專利名稱：高能效建筑物的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總體上涉及建筑能量系統(tǒng)，更具體地，本發(fā)明涉及使用煙囪效應(yīng)控制通 風(fēng)和溫度并且在建筑物中發(fā)電。
背景技術(shù)：
常規(guī)的建筑設(shè)計(jì)依賴于動(dòng)力建筑_機(jī)械系統(tǒng)來從建筑物外部對可居住空間進(jìn)行 通風(fēng)。這些常規(guī)的設(shè)計(jì)通常包括定位在建筑物的外表面的動(dòng)力百葉窗，其能夠打開從而 允許空氣進(jìn)入可居住空間用于通風(fēng)、加熱和制冷。通常，動(dòng)力風(fēng)扇抽吸外部空氣，使其 經(jīng)過百葉窗進(jìn)入可居住空間，然后將可居住空間中的空氣排到建筑物外部。這種常規(guī)的 手段需要消耗大量的能量來驅(qū)動(dòng)百葉窗并且對風(fēng)扇供電。需要提高建筑物中的能效。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的方法和系統(tǒng)能夠提高建筑物的能效。太陽輻射對太陽能發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行加 熱，太陽能發(fā)動(dòng)機(jī)沿著建筑物的內(nèi)部豎直排列。太陽能發(fā)動(dòng)機(jī)包括位于太陽能發(fā)動(dòng)機(jī)上 部的熱空氣室以及位于熱空氣室下方的中空部或空心部?？删幼】臻g圍繞中空部的外部 定位，并且朝向建筑部的外部。照射到熱空氣室上的太陽輻射在熱空氣室中產(chǎn)生高溫區(qū) 域。這就產(chǎn)生了煙囪效應(yīng)，其中由于中空部的溫度較低，空氣上升經(jīng)過中空部，導(dǎo)致在 中空部產(chǎn)生負(fù)壓?？諝膺M(jìn)入建筑物的下部并且在太陽能發(fā)動(dòng)機(jī)的作用下被抽吸經(jīng)過中 空部。如果打開位于可居住空間外部的窗戶，則中空部的負(fù)壓導(dǎo)致從建筑物外部經(jīng)過可 居住空間進(jìn)入中空部的無源空氣對流，其中，空氣上升到熱空氣室，然后從建筑物中離 開。這樣使得能夠在不付出能量成本的情況下以自然的方式對可居住空間進(jìn)行制冷和通 風(fēng)。還可以通過將空氣從中空部抽吸到可居住空間，對可居住空間進(jìn)行通風(fēng)。在這 種情況下，可居住空間中的機(jī)械設(shè)備將正在穿過中空部向上運(yùn)動(dòng)的空氣抽吸到可居住空 間中。來自中空部的空氣使可居住空間通風(fēng)并且被排到建筑物外部。位于建筑物下部 的可居住空間可能會(huì)產(chǎn)生高的內(nèi)部載荷并且可能需要在內(nèi)部區(qū)域降溫。當(dāng)空氣沿著可居 住空間的內(nèi)表面流經(jīng)中空部時(shí)，借助與周圍的經(jīng)溫度調(diào)節(jié)的空間的能量傳遞，空氣被預(yù) 熱。與建筑物的外部截然不同，通過抽吸空氣使其流經(jīng)中空部對空氣的預(yù)先溫度調(diào)節(jié)能 夠節(jié)約相當(dāng)多的加熱能量。而且，與流經(jīng)位于建筑物外部的百葉窗(louver)的空氣相 比，來自中空部的空氣提供更為穩(wěn)定的通風(fēng)作用，由于風(fēng)的抽吸力可能超過百葉窗式風(fēng) 扇的外部靜壓，因此建筑物外部的百葉窗容易改變風(fēng)力條件并且經(jīng)常無法吸入空氣。通過在熱空氣室中設(shè)置一個(gè)或多個(gè)太陽光反射器，可以增強(qiáng)煙囪效應(yīng)。太陽輻 射從太陽光反射器上向下反射出來進(jìn)入熱空氣室和中空部。通過使用位于中空部中的額 外的反射器或反射表面，可以進(jìn)一步引導(dǎo)太陽輻射向下進(jìn)入中空部。將太陽能引入中空 部進(jìn)一步加熱中空部中的空氣，導(dǎo)致空氣以更高的速率通過太陽能發(fā)動(dòng)機(jī)并且提高煙囪 效應(yīng)。將光引入中空部還可以有利地對位于中空部周圍的可居住空間的內(nèi)部進(jìn)行照明。這就使得能夠降低用于照明可居住空間的能耗。而且，可以使用定位在太陽能發(fā)動(dòng)機(jī)中的一個(gè)或多個(gè)風(fēng)力渦輪機(jī)將向上運(yùn)動(dòng)通 過太陽能發(fā)動(dòng)機(jī)的空氣的風(fēng)能轉(zhuǎn)換成電能，從而對建筑物供電。因此，本發(fā)明的方法和 系統(tǒng)能夠減少對建筑物進(jìn)行通風(fēng)和產(chǎn)生可以用于對建筑物供電的電力所需的能量。根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)，提供了一種建筑物通風(fēng)系統(tǒng)。