CN101263774A - 地球止暖降温生态复古综合治理系统工程 - Google Patents

Abstract

可有效制止地球增温和使沙漠化地区逐渐恢复植被的系统工程。它利用太阳能、风能和生物能替代矿物燃料，减排绝大部分CO₂；通过圈养或半圈养反刍动物，水稻改早稻和采用隔风安全采煤采气法收集利用CH₄；以生物肥料替代化学氮肥以减少土壤产生N₂O，从而使温室气体从源头上减少排放量。通过提供最佳的植物生长条件，以促使植物高效率地光合作用，以及使沙漠区改善气候，恢复植被，从而消耗和固定大量的CO₂，减少大气中的CO₂浓度。以太阳能为居室和庭院环境以及大田温室的唯一能源。以太阳能和风能制造紊流，以防治沙漠化。以低价格生物柴油和生物乙醇供交通和火电厂等所有目前使用矿物燃料的部门，从而减排90％的二氧化碳。

Description

地球止暖降温生态复古综合治理系统工程

本发明应用地球生态科学、环境工程科学、现代天气学、设施农业、生物肥料学等学科，综合治理近年地球持续气候变暖的严重问题，使地球由增温转为逐年降温，使干旱地区的沙漠化进程逐渐逆转为气候潮湿，植被恢复，最终使地球重现古代生态环境。

联合国政府间气候变化专门委员会(IPCC)于2007年2日发表第四份气候变化评估报告得出结论：气候变暖已经是毫无争议的事实。专家们预测，从现在起到2100年，全球平均气温的可能升高幅度是1.8℃～4℃，海平面升高18cm～59cm。气候的这种变化将造成严重灾害：天灾，水资源危机，夏天热浪频发，岛国和沿海区被淹，生物链被打乱，传染病肆虐；社会经济发展受害。阻止地球增温甚至使它降温，已是保证地球安全、人类安全的刻不容缓的大事。IPCC的评估报告刚发表，欧盟等国家表示要在目前的基础上减排CO₂20％。英国企业家Branson设立维京地球科学奖，，鼓励科学家为减排温室气体而献计献策……。

地球增温的主要原因是大气中温室气体的增加。近代人们大量使用矿物燃料，它产生的CO₂占温室气体的60％。产生CO₂的人类活动主要为火力发电、交通和采暖空调等。甲烷(CH₄)占温室气体的20％，但它的温室效应是CO₂的20倍。CH₄主要由水稻田等湿地产生，还有反刍动物的胃。一氧化二氮(N₂O)主要由土壤产生，产生量与土壤中施用的化肥量成正比，它的温室效应是CO₂的100倍。如果用太阳能、生物燃料等替代煤和石油，用生物肥料替代化肥，使温室气体少产生，或在源头收集利用(如CH₄)就足以使地球大气不再升温。

地球增温的另一原因是生物链中碳循环受人为的破坏。例如，据2006年的研究报告，印尼每年排干和焚烧湿地植物所产生的CO₂高达20亿t，排放量已升至全球第三。植物在成长过程要吸收CO₂，但湿地、热带雨林和草原由于过度开发，它们的植物正在减少、消失，吸收CO₂的功能也在减弱、消亡。如果能恢复湿地、雨林和草原，使中断的碳循环恢复到工业革命前，则地球温度从目前的升温变为逐渐降温是有可能的。

植物的光合作用效率是由温度、湿度、光照以及土壤中的矿物成分和有机质等生长因素决定的。若在设施农业中，针对其种植植物种类的需要将上述生长因素给予全面、最佳地满足，则在单位面积内这种植物所消耗的CO₂和能制造出的碳水化合物就都会成几倍的增加。若这种植物是生物燃料的原料，则其减少温室效应的作用将更为突出。最近报导，用甜高梁秸杆生产燃料乙醇100万t，可减排CO₂300万t。可见在设施农业种植生物燃料的原料作物，可以省地、高产量、低成本，它所产生物燃料当然是低成本的。这样的生物燃料是可以取代目前的各种矿物燃料的，包括用于交通和火电。这样，在前述几种降低温室气体的条件下，再有生物燃料的广泛使用，使地球降温是有把握的。

