一种城市局部气候调节建筑系统及其气动设计方法
【专利摘要】一种可以对城市局部气候进行调节的高层建筑。通过在建筑中心设置天井，并将天井下端通过通风道与地面外部热空气联通。由于热空气的密度小，受到浮力的作用，可以在天井内形成自下而上的持续流动，不断将地面热空气排向高空。同时，市郊与高空的清洁冷空气会补充到城市的空气中，实现城市局部气候的调节。在通风道内安装涡轮，利用通风进行发电，可以节省建筑的能源消耗。在能耗较大的城市，由于地面温度更高，因而热空气密度更低，受到的浮力更大，使天井内的流速更快，带来更高的涡轮功率。
【专利说明】一种城市局部气候调节建筑系统及其气动设计方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种可以对城市局部气候进行调节的高层建筑，具体的讲是通过在建筑中心设置天井，并将天井下端通过通风道与地面外部热空气联通，使天井内形成自下而上的持续流动，不断将地面热空气排向高空，实现城市局部气候调节；同时在通风道内安装涡轮，在通风的同时实现发电功能。
【背景技术】
[0002]在大气层中，人类居住在对流层中。对流层中的温度自下而上逐渐降低，这是因为地面吸收太阳辐照能量的能力较空气强。在太阳的辐照下，地面附近空气变热，密度降低，因而在浮力的作用下有向高空运动的趋势。在自然环境中，地面附近热空气的这种自下而上的运动是随机的、分散。通过一个较高的烟?，能够形成一个稳定的通道，使热空气源源不断的通过烟囱排向高空。地面空气越热，热空气的浮力则越大，烟囱内的流动越快。为了合理利用城市用地，可将烟?与建筑结合起来设计，即在建筑中心设置天井来代替烟囱，并利用连接在天井下段的通风道吸收地面热空气，形成一个持续的流动。随着城市的发展，城市的能耗也越来越高，这导致城市地面的气温较市郊更高。热空气沿天井排出后，高空及市郊的冷空气随之补充进来，减低城市的地面附近气温。与此同时，空气的这种流动还能够带走城市产生的废气、粉尘等有害物质，从而达到调节城市局部气候的目的。
【发明内容】
[0003]本发明为一种可以对城市局部气候进行调节的高层建筑系统，以下简称“气候调节系统”，并且能够实现发电的功能，其结构如图1所示。其特征为:气候调节系统内部有一竖直天井，天井截面形状不限，天井内壁做隔热处理；天井出口到地面的距离为H;天井上端出口设置阀门V2，其截面面积为A2 ;天井下端截面面积为A3，保证A3 ^ A2 ;通风道处于地下，处于地下的深度不限；通风道截面形状不限，截面最大尺寸为D ;通风道进风口伸出地面，进风口设置阀门Vl ;进风口到天井的距离为B，其长度视建筑区域大小、形状而定；通风道壁面做隔热处理，隔热处理的方式不限，隔热效果越好，气候调节系统的工作效率越高；通风道中部设置一收缩扩展段，该收缩扩展段的喉部为圆形，半径为R，用于安装涡轮；涡轮半径可表示为Rt=QciR;通风道经由一段弯管通入天井中，弯管截面形状及弯曲形状不限，弯管壁面做隔热处理；弯管伸入天井端出口要保证竖直向上，其伸入天井段的长度为L，保证L > 0.5D;通风道可有多个，其数量N的适宜范围为2~20个；所有通风道进口截面面积之和为A1，保证A1≥A2 ;为降低涡轮设计成本，所有通道内涡轮半径相同；外部建筑结构不限。
[0004]该气候调节建筑仅限在白天晴天工作，其工作过程为:当太阳出来后，1、打开通风道进风口阀门Vl及天井上端出口阀门V2,并保持涡轮制动；2、启动流动,启动措施为利用鼓风机沿流动方向吹入热空气或地面空气，吹入热空气的效果更佳，吹风通道的位置及鼓风机的安装形式不限；3、待天井内出现持续流动后关闭鼓风机；4、待天井内流速稳定并达到涡轮的启动流速Vci后启动涡轮,涡轮开始发电；5、待天黑地面冷却后制动涡轮,并关闭通风道进风口阀门Vl及天井上端出口阀门V2 ;6、若夜晚为晴天时，第二天可跳过第2、3步。