所述建筑物通風(fēng)系統(tǒng)包括位于建筑物上部的熱空氣室，熱空氣室在其底部具有熱空氣室入口并且在其頂 部具有熱空氣室出口，熱空氣室的頂部的至少一部分包括透明材料，熱空氣室中的空氣 被經(jīng)由透明材料照射在空氣上的太陽輻射加熱；以及從熱空氣室入口沿著建筑物的內(nèi)部向下豎直延伸的中空部，中空部的側(cè)壁的至 少一部分由可居住空間的內(nèi)墻限定，中空部具有第一中空部開口和第二中空部開口，第 一中空部開口耦聯(lián)至延伸到建筑物外部的外部空氣管道，第二中空部開口經(jīng)由可居住空 間的內(nèi)墻耦聯(lián)至可居住空間，位于中空部中的空氣的溫度低于位于熱空氣室中的空氣的 溫度，因此，中空部中的空氣朝向熱空氣室入口上升并且通過熱空氣室入口，從而相對 于建筑物外部的壓力在中空部中產(chǎn)生負(fù)壓并且導(dǎo)致從建筑物外部抽吸外部空氣使其通過 外部空氣管道進(jìn)入中空部，從中空部上升到熱空氣室中的空氣與熱空氣室中的空氣混 合，至少一部分混合空氣通過熱空氣室出口從熱空氣室中排出。根據(jù)本發(fā)明的方法，提供了用于為建筑物進(jìn)行通風(fēng)的方法。所述方法包括以下 步驟使用照射穿過熱空氣室的透明頂部的太陽輻射對熱空氣室中的空氣進(jìn)行加熱， 熱空氣室位于建筑物上部，熱空氣室在其底部具有熱空氣室入口并且在其頂部具有熱空 氣室出口，中空部從熱空氣室入口沿著建筑物的內(nèi)部向下豎直延伸，中空部的側(cè)壁的至 少一部分由可居住空間的內(nèi)墻限定，中空部具有第一中空部開口和第二中空部開口，第 二中空部開口經(jīng)由可居住空間的內(nèi)墻耦聯(lián)至可居住空間；以及設(shè)置外部空氣管道，外部空氣管道的第一端延伸至建筑物的外部，外部空氣管 道的第二端耦聯(lián)至第一中空部開口，位于中空部中的空氣的溫度低于位于熱空氣室中的 空氣的溫度，因此，中空部中的空氣朝向熱空氣室入口上升并且通過熱空氣室入口，從 而相對于建筑物外部的壓力在中空部中產(chǎn)生負(fù)壓并且導(dǎo)致從建筑物外部抽吸外部空氣使 其通過外部空氣管道進(jìn)入中空部。通過研究后面的附圖和詳細(xì)的描述，本發(fā)明的其他系統(tǒng)、方法、特征和優(yōu)點(diǎn)對 于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言是顯而易見的。所有這些額外的系統(tǒng)、方法、特征和優(yōu)點(diǎn)都包括 在下面的描述范圍中，都包括在本發(fā)明的范圍內(nèi)，并且都受到附圖的保護(hù)。


并入本說明書中并且構(gòu)成本說明書的一部分的附圖示出本發(fā)明的實(shí)施方式，與 后面的描述一起用于解釋本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)和原則。在這些附圖中圖1示出本發(fā)明的建筑物的橫截面圖；圖2示出中空部的俯視橫截面圖；圖3示出建筑物的功能性橫截面圖，顯示空氣使用煙囪效應(yīng)流經(jīng)太陽能發(fā)動(dòng) 機(jī)；
圖4示出常規(guī)的可居住空間的側(cè)視橫截面圖；圖5示出本發(fā)明的可居住空間的側(cè)視橫截面圖；圖6示出帶有反射器的建筑物的橫截面圖；圖7示出帶有替代反射器的建筑物的橫截面圖；圖8示出在中空部頂部帶有風(fēng)力渦輪機(jī)的建筑物的橫截面圖；以及圖9示出圍繞中空部頂部具有風(fēng)力渦輪機(jī)的中空部的俯視橫截面圖。
具體實(shí)施例方式下面將結(jié)合附圖詳細(xì)地描述本發(fā)明的實(shí)施方式。只要可能，在附圖和后面的描 述中，使用相同的附圖標(biāo)記表示相同或相似的部件。本發(fā)明的方法和系統(tǒng)能夠提高建筑物的能效。圖1是本發(fā)明的示例性建筑物100 的立式橫截面圖。示例性建筑物包括位于建筑物下部的多層(層數(shù)1-n)可居住空間102 和位于建筑物上部的冠部(crown) 104?？删幼】臻g102圍繞建筑物外部定位?？删幼】?間102的內(nèi)墻106形成位于建筑物內(nèi)部的中空部108或開放空間的外邊界。在示例性實(shí) 例中，中空部是沿著可居住空間的高度延伸的中庭(atrium)。雖然在示例性實(shí)例中示出 的中空部是沿著可居住空間的整個(gè)高度延伸的，但是，可選擇地，中空部可以在尚未達(dá) 到較低樓層的位置終止。參見圖2，示例性建筑物100具有圓形橫截面。但是，建筑物并不限于這種構(gòu) 造?？蛇x擇地，建筑物可以具有其他橫截面形狀，例如，正方形、矩形，等等，并且可 以在沿著建筑物高度的多個(gè)點(diǎn)具有不同的橫截面形狀。而且，雖然示例性中空部108具 有圓形橫截面并且位于示例性建筑物的中心，但是，中空部可以在建筑物中具有任何形 狀或位置的橫截面。常規(guī)的建筑物設(shè)計(jì)依賴于動(dòng)力建筑物-機(jī)械系統(tǒng)來從建筑物外部向可居住空間 進(jìn)行通風(fēng)。這些常規(guī)的設(shè)計(jì)通常包括定位在建筑物的外表面的動(dòng)力百葉窗，其能夠打開 從而允許空氣進(jìn)入可居住空間用于通風(fēng)、加熱和制冷。通常，動(dòng)力風(fēng)扇抽吸外部空氣， 使其經(jīng)過百葉窗進(jìn)入可居住空間，然后將可居住空間中的空氣排到建筑物外部。這種常 規(guī)的手段需要消耗大量的能量來驅(qū)動(dòng)百葉窗并且對風(fēng)扇供電。