现在大家都关心对风沙灾害的防治，方法主要是植树造林。但在风沙源地以人为方法制造旋风(紊流)以防治沙漠化生态灾害，有更大更多的优点，甚至可以改造当地的气候，恢复千百年来丧失的植被。世界沙漠化、半荒漠的面积占陆地面积的很大比例，仅中国就有沙化土地174万km²。如果它们一旦有植被，每年消耗CO₂将达千万亿吨。这时人们将有能力调控大气中CO₂的浓度，即有效控制地球的温度了。

本发明是这样的：

一、在各气候带、城镇建筑群推广负能耗全节省环境空调(专利号：200610104358.4、200610145534.9、2006101419993.X)，这样可使全球减少20％以上的CO₂排放量。这种负能耗全节省环境空调(见附图1、图2和图3)是这样实施的。

图1是四合院式的楼群的平面图。其中1为北楼，2为南楼，3为西(厢房)楼，4为东厢房)楼。各楼均高在7层以上，层多不限。南北楼间距在30米以内(不必因楼层增高而加大楼间距)；东、西(厢房)楼间距尽可能大，可以大到1000米左右。这四个楼构成一个特殊的现代四合院，北楼之北可以根据需要仿此四合院再建3’4’和1’楼，构成第二个四合院……。5为出入大门(设有大型自动门)，在夏、冬季必要时，它可有效阻隔院内外空气的流通(热交换)。大门直通小桥8，左右拐弯则可连通大院内半环形行车道6。7为院内行车道进南楼内各住户的人行道。(北楼的门在北边，图中没画它和行人道等。)8为小桥。9为其下的水池(有池边、无池底，以便蓄水和渗水)。10为天井，东西端各一个(四合院东西长度大，可增加天井数)，位于顶棚，可关启。A为绿荫墙，它由常绿观赏草木本植物组成，由水池往东(西)，依次种植香蒲草、草莓、菊花、冬青、扁柏、松树和芭蕉林(或类似的草木本植物)；它们由矮到高，形成一堵严实的绿荫屏障(附图2右侧的直立矩形块A示绿荫屏障)，冬可防冷风直入(冷风沉入池9中)，夏可阻热风直入(引热风上窜，由天井10排到顶棚外)。B为四合院之间的通道，在一层。在东、西水池9之间可视院的东、西长度，设1-几个健身区和花坛。北楼1之南可栽杆花树墙，南楼2之北可栽耐阴矮棵苔藓草。所有树草都选常绿的，选多年生和深根的；都是无毒的、耐涝的和高光合作用的，是有极高生态作用的。它们均要适合当地的土质及四合院的温度和湿度。

