，可根據(jù)實(shí)際市內(nèi)地面溫度Tg查表得到，單位Kg / m3, ε=βΑ2 / (NjiRt2),式中β為損失系數(shù)，根據(jù)天井內(nèi)障礙物的情況，取值范圍可選為0.5~0.99;調(diào)整渦輪半徑Rt，使系數(shù)ε的取值范圍在1.0~3.0之間；根據(jù)公式Rt= a 0R得通風(fēng)道喉部半徑R, a ^的取值范圍為0.95~0.99 ;渦輪前后設(shè)計(jì)壓差為dp=2AP / 3;以得到的渦輪設(shè)計(jì)流速V與前后壓差dp為基本設(shè)計(jì)要求，可以進(jìn)行不同的渦輪設(shè)計(jì)。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0006]圖1是發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖，圖中I為天井出口截面，2為出口閥門V2，3為天井，4為建筑，5為彎管出口，6為天井下端截面，7為吹風(fēng)通道,8為鼓風(fēng)機(jī),9為彎管，10為進(jìn)風(fēng)口導(dǎo)流罩，11為進(jìn)風(fēng)口截面，12為閥門VI，13為通風(fēng)道，14為通風(fēng)道喉部，15為喉部截面形狀。 【具體實(shí)施方式】
[0007]如圖1所示，首先根據(jù)建筑建造地區(qū)的地質(zhì)條件或設(shè)計(jì)能力確定建筑高度，如設(shè)計(jì)建筑高H=500m，即天井高500m，H處于200~1000m的范圍內(nèi)。天井上端出口截面選取為正方形，邊長40m，即出口面積A2=1600m2，此時(shí)C1=0.0064，處于0.0001~0.05的范圍內(nèi)。天井下端截面為正方形，邊長50m,即A3=2500m2,A3A2。通風(fēng)道處于地下20m至40m,其截面為長方形，寬50m，高25m，其最大尺寸D=50m ;通風(fēng)道進(jìn)風(fēng)口伸出地面，進(jìn)風(fēng)口設(shè)置閥門VI，通風(fēng)道進(jìn)風(fēng)口與天井之間的距離B=200m，以獲取更大范圍的熱空氣。通風(fēng)道中部設(shè)置一收縮擴(kuò)展段，該收縮擴(kuò)展段的喉部為圓形，半徑為R，用于安裝渦輪，其值待定。通風(fēng)道通過一段圓弧彎道伸入天井中，伸入天井長度L=30m，L>0.?。通風(fēng)道、彎管與天井壁面都做玻璃棉+鋁箔的隔熱處理。通風(fēng)道數(shù)量N=2，兩個(gè)通風(fēng)道尺寸完全相同，每個(gè)進(jìn)風(fēng)口為矩形，長50m，寬25米，面積1250m2，兩個(gè)進(jìn)風(fēng)口總面積A1=UsOXZ=ZSOOm2，A1 > A20當(dāng)市郊地面溫度1=251:，即298K，市內(nèi)地面溫度Tg=40°C，即313K，地面大氣壓為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓 PQ=101325Pa，重力加速度 g=9.8m / s2，常量 α =0.006, RQ=287.06，根據(jù)公式 Δ P=P0-PhEXP[(gH) / (TgR0)]及 Ph=P0[(Τ0-αΗ) / T0] ~ [g / ( a R。)]，得驅(qū)動(dòng)壓力 AP=307Pa。查表得40°C熱空氣密度P=L 128Kg / m3，損失系數(shù)β取0.8，通風(fēng)道收縮擴(kuò)張段的喉部直徑取&=10111，根據(jù)公式 V=e * SQRT [ (2 Δ P) / (3 P )]及 ε=βΑ2 / (N π Rt2)，得喉部風(fēng)速為27.44m / s，此時(shí)ε取值為2.0，在1.0~3.0的范圍內(nèi)；取系數(shù)α 0=0.98，得通風(fēng)道喉部半徑R=Rt / a 0=10.2m0渦輪前后設(shè)計(jì)壓差為dp=2 Λ P / 3=204.7Pa。渦輪的啟動(dòng)流速V。視渦輪的具體設(shè)計(jì)方法而定，這里采用空載啟動(dòng)的方法，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，Vtl=OAV~13.7m / S。
[0008]在建筑的一層保留一條通風(fēng)道，如圖1所示。通風(fēng)道直徑取5m，通風(fēng)道伸入天井段長度取20米。在晴朗的白天，太陽出來后，啟動(dòng)氣候調(diào)節(jié)系統(tǒng)。啟動(dòng)步驟為:1、打開通風(fēng)道進(jìn)風(fēng)口閥門Vl及天井上端出口閥門V2，并保持渦輪制動(dòng)；2、啟動(dòng)流動(dòng)，利用鼓風(fēng)機(jī)沿流動(dòng)方向吹入地面空氣；3、待天井內(nèi)出現(xiàn)持續(xù)流動(dòng)后關(guān)閉鼓風(fēng)機(jī)；4、待天井內(nèi)流速穩(wěn)定并達(dá)到渦輪的啟動(dòng)流速Vci后啟動(dòng)渦輪,渦輪開始發(fā)電；5、待天黑地面冷卻后制動(dòng)渦輪,并關(guān)閉通風(fēng)道進(jìn)風(fēng)口閥門Vl及天井上端出口閥門V2 ;6、若夜晚為晴天時(shí)，第二天可跳過第2、3步。