本發(fā)明的方法和系統(tǒng)通過 在建筑物內(nèi)部設(shè)置太陽能發(fā)動(dòng)機(jī)從而降低能耗，所述太陽能發(fā)動(dòng)機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)穿過可居住 空間的自然通風(fēng)。參見圖3，冠部104和中空部108的連接空間形成太陽能發(fā)動(dòng)機(jī)302。該示例性 太陽能發(fā)動(dòng)機(jī)用實(shí)線表示。在示例性實(shí)例中，冠部的寬度大于中空部的寬度。因此，空 氣經(jīng)由位于冠部基座中的管道從中空部進(jìn)入冠部。冠部的房頂304的至少一部分包括透 明材料，例如，玻璃、塑料，等等。太陽輻射306加熱冠部的房頂并且穿過透明材料進(jìn) 入冠部，太陽輻射加熱冠部中的空氣，從而相對于中空部形成高溫區(qū)域。因此，在本文 中，冠部稱作熱空氣室308。位于熱空氣室308中的空氣的溫度高于位于中空部中的空氣的溫度。而且，由 于太陽輻射照射位于中空部上部的空氣，因此，位于中空部上部中的空氣的溫度高于位 于中空部下部中的空氣的溫度。這導(dǎo)致空氣朝向中空部頂部上升并且進(jìn)入熱空氣室，從 而在中空部中產(chǎn)生負(fù)壓。中空部中的這一負(fù)壓導(dǎo)致煙囪效應(yīng)，其中來自建筑物外部的空氣310被抽吸經(jīng)過通風(fēng)井，并且可以被抽吸經(jīng)過窗戶、經(jīng)過可居住空間，進(jìn)入中空部。 只要中空部中的空氣的溫度高于外部空氣的溫度，就能夠維持煙囪效應(yīng)。外部空氣通過外部通風(fēng)口 312進(jìn)入建筑物中，并且可以通過位于可居住空間102 中的打開的窗戶314進(jìn)入建筑物中。中空部中的負(fù)壓吸入外部空氣使其通過外部通風(fēng)口 312，然后通過內(nèi)部通風(fēng)口 316進(jìn)入中空部。負(fù)壓還可以吸入外部空氣使其通過一個(gè)或多 個(gè)窗戶314，然后通過內(nèi)部通風(fēng)口 316進(jìn)入中空部。內(nèi)部通風(fēng)口例如可以是內(nèi)部窗戶、管 道、通風(fēng)井開口、墻壁中的空隙、門道，等等。本領(lǐng)域熟練技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，窗戶可 以是任何合適的開口，例如但不限于，外部窗口、管道、通風(fēng)井開口、墻壁中的空隙、 門道，等等。在示例性實(shí)施方式中，窗戶是可閉合的，但是，可選擇地，窗戶可以是永 久打開的。空氣進(jìn)入建筑物的下部并且被中空部中的負(fù)壓向上抽吸通過中空部。熱空氣 經(jīng)由位于冠部中的一個(gè)或多個(gè)排氣口 318從冠部排出。排氣口可以位于冠部的外側(cè)壁、 位于冠部的房頂中，或者位于兩者中。在示例性實(shí)例中，外部通風(fēng)口 312、內(nèi)部通風(fēng)口 316、窗戶314和排氣口 318可 以具有適用于使空氣從建筑物外部流入中空部中的任何尺寸。外部通風(fēng)口 312、內(nèi)部通 風(fēng)口 316、窗戶314和排氣口 318可以具有大于Om的高度和寬度。在實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)外部通 風(fēng)口 312的高度是6.0m并且排氣口的寬度是3.0m時(shí)，過渡季節(jié)的中空部頂部的平均風(fēng) 速為7.0m/s并且冬季的中空部頂部的平均風(fēng)速為7.5m/s。在過渡季節(jié)，環(huán)境空氣溫度 為17°C，建筑物外表面的溫度為20°C，中空部表面的溫度為27°C，冠部內(nèi)表面的溫度為 45°C，并且建筑物房頂?shù)臏囟葹?0°C。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，中空部內(nèi)部的空氣的平均溫度為18°C 至20°C之間，比外部空氣溫度高出1°C至;TC。建筑物冠部的空氣溫度是均勻的高溫，溫 度為20°C至23°C，或者高于環(huán)境空氣溫度。在冬季，環(huán)境空氣溫度為1°C，建筑物外表 面的溫度為5°C，中空部表面的溫度為14°C，冠部內(nèi)表面的溫度為25°C，并且建筑物房 頂?shù)臏囟葹?0°C。當(dāng)空氣在中空部中向上運(yùn)動(dòng)時(shí)，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)其到達(dá)中空部頂部時(shí)， 中空部的空氣溫度提高了 2°C以上。在空氣進(jìn)入熱空氣室之后，溫度又進(jìn)一步提高了 1°C 至2°C。在冬季，外部空氣以大約3.5m/s的速率被吸入外部通風(fēng)口 312中。當(dāng)空氣被中 空部墻壁表面加熱而升溫時(shí)，空氣以9.0m/s的峰速率朝向中空部頂部向上流動(dòng)并且進(jìn)入 熱空氣室。通過實(shí)驗(yàn)和建模，發(fā)明人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)在冠部的外壁中使用特定材料時(shí)，可以 提高冠部的空氣溫度。