附图2为附图1的w(西)——E(东)向剖面示意图。图中，3为(西厢)楼，4为(东厢)楼。5为两楼位置的大门。8为小桥。9为水池。10为天井，它的开关可控制院内空气流通和温度。11为塑料光导块阵列。12为其下的光伏电池板阵列。13为光导块和光伏电池板构成的顶棚窗户，它可以调控阳光和风流。14为公用卧式圆柱体半温水箱，其半温水由21热水井供给(见附图3)。这半温水由屋顶光导块加热后在重力的作用下经水管15自流到各住户的水箱16。17为水箱16的出水管，它将热水输送到淋浴器和洗碗池位置，供人使用(设旁路阀门)，即开即用，不用等待，不浪费热水；下与楼出水管19连接。18为水箱的溢流管，当水位将满水箱时它将溢流水流到楼出水管19。由光缆能将阳光全方位的、几乎全效的传输到任何方向和位置。从这四合院和楼之上，能吸收进院内的和楼内的阳光远大于未经光导块和光缆时接收的辐射能(详见“太阳能高效采集与全方位传输技术”)。附图2中，①为光导块在楼顶的端面。②为光缆。③为光缆中的一部分光缆束向各楼层内投射的阳光，其光线直射各楼层内的水箱16。④为楼的南墙面的光导块。它能在冬季太阳很低的条件下，将全部阳光引入室内；在夏季太阳很高时将阳光拒在室外。图中箭头示阳光射向，虚线箭头示阳光在空气中的射向。水箱16内层为吸热导热材料，阳光射到它上面会进一步加热水箱中的水，直到50℃(这是足以杀灭绝大部分微生物，如军团菌的水温)，使水合乎卫生要求。当水温达到50℃时由挡板将阳光挡住。水箱16上有可滑动盖，它可以控制热水的蒸发量以调控室内的相对湿度。楼内的所有水管均用PPR塑料管，其隔热性能良好，不需包绝热材料。图3为说明书附图1的S(南)——N(北)向剖面示意图。图中1为北楼，2为南楼，6为行人道(高出绿地地面300mm)。11为光导块阵列。12为光伏电池板阵列。图中光伏电池板12处于非工作状态(垂直位置，角度为零)。光伏电池板可在开关统一控制下旋转0°～90°，以遮挡其上面的光导块传入的阳光的0％～100％，实现光伏电池可变的发电量，并入电网。在冬季旋转角度在10°左右，以使大部分的阳光为楼内和院内供热，并照射土壤，使土壤贮热，而很少发电。在夏季需要阳光很少，为避免楼内和院内的阳光过多，可将光伏电池板转到80°左右，这余下的20％左右为院内照明和供植物光合作用用。因为光导块的数值孔径远大于光纤本身的直径，又很少反射，所以，它送到院内的总光能将大大超过楼和院的面积在自然条件下所接受的阳光辐射量。在冬季的夜晚和阴雨天，光伏电池板转到90°，即它与光导块背面重合，起到很好的保温作用。两楼的北面的光缆作用与图2的一样即①②③是将楼顶的光导块阵列的光引入到楼内；④则将楼2墙外的阳光由光导块引入室内。或将院上方光导块阵列投放到院内北部的阳光由楼1的南墙的光导块将其引入楼内(光导块11出光面和光缆④之间通过空气)。该楼最下的几层，由于投射角较小、反射强，故光照较弱，可增加其北墙光缆的投射量。由于光缆的传输阳光，不同位置，不同朝向，不同楼层的光照量可以相同。所以建筑物也就没有冬夏和阴阳面之分；四季常温，阴面的也常有太阳光。

上述可转动的光伏电池板起到了遮阳板的作用。由于光伏电池原料我国全仗进口，价格昂贵，在建房初期可暂用绝热塑料板替代，即暂不光伏发电。

图3中的14是每个楼的共用半温水箱，它由楼西端到楼东端，黑色、横卧、圆柱状，位于光导块阵列之下。其上为光导块，它将阳光直射这个黑色水箱14，使水增温。楼回水管19，将水经总回水管20，流向热水贮水井21(供热水井)。22(在图幅外左边，远处)为流向冷水回灌水井的水管，由它在冬季将冷水送往冷水回灌大井23(在图外)，蓄冷备夏季降温用。在我国北部，冬季供热需要大量热量(占全部建筑耗能的60％--90％以上)，但本技术能够提供足够的热量。夏季气温不高，通过四合院式“空调”等措施可以达到满意的夏季室温和院内温度。所以每年夏天将有光伏发电入网(这可供住户照明、炊事、洗涤、音响等使用)，实现空调负能耗。在中部，本技术的四季供热能力均有较大的富余，即光伏电池板阵列将有较大的电力并网；并网电力即使在冬季也可达相当数量。在南方，即使冬季供热时也可有较大电力并网，其余季节并网电量更多。夏季降温在北方是四合院式“空调”等措施所能单独实现的。在中部地区基本上也能将室温降至满意的程度。在海峡两岸空气湿热地区：若对舒适度要求很高，则在降温方面则还需采取下列技术：在详细研究当地水文质资料的基础上，选择含水层较厚、较稳定、渗透系数较大的地区，凿大口径水井(口径大小根据供水量等决定)。在冬季将经夜间空气冷却的水灌入大水井。它在井周围形成渗水倒漏斗，将水渗入含水层。在夏季水井抽水供给水-气热交换器(塔)。来自冷水含水层的水将空气降温，降温后的空气分分送每楼每户，而增温后的水则送楼顶水箱14进入供热水系统。也可采用“湿热地区环境空调”的去湿降温技术。

