CN101487619B - 利用太阳能驱动的被动式逆向换气系统 - Google Patents

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Abstract

本发明一种太阳能换气系统及其对流驱动逆向换气装置，利用太阳能加热空气，驱动热空气对流，对流上升的热空气，驱动太阳能换气系统内的对流驱动逆向换气装置，将室外新鲜空气由建筑物上方向下吸入室内，达到换气的目的；对流驱动逆向换气装置包括一对流排气管道、一叶轮、一传动机构、一进气管道、一进气风扇，太阳能加热对流上升的空气进入对流排气管道驱动叶轮，叶轮带动传动机构，传动机构带动进气风扇，将室外新鲜空气由进气管道逆向吸入室内。

Description

利用太阳能驱动的被动式逆向换气系统
技术领域
本发明涉及室内外换气技术领域，是一种利用太阳能驱动的被动式换气系统，尤其是一种利用太阳能驱动的对流式逆向换气系统，利用太阳能加热空气，驱动空气对流，对流的热空气，驱动一对流排气管道中的叶轮，叶轮带动传动机构，驱动进气管道中的进气风扇，将外界空气吸入进气管道，向相反于对流排气的方向输送，进行换气。
背景技术
在沙漠地区一般是日照丰富，气候干热，尤其是夏季时节，地面与室内温度甚高，必须降温才能供人类居住活动，地面温度更是经常达到40摄氏度以上，一般的利用室外空气进行自然对流的降温方式，在沙漠地区无法应用。虽然二十世纪有空调的发明，但是在沙漠地区利用空调的冷气降温，却是极不经济的，消耗大量能源。
在沙漠地区，利用绿色能源可持续发展技术达成空调降温的目的，现实上是一种必要，因为可持续发展技术利用自然的力量，改善生活环境，才能符合经济原则。
在沙漠地区，世界各民族最具代表性的可持续发展建筑技术，当推伊朗的风塔(波斯语badgir)，风塔利用对流原理，一方面将热空气拔出室外，另一方面用风力将建筑物屋顶上方温度较冷的空气引入室内，引入室内的空气再拂过一水池，将水汽带起，达到利用水的汽化热，进一步大量降温的效果。日落以后沙漠地区大气将很快降温，冷空气将由风塔下降至室内，但因风塔是由砖石材料建成，砖石材料保温持久，对由风塔下降至室内的冷空气，产生预热效果，风塔是富有智慧的可持续发展技术，常见于伊朗、阿拉伯地区。
相对于风力，在沙漠地区太阳能是更稳定的绿色能源，若是利用太阳能加热空气，驱动空气对流，再利用对流空气驱动换气装置，将建筑物屋顶上方温度较冷的空气引入室内，达到降温效果，将会产生太阳愈烈，空气对流愈强，降温效果愈好的正面效益。利用太阳能移动空气，能进行发电，如美国专利US4433544，US5300817所示。利用太阳能换气降温是更贴近生活的环保技术，更直接有利于生活环境的改善。
发明内容
本发明的主要目的，是公开一种利用太阳能驱动的被动式逆向换气系统，利用太阳能加热空气，推动对流换气装置，将室外新鲜空气吸入室内，供生活空间利用。
本发明的另一目的，是提供一种对流驱动换气装置，利用热空气对流上升作用力推动叶轮，叶轮转动时带动传动机构，传动机构驱动进气风扇，向热空气对流相反的方向输送空气，达成强制换气的目的。
本发明的再一目的，是提供一种适用于干热地区的太阳能驱动换气系统，利用太阳能加热空气，驱动对流驱动换气装置，并辅以将水挥发的装置，吸收汽化热达成降温的目的。
为达到上述目的，本发明的技术解决方案是：
一种利用太阳能驱动的被动式逆向换气系统，包括对流排气管道、进气管道；对流排气管道和进气管道平行垂直设置于建筑物上方，两管之间有间隙；对流排气管道上端为出气口，与大气相通，下端为进气口；进气管道上端为进气口，与大气相通，下端为出气口，与室内相通；其还包括至少一太阳能空气加热装置及至少一对流驱动逆向换气装置，由对流空气驱动将室外空气由大气中向下吸入室内；