例如，在實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)冠部墻壁是常用的雙層墻板玻璃窗(double panel glazing)時(shí)，外墻板的反射系數(shù)為0.08，外墻板的吸收率為0.16，內(nèi)墻板的反射系數(shù) 為0.08，內(nèi)墻板的吸收率為0.16。當(dāng)使用吸收性內(nèi)墻板玻璃窗時(shí)，外墻板的反射系數(shù)為 0.08，外墻板的吸收率為0.16，內(nèi)墻板的反射系數(shù)為0.08，內(nèi)墻板的吸收率為0.41。當(dāng)吸 收性內(nèi)墻板玻璃窗具有低輻射率涂層(low-e coating)(例如，具有0.20的低輻射率數(shù)值) 時(shí)，外墻板的反射系數(shù)為0.08，外墻板的吸收率為0.16，內(nèi)墻板的反射系數(shù)為0.08，內(nèi)墻 板的吸收率為0.41。在該實(shí)驗(yàn)中，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，在峰值日照時(shí)數(shù)期間，常用的雙層墻板玻璃窗具有大 約36°C的表面溫度，在峰值日照時(shí)數(shù)期間，吸收性內(nèi)墻板玻璃窗具有大約43°C的表面溫 度，帶有低輻射率涂層的吸收性內(nèi)墻板玻璃窗具有大約44°C的表面溫度。因此，位于設(shè) 置有低輻射率涂層的冠部的吸收性內(nèi)墻板玻璃窗能夠提高冠部的溫度。
而且，可以通過在冠部設(shè)置深色例如黑色的內(nèi)表面來進(jìn)一步提高冠部的溫度。 在實(shí)驗(yàn)中，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)在冠部上使用常用的雙層墻板玻璃窗并且在冠部的中心部分設(shè) 置黑色立式內(nèi)部圓柱體時(shí)，外墻板的反射系數(shù)為0.08，外墻板的吸收率為0.16，外墻板 的表面發(fā)射系數(shù)為0.90，內(nèi)墻板的反射系數(shù)為0.08，內(nèi)墻板的吸收率為0.16，內(nèi)墻板的 表面發(fā)射系數(shù)為0.90;內(nèi)部圓柱體表面的反射系數(shù)為0.10，內(nèi)部圓柱體表面的吸收率為 0.90，內(nèi)部圓柱體表面的表面發(fā)射系數(shù)為0.90。在該實(shí)驗(yàn)中，在峰值日照時(shí)數(shù)期間，常 用的雙層墻板玻璃窗具有大約36°C的表面溫度，黑色內(nèi)部圓柱體具有大約42°C的表面溫 度。當(dāng)吸收性內(nèi)墻板玻璃窗與黑色內(nèi)部圓柱體一起用在中空部中時(shí)，外墻板的反射 系數(shù)為0.08，外墻板的吸收率為0.16，外墻板的表面發(fā)射系數(shù)為0.90，內(nèi)墻板的反射系 數(shù)為0.08，內(nèi)墻板的吸收率為0.41，內(nèi)墻板的表面發(fā)射系數(shù)為0.90;內(nèi)部圓柱體表面的 反射系數(shù)為0.10，內(nèi)部圓柱體表面的吸收率為0.90，內(nèi)部圓柱體表面的表面發(fā)射系數(shù)為 0.90。在該實(shí)驗(yàn)中，在峰值日照時(shí)數(shù)期間，吸收性內(nèi)墻板玻璃窗具有大約40°C的表面溫 度，黑色內(nèi)部圓柱體具有大約42°C的表面溫度。由此，冠部中的吸收性內(nèi)墻板玻璃窗特別是具有低輻射率涂層的吸收性內(nèi)墻板 玻璃窗以及一個(gè)或多個(gè)黑色內(nèi)表面例如內(nèi)部圓柱體在熱空氣室內(nèi)提供更高的空氣溫度， 這增強(qiáng)了煙囪效應(yīng)以及空氣經(jīng)過中空部的運(yùn)動(dòng)。在示例性實(shí)例中，可居住空間的至少一部分內(nèi)墻106包括位于其面對中空部的 側(cè)面上的發(fā)射表面。由此，進(jìn)入中空部的太陽輻射從反射表面上反射出來并且朝下射入 中空部的下部。這樣通過加熱中空部下部的空氣增強(qiáng)了煙囪效應(yīng)。反射表面可以包括 能夠反射太陽輻射的任何合適的材料，所述材料例如但不限于以下至少一種玻璃、塑 料、金屬、涂漆面，等等。圖4是常規(guī)的可居住空間402的橫截面圖。根據(jù)常規(guī)的通風(fēng)操作，通過使用循 環(huán)風(fēng)扇404、機(jī)械通風(fēng)系統(tǒng)406或者地板加熱系統(tǒng)412，為常規(guī)的可居住空間402提供通 風(fēng)和舒適度控制。機(jī)械通風(fēng)系統(tǒng)406包括耦聯(lián)至動(dòng)力加熱、通風(fēng)和空氣調(diào)節(jié)設(shè)備(未示 出)的空氣管道。常規(guī)可居住空間402中的人使用控制啟動(dòng)器410例如墻壁開關(guān)或恒溫 操作器來開啟循環(huán)風(fēng)扇404或者機(jī)械通風(fēng)系統(tǒng)406。當(dāng)開啟循環(huán)風(fēng)扇404或者機(jī)械通風(fēng) 系統(tǒng)406時(shí)，房間空氣循環(huán)流通。