二、在各种气候带推广太阳能多用可调控大田温室(专利申请号200610104360.1)。该大田温室可用于各种植物的种植、动物的养殖以及高低温干燥工艺，有它全球可少排CO₂和N₂O的15％以上。大田温室如附图4～图7所示。

说明书附图中，图4是单个温室的平面图。图中1为南墙，2为北墙，3为东墙，4为西墙。6为办公室(过渡间)。7为进温室的内门。8为进温室的外门。9为天网，由透明塑料网无缝连接制成，它起防止害虫飞入和在夏天起少量遮光作用，并且产生散射光。南北东西墙均为框架结构，四框架内充填的为非承重的围护结构。四墙结构基本相同。框架结构由薄壁钢管内充填混凝土加强。

图5为图4的A-A′(西东)向剖面图。图中3为东墙，它是安装在框架内的特殊的中空玻璃：该中空玻璃外侧为光导板13，内侧为普通玻璃14，13与14之间有密封边框15，边框厚20mm，即13和14之间的距离为20mm。中空玻璃内充有干燥空气，并放置干燥剂(小包，未画出)。这特殊中空玻璃与墙的框架大小正好，有少量缝隙应填实填死，以保证隔热效果。所以中空玻璃可以根据框架结构的空间大小尺寸定制，成品不能再作切割。墙下为高度20mm的近地通风口，它内有固定的纱网16，可阻挡动物进入；外有可开启或关闭的小窗门17。墙顶有面朝东南的特种材料光导板(上)和光伏电池板(下)12，其白天的发电量贮于蓄电池，供夜晚照明室内，并作为室内作物人工补光的部分光源。西头的11也是特种材料光导板(上)和光优电池板(下)，但它面向西北方向。西头其它结构与东头的一样。9为两块矩形(大小与温室顶一致)聚氯乙烯无滴棚膜在边缘粘合而成的大扁袋，其东头边缘留有许多小孔，西头有口，风机由此口向大扁袋内吹空气，风流将专用的泡沫塑料小球吹入大扁袋内(鼓风时风由小孔排出)，小球层为夜间保温。早晨则由风机将小球吸出，让塑料大扁袋透过光。

图6为图4的B-B′(南北)剖面，图中19为地面通风长孔的防动物纱网，20为地面通风长孔的开启小窗门，它分几段，可按通风需要开全部或其中几个。21和22为朝南和朝北特种材料光导板(上)和光伏电池板(下)，它们的电能也贮存到蓄电池供夜晚照明用。

图7是由图4的单个温室围成的四合院式温室群，S为南室，N为北室，E为东室，W为西室。各室的中空玻璃，南北两室的特种材料光导板均朝南和朝北，东室和西室均朝东和西。这4幢温室所包围的面积较大的空地(阳光大院SUN)，上面有桁架，桁架上有高强度、高透明度的塑料网10，网上有双层塑料大扁袋，大扁袋可充盈泡沫塑料小球，起冬季夜晚保温作用。在这阳光大院只有棚顶可以进光和需要隔热保温，其四周的温室起到保温的作用，所以它是极好的采光保温空间，而这个空间只增加一个顶盖的成本。

需要说明的是，温室的北墙在冬天是照不到太阳光的，所以在上冻以前可用保温材料将它盖严。

中空玻璃是本项目的关键构件，其内外玻璃厚度均为6mm，两者间隙20mm，由厚20mm的边框限定。外层的特种材料光导板可以高效率的将太阳光引入室内。

三、生物燃料

包括生物柴油和生物乙醇

生物燃料的原料是植物的种子和秸秆以及它们中的一些“石油植物”的液汁等。但它们的生产会占用大量耕地。印尼为此毁了大面积雨林和湿地，以致有人认为用生物燃料得不偿失。生物燃料目前难以推广的原因是成本太高，例如生物柴油的价格比矿物柴油高一倍左右。若用大地温室种植其原料作物，能成几倍地提高生物原料产量这会节省大量耕地，又降低成本。这为生物燃料替代矿物燃料清除了经济障碍；同时成几倍地消耗CO₂，趋利避害的效果就会非常显著。它在生产中增加消耗CO₂，替代矿物燃料又减少CO₂，减排CO₂的量极大。

