一種城市局部氣候調節建筑系統及其氣動設計方法
【專利摘要】一種可以對城市局部氣候進行調節的高層建筑。通過在建筑中心設置天井，并將天井下端通過通風道與地面外部熱空氣聯通。由于熱空氣的密度小，受到浮力的作用，可以在天井內形成自下而上的持續流動，不斷將地面熱空氣排向高空。同時，市郊與高空的清潔冷空氣會補充到城市的空氣中，實現城市局部氣候的調節。在通風道內安裝渦輪，利用通風進行發電，可以節省建筑的能源消耗。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節建筑系統及其氣動設計方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種可以對城市局部氣候進行調節的高層建筑，具體的講是通過在建筑中心設置天井，并將天井下端通過通風道與地面外部熱空氣聯通，使天井內形成自下而上的持續流動，不斷將地面熱空氣排向高空，實現城市局部氣候調節；同時在通風道內安裝渦輪，在通風的同時實現發電功能。
【背景技術】
[0002]在大氣層中，人類居住在對流層中。對流層中的溫度自下而上逐漸降低，這是因為地面吸收太陽輻照能量的能力較空氣強。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動的趨勢。在自然環境中，地面附近熱空氣的這種自下而上的運動是隨機的、分散。通過一個較高的煙?，能夠形成一個穩定的通道，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，煙囪內的流動越快。為了合理利用城市用地，可將煙?與建筑結合起來設計，即在建筑中心設置天井來代替煙囪，并利用連接在天井下段的通風道吸收地面熱空氣，形成一個持續的流動。隨著城市的發展，城市的能耗也越來越高，這導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充進來，減低城市的地面附近氣溫。與此同時，空氣的這種流動還能夠帶走城市產生的廢氣、粉塵等有害物質，從而達到調節城市局部氣候的目的。

【發明內容】

[0003]本發明為一種可以對城市局部氣候進行調節的高層建筑系統，以下簡稱“氣候調節系統”，并且能夠實現發電的功能，其結構如圖1所示。其特征為:氣候調節系統內部有一豎直天井，天井截面形狀不限，天井內壁做隔熱處理；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 ;通風道處于地下，處于地下的深度不限；通風道截面形狀不限，截面最大尺寸為D ;通風道進風口伸出地面，進風口設置閥門Vl ;進風口到天井的距離為B，其長度視建筑區域大小、形狀而定；通風道壁面做隔熱處理，隔熱處理的方式不限，隔熱效果越好，氣候調節系統的工作效率越高；通風道中部設置一收縮擴展段，該收縮擴展段的喉部為圓形，半徑為R，用于安裝渦輪；渦輪半徑可表示為Rt=QciR;通風道經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;通風道可有多個，其數量N的適宜范圍為2~20個；所有通風道進口截面面積之和為A1，保證A1≥A2 ;為降低渦輪設計成本，所有通道內渦輪半徑相同；外部建筑結構不限。
[0004]該氣候調節建筑僅限在白天晴天工作，其工作過程為:當太陽出來后，1、打開通風道進風口閥門Vl及天井上端出口閥門V2,并保持渦輪制動；2、啟動流動,啟動措施為利用鼓風機沿流動方向吹入熱空氣或地面空氣，吹入熱空氣的效果更佳，吹風通道的位置及鼓風機的安裝形式不限；3、待天井內出現持續流動后關閉鼓風機；4、待天井內流速穩定并達到渦輪的啟動流速Vci后啟動渦輪,渦輪開始發電；5、待天黑地面冷卻后制動渦輪,并關閉通風道進風口閥門Vl及天井上端出口閥門V2 ;6、若夜晚為晴天時，第二天可跳過第2、3步。
[0005]其氣動相關參數的設計方法為:天井出口到地面的距離H為關鍵參數，其設計范圍可取200~1000m ;天井上端出口面積A2=C1.H2，C1的設計范圍為0.0001~0.05內任意可取，可由建筑設計師根據需求選定；定義ΛΡ為流動驅動壓力，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為市郊氣溫，單位K，Tg為市內氣溫，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;通風道喉部風速，即渦輪的設計流速為V= ε.SQRT[(2AP) / (3p)]，其中，P為熱空氣的密度，可根據實際市內地面溫度Tg查表得到，單位Kg / m3, ε=βΑ2 / (NjiRt2),式中β為損失系數，根據天井內障礙物的情況，取值范圍可選為0.5~0.99;調整渦輪半徑Rt，使系數ε的取值范圍在1.0~3.0之間；根據公式Rt= a 0R得通風道喉部半徑R, a ^的取值范圍為0.95~0.99 ;渦輪前后設計壓差為dp=2AP / 3;以得到的渦輪設計流速V與前后壓差dp為基本設計要求，可以進行不同的渦輪設計。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0006]圖1是發明的結構示意圖，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為吹風通道,8為鼓風機,9為彎管，10為進風口導流罩，11為進風口截面，12為閥門VI，13為通風道，14為通風道喉部，15為喉部截面形狀。 【具體實施方式】