機(jī)械通風(fēng)系統(tǒng)406還可以為房間提供加熱的或者經(jīng)溫 度調(diào)節(jié)的空氣。還可以開啟地板414中的加熱系統(tǒng)412來加熱房間。由此，常規(guī)的可居 住空間402需要消耗能量來運(yùn)轉(zhuǎn)循環(huán)風(fēng)扇404、機(jī)械通風(fēng)系統(tǒng)406和地板加熱系統(tǒng)412， 從而對房間進(jìn)行通風(fēng)、加熱和制冷。外部空氣可以通過窗戶408進(jìn)入常規(guī)的可居住空間 402。但是，與本發(fā)明的方法和系統(tǒng)不同，不是使用太陽能發(fā)動(dòng)機(jī)將空氣引入常規(guī)的可居 住空間402或者將空氣從常規(guī)的可居住空間402抽出的。根據(jù)本發(fā)明的方法和系統(tǒng)，在中空部中產(chǎn)生的煙囪效應(yīng)有利地提供通過可居住 空間的自然通風(fēng)。這允許可居住空間能夠自然地通風(fēng)、制冷和加熱，而能量成本降低或 者沒有能量成本。圖5是本發(fā)明的示例性可居住空間102的橫截面圖。可居住空間102 包括位于建筑物外側(cè)的窗戶314以及形成進(jìn)入中空部的管道的內(nèi)部通風(fēng)口 316。當(dāng)打開位 于可居住空間外側(cè)的窗戶314時(shí)，中空部的負(fù)壓導(dǎo)致空氣310從建筑物外部通過可居住空 間進(jìn)入中空部的無源對流通風(fēng)，空氣上升到熱空氣中然后從建筑物排出。這使得能夠在不付出能量成本的情況下對可居住空間進(jìn)行自然地制冷和通風(fēng)。例如可以借助循環(huán)風(fēng)扇502、機(jī)械通風(fēng)系統(tǒng)504以及位于地板508下方的地板加 熱系統(tǒng)506增加對可居住空間102的通風(fēng)和舒適度控制?？梢允褂锰娲幕蛘哳~外的通 風(fēng)和舒適度控制系統(tǒng)。例如，可居住空間102中的人可以使用控制操作器510來開啟循環(huán) 風(fēng)扇502或機(jī)械通風(fēng)系統(tǒng)504中的至少一個(gè)，從而進(jìn)一步對房間中的空氣進(jìn)行制冷。可 選擇地，此人可以使用控制操作器510來開啟地板加熱系統(tǒng)506或機(jī)械通風(fēng)系統(tǒng)504中的 至少一個(gè)，從而對房間中的空氣進(jìn)行加熱。在示例性實(shí)例中，控制操作器例如是墻壁開 關(guān)、恒溫器，等等，其以機(jī)械或電氣方式耦聯(lián)至控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)可以操作循環(huán)風(fēng)扇 502、機(jī)械通風(fēng)系統(tǒng)504和地板加熱系統(tǒng)506中的至少之一。控制操作器510還可以分別啟動(dòng)排風(fēng)扇512、窗戶314中的風(fēng)口 514和516，以 及內(nèi)部通風(fēng)口 316。在示例性實(shí)例中，控制操作器510可以關(guān)閉循環(huán)風(fēng)扇502、機(jī)械通風(fēng) 系統(tǒng)504和地板加熱系統(tǒng)506 ；開啟排風(fēng)扇512以及風(fēng)口 514和516。這樣使得能夠借助 太陽能發(fā)動(dòng)機(jī)抽吸自然風(fēng)通過房間，排風(fēng)扇512協(xié)助將空氣吸入中空部108中。此時(shí)， 只有排氣扇512是消耗能量的，房間是空氣對流的并且可以被外部空氣加熱和制冷?？?選擇地，可以關(guān)閉排風(fēng)扇512，使得能夠僅僅利用太陽能發(fā)動(dòng)機(jī)的吸力在不消耗能量的情 況下對房間進(jìn)行制冷和通風(fēng)。在本發(fā)明的實(shí)施方式中，壓力傳感器518可以監(jiān)測房間壓力并且在房間和中空 部采用壓差。如果房間壓力下降到低于預(yù)定臨界值或者低于中空部壓力的水平，壓力傳 感器可以向機(jī)械通風(fēng)系統(tǒng)504發(fā)送信號(hào)使其開啟從而迫使空氣進(jìn)入房間。這樣相對于中 空部產(chǎn)生正壓并且有助于煙囪效應(yīng)。可選擇地，機(jī)械通風(fēng)系統(tǒng)504可以改變其速率從而 在房間內(nèi)保持大于中空部壓力的特定壓力。還可以通過將空氣從中空部吸出，使其通過內(nèi)部通風(fēng)口 316并且進(jìn)入可居住空 間102，從而對可居住空間102進(jìn)行通風(fēng)。例如可以在冬季當(dāng)外部建筑物外立面關(guān)閉時(shí)進(jìn) 行這種操作。在這種情況下，排風(fēng)扇512和機(jī)械通風(fēng)系統(tǒng)504中的至少一個(gè)可以抽吸空 氣，使其向上運(yùn)動(dòng)經(jīng)過中空部進(jìn)入可居住空間。來自中空部的空氣使可居住空間通風(fēng)并 且被排放到建筑物外部或者被排放到機(jī)械通風(fēng)系統(tǒng)。