显然，若将上述各种技术全面推广，全球大气的CO₂含量必将逐年减少，最终达到生产和消耗平衡；近期内各国减排CO₂量超过《京都议定书》要求的指标，是有把握的。上述减排二氧化碳的技术，各国需要，富国更需要。

四、减少温室气体的其它措施

①以旱稻替代水稻；

②以生物肥料(专利申请号200510053849.6)替代化学氮肥，减少N₂O的产出量；

③反刍畜类的舍养集气；

④隔风安全煤采气法(专利申请号：200610054625.1)

五、太阳能防治沙漠化生态灾害方法(专利申请号：200710086470.4)

本发明是这样实施的：(附图8、9、10)

①搜集治理区域的气象资料，作出当地大风沙尘天气日的平均风向玫瑰图，查明当地的主导风向。

②将治理区域分割成一排排正方格。网格的走向与主导风向垂直。相邻行的方格要错开半格，每格中心建太阳能防风沙站和生态民居(简称防风沙站)。附图10中，箭头示主导风向，AB线为与主导风向有锐角的相邻防风沙站连线，图中小圆为防风沙站。

③在每个正方格正中建造防风沙站(附图8、9)。

附图8为防风沙站区平面图。图中，ABCDEFG和W是防风沙站的顶盖，位于同一倾斜平面(向正南倾斜，倾角小于10°)。顶盖下的1，这是热空气室。顶盖下有3、4、6、7、8，这是双层牧民居室，它们分别为卧室、畜舍、料仓、卫生间(楼下为楼梯)、浴室和厨房(均在楼下)。顶盖下的5为居室的推拉门。9为料仓门。10为空气泵。11为坡式上楼道。12为畜舍的推拉门。13为热气室检修门。14为埋于地下的镍铬钢管的进气口，空气泵10向它供空气。15为埋于地下的镍铬钢管的排气口，由它将热空气喷向天空。

14′和15′为埋于地下的镍铬钢管的水平部分。16为温差发电装置。图8左上角的箭头示当地的主导风向。A为防风站的顶角。ABCD为直立平面，它将此平面以北的风强制引向DE圆弧(在档风墙NS的配合作用下)，形成顺时针旋风。当地近地面的大部分西北风都将由此引风墙引诱下形成紊流。AWG为另一引风墙，它将另一部分西北方向的风引向AG方向，并在GF附近将所携带沙尘沉降。这部分沙尘将在以后的由DE圆弧形成的顺时针旋风所吹走。CG和DF为热空气室的东墙与西墙，CD和GF为它的北墙与南墙。这四墙均有保温、防漏气和具一定耐压性能。因它里面的是略具压力、温度近100℃的热空气，要保证绝对安全。其中DF墙在居室一侧应加焊成整体的钢板，以双确保居户安全。CG和DF还有隔热功能。光导块铺设部分都有高效采集太阳光的功能，其中CDGF部分，阳光直接投进热气室；DF以东部分，即居室上方部分采集的阳光，由光缆与之耦合，由光缆侧向投进热气室；BCGW部分，即畜舍部分，亦由光缆侧向投进热气室。图8的南“墙”亦由光导块构成，这些光导块的的法线朝正南，有15°向上的倾角。光导块的这种安装方式，适宜于北纬45°附近的地区，它可使当地冬季的太阳光从日出到日落能100％地采集并送入室内；而在夏季它100％地拒绝阳光入室。因此，它有冬季高效取暖，夏季较好防热的功能。在夏天，我国北方有由海洋方向来的暖湿的东南向气流(如图8中虚箭头所示)，这气流在防风沙站的作用下，将形成逆时针方向的旋风(紊流)。

图8最右边的NS是南北方向的档风墙，无论是西北风还是东南风，它都有阻挡作用，有助于紊流的形成。16是温差发电设施。17为绝缘板，是为了防止14′和15′的电流短路。