[0005]其气动相关参数的设计方法为:天井出口到地面的距离H为关键参数，其设计范围可取200~1000m ;天井上端出口面积A2=C1.H2，C1的设计范围为0.0001~0.05内任意可取，可由建筑设计师根据需求选定；定义ΛΡ为流动驱动压力，其大小为AP=Pc1-PhEXP [ (gH) / (TgR0)]，单位 Pa，式中 Ph=P0 [ (T0- α H) /T0] ~ [g / ( a R0)]，涉及变量分别为=P0为大气压，单位Pa，Ttl为市郊气温，单位K，Tg为市内气温，单位K，α为常量，取值0.006，g为重力加速度，单位m / s2，Rtl为常量，取值287.06;通风道喉部风速，即涡轮的设计流速为V= ε.SQRT[(2AP) / (3p)]，其中，P为热空气的密度，可根据实际市内地面温度Tg查表得到，单位Kg / m3, ε=βΑ2 / (NjiRt2),式中β为损失系数，根据天井内障碍物的情况，取值范围可选为0.5~0.99;调整涡轮半径Rt，使系数ε的取值范围在1.0~3.0之间；根据公式Rt= a 0R得通风道喉部半径R, a ^的取值范围为0.95~0.99 ;涡轮前后设计压差为dp=2AP / 3;以得到的涡轮设计流速V与前后压差dp为基本设计要求，可以进行不同的涡轮设计。
【专利附图】
【附图说明】
[0006]图1是发明的结构示意图，图中I为天井出口截面，2为出口阀门V2，3为天井，4为建筑，5为弯管出口，6为天井下端截面，7为吹风通道,8为鼓风机,9为弯管，10为进风口导流罩，11为进风口截面，12为阀门VI，13为通风道，14为通风道喉部，15为喉部截面形状。 【具体实施方式】
[0007]如图1所示，首先根据建筑建造地区的地质条件或设计能力确定建筑高度，如设计建筑高H=500m，即天井高500m，H处于200~1000m的范围内。天井上端出口截面选取为正方形，边长40m，即出口面积A2=1600m2，此时C1=0.0064，处于0.0001~0.05的范围内。天井下端截面为正方形，边长50m,即A3=2500m2,A3A2。通风道处于地下20m至40m,其截面为长方形，宽50m，高25m，其最大尺寸D=50m ;通风道进风口伸出地面，进风口设置阀门VI，通风道进风口与天井之间的距离B=200m，以获取更大范围的热空气。通风道中部设置一收缩扩展段，该收缩扩展段的喉部为圆形，半径为R，用于安装涡轮，其值待定。通风道通过一段圆弧弯道伸入天井中，伸入天井长度L=30m，L>0.?。通风道、弯管与天井壁面都做玻璃棉+铝箔的隔热处理。通风道数量N=2，两个通风道尺寸完全相同，每个进风口为矩形，长50m，宽25米，面积1250m2，两个进风口总面积A1=UsOXZ=ZSOOm2，A1 > A20当市郊地面温度1=251:，即298K，市内地面温度Tg=40°C，即313K，地面大气压为标准大气压 PQ=101325Pa，重力加速度 g=9.8m / s2，常量 α =0.006, RQ=287.06，根据公式 Δ P=P0-PhEXP[(gH) / (TgR0)]及 Ph=P0[(Τ0-αΗ) / T0] ~ [g / ( a R。)]，得驱动压力 AP=307Pa。查表得40°C热空气密度P=L 128Kg / m3，损失系数β取0.8，通风道收缩扩张段的喉部直径取&=10111，根据公式 V=e * SQRT [ (2 Δ P) / (3 P )]及 ε=βΑ2 / (N π Rt2)，得喉部风速为27.44m / s，此时ε取值为2.0，在1.0~3.0的范围内；取系数α 0=0.98，得通风道喉部半径R=Rt / a 0=10.2m0涡轮前后设计压差为dp=2 Λ P / 3=204.7Pa。涡轮的启动流速V。视涡轮的具体设计方法而定，这里采用空载启动的方法，根据经验，Vtl=OAV~13.7m / S。