位于建筑物下部的可居住空間可能會(huì)產(chǎn)生高的內(nèi)部載荷并且可能需要在內(nèi)部區(qū) 域降溫。當(dāng)空氣沿著可居住空間的內(nèi)表面流經(jīng)中空部時(shí)，借助與周圍的經(jīng)溫度調(diào)節(jié)的空 間的能量傳遞，空氣被預(yù)熱。與建筑物的外部截然不同，通過抽吸空氣使其流經(jīng)中空部 對空氣的預(yù)先溫度調(diào)節(jié)能夠節(jié)約相當(dāng)多的加熱能量。而且，與流經(jīng)位于建筑物外部的百 葉窗的空氣相比，來自中空部的空氣提供更為穩(wěn)定的通風(fēng)作用，由于風(fēng)的抽吸力可能超 過百葉窗式風(fēng)扇的外部靜壓，因此建筑物外部的百葉窗容易改變風(fēng)力條件并且經(jīng)常無法 吸入空氣。參見圖6，通過在建筑物冠部設(shè)置一個(gè)或多個(gè)太陽光反射器602，可以增強(qiáng)煙囪 效應(yīng)。太陽輻射從冠部表面反射出來，照射在太陽光反射器上，太陽光反射器引導(dǎo)太陽 輻射進(jìn)入中空部。由此，太陽輻射沿著通常無法進(jìn)入中空部的方向從冠部反射出來，通 過被太陽光反射器反射，太陽輻射被引導(dǎo)進(jìn)入中空部中。由此，太陽光反射器與冠部的 反射表面一起形成向日系統(tǒng)(heliostatic system)，其引導(dǎo)太陽輻射進(jìn)入中空部。太陽光反射器622具有反射表面604，反射表面604包含一種或多種反射材料，例如，一個(gè)或多個(gè)鏡子、玻璃、金屬，等等。在圖6示出的示例性實(shí)例中，反射表面604 具有大體拋物線形狀并且包括多個(gè)鏡體截面(mirrorsection),這些鏡體截面裝配在一起形成反射表面。反射表面可以具有替代形狀 或取向，例如圖7所示的取向，等等?？梢赃x擇太陽光反射器的反射表面，以提供特定 的反射角。例如，具有較大角度的反射表面的反射器可以引導(dǎo)太陽輻射更遠(yuǎn)地向下射入 中空部。這在圖7的示例性實(shí)例中示出，其中，太陽光反射器702具有反射表面704，相 比于圖6的示例性太陽光反射器，反射表面704引導(dǎo)太陽輻射更遠(yuǎn)地向下射入中空部。可以使用一種或多種反射材料例如一個(gè)或多個(gè)鏡子、玻璃、金屬，等等來處理 冠部的表面。而且，可以使用控制系統(tǒng)人工地或者自動(dòng)地調(diào)節(jié)冠部的一個(gè)或多個(gè)表面， 從而調(diào)節(jié)冠部表面的角度，以使更多的光線反射到太陽光反射器上。太陽輻射從太陽光反射器向下反射進(jìn)入熱空氣室和中空部。通過在中空部使用 一個(gè)或多個(gè)額外的反射器或反射表面，可以引導(dǎo)太陽輻射更遠(yuǎn)地向下射入中空部。例 如，可居住空間102的面對中空部的一個(gè)或多個(gè)墻壁可以具有窗戶或者帶鏡體的表面， 所述窗戶或者帶鏡體的表面向下反射光線使其進(jìn)入中空部。在另一個(gè)示例性實(shí)例中，中 空部的至少一部分墻壁上可以涂布反光色，例如，白色、銀色或金色，從而向下反射光 線使其進(jìn)入中空部。將太陽能引入中空部能夠進(jìn)一步加熱中空部的空氣，導(dǎo)致空氣以更 高的速率經(jīng)過太陽能發(fā)動(dòng)機(jī)，從而增強(qiáng)煙@效應(yīng)。將光線引入中空部還能夠有利地對位于中空部周圍的可居住空間的內(nèi)部進(jìn)行照 明。例如，一個(gè)或多個(gè)可居住空間可以在中空部附近具有窗戶或開放管道，其引導(dǎo)光線 進(jìn)入可居住空間。這樣能夠降低用于照明可居住空間的能耗。當(dāng)空氣朝向中空部頂部上升時(shí)，空氣與更熱的空氣混合并且運(yùn)動(dòng)速率提高。如 圖8所示，位于中空部的頂部出口周圍的風(fēng)力渦輪機(jī)802在這種運(yùn)動(dòng)的空氣中旋轉(zhuǎn)，驅(qū) 動(dòng)發(fā)電機(jī)，將機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能。在示例性實(shí)例中，風(fēng)力渦輪機(jī)是由Windsideof Finland制造。但是，可以使用替代的風(fēng)力渦輪機(jī)。在示例性實(shí)例中，風(fēng)力渦輪機(jī)是水平布置的，其第一端耦聯(lián)至位于中空部頂部 邊緣的側(cè)壁，其相對端耦聯(lián)至位于中空部頂部的天花板804。天花板804是至少部分透明 的或者具有從中穿過的一個(gè)或多個(gè)管道，從而允許太陽輻射通過天花板進(jìn)入中空部。在 示例性實(shí)例中，天花板包括允許太陽光通過而進(jìn)入中空部的支撐玻璃板。每個(gè)風(fēng)力渦輪機(jī)都包括可以圍繞其水平軸線旋轉(zhuǎn)的葉片。當(dāng)熱空氣流過風(fēng)力渦 輪機(jī)的葉片時(shí)，風(fēng)力渦輪機(jī)圍繞其水平軸線旋轉(zhuǎn)。風(fēng)力渦輪機(jī)具有機(jī)械地耦聯(lián)至發(fā)電機(jī) 806的輪軸。