【權(quán)利要求】
1.本發(fā)明為一種可以對(duì)城市局部氣候進(jìn)行調(diào)節(jié)的高層建筑系統(tǒng)，以下簡稱“氣候調(diào)節(jié)系統(tǒng)”，并且能夠?qū)崿F(xiàn)發(fā)電的功能，其結(jié)構(gòu)特征為:氣候調(diào)節(jié)系統(tǒng)內(nèi)部有一豎直天井，天井內(nèi)壁做隔熱處理；天井出口到地面的距離為天井上端出口設(shè)置閥門V2，其截面面積為天井下端截面面積為4，A3^A2 ;通風(fēng)道處于地下，截面最大尺寸為D ;通風(fēng)道進(jìn)風(fēng)口伸出地面，進(jìn)風(fēng)口設(shè)置閥門Vl ;進(jìn)風(fēng)口到天井的距離為通風(fēng)道壁面做隔熱處理；通風(fēng)道中部設(shè)置收縮擴(kuò)展段，該收縮擴(kuò)展段的喉部為圓形，半徑為A用于安裝渦輪；渦輪半徑可表示為通風(fēng)道經(jīng)由一段彎管通入天井中，彎管壁面做隔熱處理；彎管伸入天井端出口要保證豎直向上，其伸入天井段的長度為Ζ，保證Z>0.W ;通風(fēng)道可有多個(gè)，其數(shù)量#的適宜范圍為2~20個(gè)；所有通風(fēng)道進(jìn)口截面面積之和為為，保證為^^ ;為降低渦輪設(shè)計(jì)成本，所有通道內(nèi)渦輪半徑相同。
2.如權(quán)利要求1所述的氣候調(diào)節(jié)系統(tǒng)，其僅限在白天晴天工作，其工作過程為:當(dāng)太陽出來后，1、打開通風(fēng)道進(jìn)風(fēng)口閥門Vl及天井上端出口閥門V2，并保持渦輪制動(dòng)；2、啟動(dòng)流動(dòng)，啟動(dòng)措施為利用鼓風(fēng)機(jī)沿流動(dòng)方向吹入熱空氣或地面空氣；3、待天井內(nèi)出現(xiàn)持續(xù)流動(dòng)后關(guān)閉鼓風(fēng)機(jī)；4、待天井內(nèi)流速穩(wěn)定并達(dá)到渦輪的啟動(dòng)流速K,后啟動(dòng)渦輪，渦輪開始發(fā)電；.5、待天黑地面冷卻后制動(dòng)渦輪，并關(guān)閉通風(fēng)道進(jìn)風(fēng)口閥門Vl及天井上端出口閥門V2 ;6、若夜晚為晴天時(shí)，第二天可跳過第2、3步。
3.如權(quán)利要求1所述的氣候調(diào)節(jié)系統(tǒng)，其氣動(dòng)相關(guān)參數(shù)的設(shè)計(jì)方法為:天井出口到地面的距離"為關(guān)鍵參數(shù)，其設(shè)計(jì)范圍可取20(Tl000m;天井上端出口面積4 = C1 H2, C1的設(shè)計(jì)范圍為0.0001~0.05 ;流動(dòng)驅(qū)動(dòng)壓力LP的大小可由公式LP = P0 Ph EXP[ igM)/ (.Τβ0) '與Ph 二 P。I {Τ。 a B /Τ0Υ\β / (ff A)]計(jì)算得到，單位Pa，涉及變量分別為A為大氣壓，單位Pa，7；為市郊?xì)鉁?，單位K，7；為市內(nèi)氣溫，單位K，a為常量，取值.0.006，^為重力加速度，單位m/s2，慫為常量，取值287.06 ;通風(fēng)道喉部風(fēng)速，即渦輪的設(shè)計(jì)流速為K= ε SQRT [ (2Λ0 / (3/?)]，其中，P為熱空氣的密度，可根據(jù)實(shí)際市內(nèi)地面溫度7；查表得到，單位Kg/m3，ε=βΑ2 / OV^/)，式中盧為損失系數(shù)，取值范圍可選為.0.5^0.99 ;調(diào)整渦輪半徑冬，使系數(shù)ε的取值范圍在1.0-3.0之間；根據(jù)公式&= σ #可得通風(fēng)道喉部半徑W，a 0的取值范圍為0.95、.99 ;渦輪前后設(shè)計(jì)壓差為dp:2 AP/30
【文檔編號(hào)】E04F17/04GK103741932SQ201310707400
【公開日】2014年4月23日 申請(qǐng)日期:2013年12月20日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月20日
【發(fā)明者】周軍偉, 王政玉, 王大政 申請(qǐng)人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)（威海）