[0008]在建筑的一层保留一条通风道，如图1所示。通风道直径取5m，通风道伸入天井段长度取20米。在晴朗的白天，太阳出来后，启动气候调节系统。启动步骤为:1、打开通风道进风口阀门Vl及天井上端出口阀门V2，并保持涡轮制动；2、启动流动，利用鼓风机沿流动方向吹入地面空气；3、待天井内出现持续流动后关闭鼓风机；4、待天井内流速稳定并达到涡轮的启动流速Vci后启动涡轮,涡轮开始发电；5、待天黑地面冷却后制动涡轮,并关闭通风道进风口阀门Vl及天井上端出口阀门V2 ;6、若夜晚为晴天时，第二天可跳过第2、3步。
【权利要求】
1.本发明为一种可以对城市局部气候进行调节的高层建筑系统，以下简称“气候调节系统”，并且能够实现发电的功能，其结构特征为:气候调节系统内部有一竖直天井，天井内壁做隔热处理；天井出口到地面的距离为天井上端出口设置阀门V2，其截面面积为天井下端截面面积为4，A3^A2 ;通风道处于地下，截面最大尺寸为D ;通风道进风口伸出地面，进风口设置阀门Vl ;进风口到天井的距离为通风道壁面做隔热处理；通风道中部设置收缩扩展段，该收缩扩展段的喉部为圆形，半径为A用于安装涡轮；涡轮半径可表示为通风道经由一段弯管通入天井中，弯管壁面做隔热处理；弯管伸入天井端出口要保证竖直向上，其伸入天井段的长度为Ζ，保证Z>0.W ;通风道可有多个，其数量#的适宜范围为2~20个；所有通风道进口截面面积之和为為，保证為^^ ;为降低涡轮设计成本，所有通道内涡轮半径相同。
2.如权利要求1所述的气候调节系统，其仅限在白天晴天工作，其工作过程为:当太阳出来后，1、打开通风道进风口阀门Vl及天井上端出口阀门V2，并保持涡轮制动；2、启动流动，启动措施为利用鼓风机沿流动方向吹入热空气或地面空气；3、待天井内出现持续流动后关闭鼓风机；4、待天井内流速稳定并达到涡轮的启动流速K,后启动涡轮，涡轮开始发电；.5、待天黑地面冷却后制动涡轮，并关闭通风道进风口阀门Vl及天井上端出口阀门V2 ;6、若夜晚为晴天时，第二天可跳过第2、3步。
3.如权利要求1所述的气候调节系统，其气动相关参数的设计方法为:天井出口到地面的距离"为关键参数，其设计范围可取20(Tl000m;天井上端出口面积4 = C1 H2, C1的设计范围为0.0001~0.05 ;流动驱动压力LP的大小可由公式LP = P0 Ph EXP[ igM)/ (.Τβ0) '与Ph 二 P。I {Τ。 a B /Τ0Υ\β / (ff A)]计算得到，单位Pa，涉及变量分别为A为大气压，单位Pa，7；为市郊气温，单位K，7；为市内气温，单位K，a为常量，取值.0.006，^为重力加速度，单位m/s2，怂为常量，取值287.06 ;通风道喉部风速，即涡轮的设计流速为K= ε SQRT [ (2Λ0 / (3/?)]，其中，P为热空气的密度，可根据实际市内地面温度7；查表得到，单位Kg/m3，ε=βΑ2 / OV^/)，式中卢为损失系数，取值范围可选为.0.5^0.99 ;调整涡轮半径冬，使系数ε的取值范围在1.0-3.0之间；根据公式&= σ #可得通风道喉部半径W，a 0的取值范围为0.95、.99 ;涡轮前后设计压差为dp:2 AP/30
【文档编号】E04F17/04GK103741932SQ201310707400
【公开日】2014年4月23日 申请日期:2013年12月20日 优先权日:2013年12月20日
【发明者】周军伟, 王政玉, 王大政 申请人:哈尔滨工业大学（威海）