當(dāng)風(fēng)力渦輪機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)，它的輪軸旋轉(zhuǎn)，進(jìn)而導(dǎo)致發(fā)電機(jī)將輪軸的機(jī)械能轉(zhuǎn)化 為電能。圖9示出向下觀察圍繞中空部108頂部定位的多個(gè)示例性風(fēng)力渦輪機(jī)802的俯視 圖。如圖所示，每個(gè)風(fēng)力渦輪機(jī)的第一端耦聯(lián)至安裝在中空部的頂部邊緣的側(cè)壁附近的 發(fā)電機(jī)806，其相對端耦聯(lián)至天花板804。示例性天花板804基本上是實(shí)心的。因此，當(dāng) 空氣上升通過中空部時(shí)，其被迫通過中空部側(cè)壁106和天花板804之間的空間。因此， 至少一部分空氣運(yùn)動(dòng)通過一個(gè)或多個(gè)風(fēng)力渦輪機(jī)，導(dǎo)致風(fēng)力渦輪機(jī)旋轉(zhuǎn)并且在發(fā)電機(jī)中 發(fā)電。發(fā)出的電可以用作建筑物的電源。因此，本發(fā)明的方法和系統(tǒng)能夠減少對建筑物 進(jìn)行通風(fēng)和產(chǎn)生可以用于對建筑物供電的電力所需的能量。
已經(jīng)為了示例和描述給出了關(guān)于本發(fā)明的實(shí)施方式的上述描述。上述描述不是 詳盡的，本發(fā)明并不限于所公開的精確形式。在上述教導(dǎo)的基礎(chǔ)上，改進(jìn)和變化是可行 的，或者可以從本發(fā)明的實(shí)踐中獲得改進(jìn)和變化。例如，所描述的實(shí)施方式包括軟件， 但是該實(shí)施方式可以作為硬件和軟件的組合或者單獨(dú)硬件的形式來實(shí)施?？梢允褂媚康?導(dǎo)向的以及非目的導(dǎo)向的編程系統(tǒng)實(shí)施本發(fā)明。本發(fā)明的范圍由權(quán)利要求書以及其等同 方案限定。
權(quán)利要求
1.一種建筑物通風(fēng)系統(tǒng)，所述建筑物通風(fēng)系統(tǒng)包括位于建筑物上部的熱空氣室，熱空氣室在其底部具有熱空氣室入口并且在其頂部具 有熱空氣室出口，熱空氣室的頂部的至少一部分包括透明材料，熱空氣室中的空氣被經(jīng) 由透明材料照射在空氣上的太陽輻射加熱；以及從熱空氣室入口沿著建筑物的內(nèi)部向下豎直延伸的中空部，中空部的側(cè)壁的至少 一部分由可居住空間的內(nèi)墻限定，中空部具有第一中空部開口和第二中空部開口，第一 中空部開口耦聯(lián)至延伸到建筑物外部的外部空氣管道，第二中空部開口經(jīng)由可居住空間 的內(nèi)墻耦聯(lián)至可居住空間，位于中空部中的空氣的溫度低于位于熱空氣室中的空氣的溫 度，因此，中空部中的空氣朝向熱空氣室入口上升并且通過熱空氣室入口，從而相對于 建筑物外部的壓力在中空部中產(chǎn)生負(fù)壓并且導(dǎo)致從建筑物外部抽吸外部空氣使其通過外 部空氣管道進(jìn)入中空部，從中空部上升到熱空氣室中的空氣與熱空氣室中的空氣混合， 至少一部分混合空氣通過熱空氣室出口從熱空氣室中排出。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的建筑物通風(fēng)系統(tǒng)，其中，相對于建筑物外部壓力的中空部中 的負(fù)壓導(dǎo)致從建筑物外部抽吸外部空氣通過可居住空間并且經(jīng)由第二中空部開口進(jìn)入中 空部。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的建筑物通風(fēng)系統(tǒng)，其中，中空部中的一部分空氣經(jīng)由第二中 空部開口進(jìn)入可居住空間，從而向可居住空間提供流通空氣和熱空氣中的一種。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的建筑物通風(fēng)系統(tǒng)，其進(jìn)一步包括位于建筑物頂部的反射器， 所述反射器將太陽輻射反射到熱空氣室中，通過所述反射器反射到熱空氣室中的太陽輻 射提高熱空氣室中的空氣的溫度。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的建筑物通風(fēng)系統(tǒng)，其中，所述反射器將太陽輻射反射到中空 部中，通過所述反射器反射到中空部中的太陽輻射提高中空部中的空氣的溫度。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的建筑物通風(fēng)系統(tǒng)，其中，熱空氣室包括熱空氣室反射器，所 述熱空氣室反射器將太陽輻射反射到所述反射器上。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的建筑物通風(fēng)系統(tǒng)，其進(jìn)一步包括位于熱空氣室入口的至少一 個(gè)風(fēng)力渦輪機(jī)，所述風(fēng)力渦輪機(jī)具有沿著熱空氣室入口水平排列的輪軸并且具有至少一 個(gè)葉片，當(dāng)來自中空部的空氣在其進(jìn)入熱空氣室的路徑上接觸所述葉片時(shí)，所述葉片與 所述輪軸一起旋轉(zhuǎn)；以及，機(jī)械地耦聯(lián)至所述輪軸的發(fā)電機(jī)，所述發(fā)電機(jī)將來自旋轉(zhuǎn)輪 軸的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為為建筑物供電的電能。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的建筑物通風(fēng)系統(tǒng)，其中，中空部的側(cè)壁的至少一部分包括反 射表面，所述反射表面將太陽輻射向下反射到中空部中。