[0007]如圖1所示，首先根據建筑建造地區的地質條件或設計能力確定建筑高度，如設計建筑高H=500m，即天井高500m，H處于200~1000m的范圍內。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C1=0.0064，處于0.0001~0.05的范圍內。天井下端截面為正方形，邊長50m,即A3=2500m2,A3A2。通風道處于地下20m至40m,其截面為長方形，寬50m，高25m，其最大尺寸D=50m ;通風道進風口伸出地面，進風口設置閥門VI，通風道進風口與天井之間的距離B=200m，以獲取更大范圍的熱空氣。通風道中部設置一收縮擴展段，該收縮擴展段的喉部為圓形，半徑為R，用于安裝渦輪，其值待定。通風道通過一段圓弧彎道伸入天井中，伸入天井長度L=30m，L>0.?。通風道、彎管與天井壁面都做玻璃棉+鋁箔的隔熱處理。通風道數量N=2，兩個通風道尺寸完全相同，每個進風口為矩形，長50m，寬25米，面積1250m2，兩個進風口總面積A1=UsOXZ=ZSOOm2，A1 > A20當市郊地面溫度1=251:，即298K，市內地面溫度Tg=40°C，即313K，地面大氣壓為標準大氣壓 PQ=101325Pa，重力加速度 g=9.8m / s2，常量 α =0.006, RQ=287.06，根據公式 Δ P=P0-PhEXP[(gH) / (TgR0)]及 Ph=P0[(Τ0-αΗ) / T0] ~ [g / ( a R。)]，得驅動壓力 AP=307Pa。查表得40°C熱空氣密度P=L 128Kg / m3，損失系數β取0.8，通風道收縮擴張段的喉部直徑取&=10111，根據公式 V=e * SQRT [ (2 Δ P) / (3 P )]及 ε=βΑ2 / (N π Rt2)，得喉部風速為27.44m / s，此時ε取值為2.0，在1.0~3.0的范圍內；取系數α 0=0.98，得通風道喉部半徑R=Rt / a 0=10.2m0渦輪前后設計壓差為dp=2 Λ P / 3=204.7Pa。渦輪的啟動流速V。視渦輪的具體設計方法而定，這里采用空載啟動的方法，根據經驗，Vtl=OAV~13.7m / S。
[0008]在建筑的一層保留一條通風道，如圖1所示。通風道直徑取5m，通風道伸入天井段長度取20米。在晴朗的白天，太陽出來后，啟動氣候調節系統。啟動步驟為:1、打開通風道進風口閥門Vl及天井上端出口閥門V2，并保持渦輪制動；2、啟動流動，利用鼓風機沿流動方向吹入地面空氣；3、待天井內出現持續流動后關閉鼓風機；4、待天井內流速穩定并達到渦輪的啟動流速Vci后啟動渦輪,渦輪開始發電；5、待天黑地面冷卻后制動渦輪,并關閉通風道進風口閥門Vl及天井上端出口閥門V2 ;6、若夜晚為晴天時，第二天可跳過第2、3步。
【權利要求】
1.本發明為一種可以對城市局部氣候進行調節的高層建筑系統，以下簡稱“氣候調節系統”，并且能夠實現發電的功能，其結構特征為:氣候調節系統內部有一豎直天井，天井內壁做隔熱處理；天井出口到地面的距離為天井上端出口設置閥門V2，其截面面積為天井下端截面面積為4，A3^A2 ;通風道處于地下，截面最大尺寸為D ;通風道進風口伸出地面，進風口設置閥門Vl ;進風口到天井的距離為通風道壁面做隔熱處理；通風道中部設置收縮擴展段，該收縮擴展段的喉部為圓形，半徑為A用于安裝渦輪；渦輪半徑可表示為通風道經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 ;通風道可有多個，其數量#的適宜范圍為2~20個；所有通風道進口截面面積之和為為，保證為^^ ;為降低渦輪設計成本，所有通道內渦輪半徑相同。
2.如權利要求1所述的氣候調節系統，其僅限在白天晴天工作，其工作過程為:當太陽出來后，1、打開通風道進風口閥門Vl及天井上端出口閥門V2，并保持渦輪制動；2、啟動流動，啟動措施為利用鼓風機沿流動方向吹入熱空氣或地面空氣；3、待天井內出現持續流動后關閉鼓風機；4、待天井內流速穩定并達到渦輪的啟動流速K,后啟動渦輪，渦輪開始發電；.5、待天黑地面冷卻后制動渦輪，并關閉通風道進風口閥門Vl及天井上端出口閥門V2 ;6、若夜晚為晴天時，第二天可跳過第2、3步。
3.如權利要求1所述的氣候調節系統，其氣動相關參數的設計方法為:天井出口到地面的距離"為關鍵參數，其設計范圍可取20(Tl000m;天井上端出口面積4 = C1 H2, C1的設計范圍為0.0001~0.05 ;流動驅動壓力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；為市郊氣溫，單位K，7；為市內氣溫，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 ;通風道喉部風速，即渦輪的設計流速為K= ε SQRT [ (2Λ0 / (3/?)]，其中，P為熱空氣的密度，可根據實際市內地面溫度7；查表得到，單位Kg/m3，ε=βΑ2 / OV^/)，式中盧為損失系數，取值范圍可選為.0.5^0.99 ;調整渦輪半徑冬，使系數ε的取值范圍在1.0-3.0之間；根據公式&= σ #可得通風道喉部半徑W，a 0的取值范圍為0.95、.99 ;渦輪前后設計壓差為dp:2 AP/30
【文檔編號】E04F17/04GK103741932SQ201310707400
【公開日】2014年4月23日 申請日期:2013年12月20日 優先權日:2013年12月20日
【發明者】周軍偉, 王政玉, 王大政 申請人:哈爾濱工業大學（威海）