附图9为附图8的A-W-N剖面。图中，4为料仓。3和3′为楼上、下的畜舍。6为卫生间。2为楼上卧室，2′为楼下客厅。图正中的1为热气室，其热量由顶盖和南墙的光导块直接投射室内的阳光或经光缆投射入室内的阳光供给。这热量造成室内外温度差，用于温差发电。16为温差发电设施。14为镍铬钢管竖直部分的顶端，它接受由空气泵10供给的空气，再通过垂直部分和水平部分的14′和15′(见附图8)，实现对空气的加温后，在热空气出口15喷向天空。温差发电的电流接镍铬钢管端部14和15，构成回路，它在钢管的高电阻作用下产生热量，为管内流过的空气加温，也为管外的沙体加温(贮热)。钢管的作用是：流经其中的空气将电流产生的部分热量带走(防止室内和沙体的温度过高)，并提供有压力的热空气喷向天空，形成高度为50m上、下的空气层产生旋风(紊流)创造条件；在没有阳光的夜晚和阴雨天，它吸收沙体贮存的热量，加热流经钢管中的空气，继续供给热空气。产生旋风的条件除有垂直方向的气流外，还需有水平方向的不对称气流，后者在气流中常自然出现，在近地面的旋风也能扰动其上的气流产生不对称气流。因此，经常的垂直上升气流的存在，必将在其周围形成经常的旋风。这上、下“两层”旋风的高度(厚度)足有50m以上；在治理区内的每个防风站都产生这样两“层”旋风(紊流)，即紊流覆盖整个治理区。冬天和春天，来自西北方向的气流(它低温和干燥)，受这区域内紊流的阻档将不能在低空流过，从而避免了治理区内沙土、土壤、水蒸汽和热量的流失。在夏秋季，来自海洋方向的暖(相对沙漠区它是低温的)湿空气，它比重较大，能贴近地面经入区内，在区内具有大片紊流的条件下，与当地空气掺和并长时间滞留，就会将水汽留下，并使气温下降。即在夏天和秋大，沙漠地区的炎热干燥天气会因大片的紊流的存在而使气温有所下降，相对湿度有所增加。这对减轻当地的蒸发和蒸腾强度是有重要作用的。因此，对植物的生长和牧民增牧与健康是有益的。

在每正方块中心安置一户的条件下，牧民可就近在自家地块放牧；由于责任到户，牧户会随时调整空气泵的流量，(根据风速和热空气的温度)；也会对地块适当施肥、种草和和养护(这在牧区是从来没有的)，自觉不使牧畜超载。在这样的生态经营条件下，年头久了，治理区必有绿洲出现如古代。

附图10为治理区的分块，正方块中央圆点为防风沙站。

Claims (10)

1. 使地球止暖降温生态复古的系统工程，其特征在于：

a.利用太阳能、风能和生物能；

b.减排三种主要温室气体CO₂、CH₄和N₂O；

c.以多种途径明显减少大气中的主要温室气体；

d.优化组合应用本人已有专利技术负能耗全节省环境空调、太阳能多用可调控大田温室和太阳能防治沙漠生态灾害方法；

e.空调人居环境和种植养殖环境及干燥工艺环境；

f.改善气候条件，沙漠区恢复植被；

g.很少专门投入；

h.适用于两极以外的所有气候带。

2. 根据权利要求1所述特征，以大田温室使植物高产和成倍消耗CO₂。

3. 根据权利要求1所述特征，以大田温室高产生物燃料(原料)，供交通和火电厂等使用。

4. 根据权利要求1所述特征，圈养或夜间圈养反刍动物，在畜舍顶收集CH₄供民用。

5. 根据权利要求1所述特征，将水稻改种旱稻，或水稻上方加伞形集气罩收集CH₄。

6. 根据权利要求1所述特征，采用隔风安全采煤采气法，将采煤过程的瓦斯(CH₄)全部收集利用。

7. 根据权利要求1所述特征，以生物肥料替代化学氮肥。

8. 根据权利要求1所述特征，在沙漠和半荒漠区设防风沙站。

9. 根据权利要求1所述特征，防风沙站以太阳能和风能经光——电、风——电转换产生热空气，制造紊流。

10. 根据权利要求1所述特征，防风沙站有横埋于沙体中的镍铬钢管，它接入光电和风电产热，对管内空气加热，对管外沙体贮热。

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