9.一種為建筑物進(jìn)行通風(fēng)的方法，所述方法包括以下步驟使用照射穿過熱空氣室的透明頂部的太陽輻射對熱空氣室中的空氣進(jìn)行加熱，熱空 氣室位于建筑物上部，熱空氣室在其底部具有熱空氣室入口并且在其頂部具有熱空氣室 出口，中空部從熱空氣室入口沿著建筑物的內(nèi)部向下豎直延伸，中空部的側(cè)壁的至少一 部分由可居住空間的內(nèi)墻限定，中空部具有第一中空部開口和第二中空部開口，第二中 空部開口經(jīng)由可居住空間的內(nèi)墻耦聯(lián)至可居住空間；以及設(shè)置外部空氣管道，外部空氣管道的第一端延伸至建筑物的外部，外部空氣管道的 第二端耦聯(lián)至第一中空部開口，位于中空部中的空氣的溫度低于位于熱空氣室中的空氣的溫度，因此，中空部中的空氣朝向熱空氣室入口上升并且通過熱空氣室入口，從而相 對于建筑物外部的壓力在中空部中產(chǎn)生負(fù)壓并且導(dǎo)致從建筑物外部抽吸外部空氣使其通 過外部空氣管道進(jìn)入中空部。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其中，相對于建筑物外部壓力的中空部中的負(fù)壓導(dǎo) 致從建筑物外部抽吸外部空氣通過可居住空間并且經(jīng)由第二中空部開口進(jìn)入中空部。
11.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其中，中空部中的一部分空氣經(jīng)由第二中空部開口 進(jìn)入可居住空間，從而向可居住空間提供流通空氣和熱空氣中的一種。
12.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其中，位于建筑物頂部的反射器將太陽輻射反射到 熱空氣室中，通過所述反射器反射到熱空氣室中的太陽輻射提高熱空氣室中的空氣的溫 度。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其中，所述反射器將太陽輻射反射到中空部中，通 過所述反射器反射到中空部中的太陽輻射提高中空部中的空氣的溫度。
14.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其中，熱空氣室包括熱空氣室反射器，所述熱空氣 室反射器將太陽輻射反射到所述反射器上。
15.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其進(jìn)一步包括以下步驟通過以下步驟發(fā)電設(shè)置位于熱空氣室入口的至少一個(gè)風(fēng)力渦輪機(jī)，所述風(fēng)力渦輪機(jī)具有沿著熱空氣室 入口水平排列的輪軸并且具有至少一個(gè)葉片，當(dāng)來自中空部的空氣在其進(jìn)入熱空氣室的 路徑上接觸所述葉片時(shí)，所述葉片與所述輪軸一起旋轉(zhuǎn)；以及，設(shè)置機(jī)械地耦聯(lián)至所述輪軸的發(fā)電機(jī)，所述發(fā)電機(jī)將來自旋轉(zhuǎn)輪軸的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為 為建筑物供電的電能。
16.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其中，中空部的側(cè)壁的至少一部分包括反射表面， 所述反射表面將太陽輻射向下反射到中空部中。
全文摘要
太陽輻射對太陽能發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行加熱，太陽能發(fā)動(dòng)機(jī)沿著建筑物的內(nèi)部豎直排列。太陽能發(fā)動(dòng)機(jī)包括位于太陽能發(fā)動(dòng)機(jī)上部的熱空氣室以及位于熱空氣室下方的中空部。可居住空間圍繞中空部的外部定位，并且朝向建筑部的外部。照射到熱空氣室上的太陽輻射在熱空氣室中產(chǎn)生高溫區(qū)域。這就產(chǎn)生了煙囪效應(yīng)，其中由于中空部的溫度較低，空氣上升經(jīng)過中空部，導(dǎo)致在中空部產(chǎn)生負(fù)壓?？諝膺M(jìn)入建筑物的下部并且在太陽能發(fā)動(dòng)機(jī)的作用下被抽吸經(jīng)過中空部。
文檔編號(hào)F24F7/02GK102016435SQ200980116127
公開日2011年4月13日 申請日期2009年5月4日 優(yōu)先權(quán)日2008年5月4日
發(fā)明者克里斯托弗·P·庫珀, 威廉·F·貝克, 尼古拉斯·霍爾特, 羅杰·尤金三世·弗雷謝特 申請人:Som設(shè)計(jì)事務(wù)所, 尼古拉斯·霍爾特