太阳能空气加热装置，为扁管状，外形与建筑物表面相适配，上端开口与对流排气管道下端进气口固接通连，下端开口与大气相通，铺展开覆于建筑物向阳面，包括一透光层、一绝热层、一日光辐射热吸收装置；透光层为扁管的上层壁，绝热层为扁管的下层壁，绝热层固覆于建筑物向阳面，绝热层上表面有日光辐射热吸收装置；
对流驱动逆向换气装置，包括一叶轮、一传动机构、一进气风扇，叶轮在对流排气管道中，进气风扇在进气管道中，两者由传动机构动连接；
日光辐射热吸收装置吸收透过透光层的太阳辐射热能，对空气加热装置内腔中的空气加热，被加热的空气对流上升，进入对流排气管道，驱动对流排气管道中的叶轮转动，叶轮带动传动机构，驱动进气管道中的进气风扇转动，将外界空气通过进气管道向下端出气口推动，对室内送气。
一种利用太阳能驱动的被动式逆向换气系统，包括对流排气管道、进气管道；对流排气管道和进气管道为同心空气管道，外环管道是空气对流管道，内管道是进气管道，垂直设置于建筑物上方；对流排气管道上端为出气口，与大气相通，下端为进气口；进气管道上端为进气口，与大气相通，下端为出气口，与室内相通；其还包括至少一太阳能空气加热装置及至少一对流驱动逆向换气装置，由对流空气驱动将室外空气由大气中向下吸入室内；
太阳能空气加热装置，为扁管状，外形与建筑物表面相适配，上端开口与对流排气管道下端进气口固接通连，下端开口与大气相通，铺展开覆于建筑物向阳面，包括一透光层、一绝热层、一日光辐射热吸收装置；透光层为扁管的上层壁，绝热层为扁管的下层壁，绝热层固覆于建筑物向阳面，绝热层上表面有日光辐射热吸收装置；
对流驱动逆向换气装置，包括一叶轮、一传动机构、一进气风扇，一上结构框架、一下结构框架，上下结构框架将对流驱动换气装置，分隔在两个同心空气管道中，叶轮在外环管道构成的空气对流管道中，进气风扇在内管道构成的进气管道中，外环管道与内管道的圆形分隔壁具有绝热结构，叶轮固定在传动机构上，进气风扇固定在传动机构的内管道侧，传动机构上下面各有一推力轴承，两推力轴承分别固定于两结构框架的外环管道与内管道的圆形分隔壁上，叶轮转动时，传动机构跟随转动，固定在传动机构内管道的进气风扇，也跟随转动，进气风扇扇叶推力方向与叶轮扇叶推力方向相反，当叶轮排气时，进气风扇为进气。
所述的换气系统，其，在进气管道下端有一液态水蒸发装置，液态水蒸发装置包括一储水槽及一潮湿空气管道，潮湿空气管道充满毛细多孔材质，多孔材质一端浸于储水槽水中，另一端固接于进气管道出气口内周圆，因毛细作用毛细多孔材质由储水槽吸水而饱含水分，外界干热空气通过进气管道出气口时，穿过饱含水分的多孔材质，使水分蒸发，吸收汽化热而对空气降温、加湿。
所述的换气系统，其所述液态水蒸发装置，还包括喷雾洒水装置，喷雾洒水头设于进气管道出气口内，以输水管与储水槽相连，输水管中设有驱动装置。
所述的换气系统，其所述太阳能空气加热装置铺展开覆于建筑物向阳面，是覆于屋顶或侧墙向阳面。
所述的换气系统，其所述一太阳能空气加热装置和一对流驱动逆向换气装置为一组，包括多数组，每组的进气管道首尾相接串联相通成一整管，首端为进气口，尾端为出气口，分级架设于地形高处，将高空的冷空气引至地面建筑物内。
所述的换气系统，其所述建筑物，为一高塔架构，将对流排气管道、进气管道架设于高塔上，使对流排气管道出气口、进气管道进气口位于高空，太阳能空气加热装置铺展开覆于高塔向阳面，进气管道下端出气口，与室内相通。
所述的换气系统，其所述建筑物，为高层建筑物，太阳能空气加热装置铺展开覆于高层建筑物屋顶上，进气管道下端出气口与底部内庭相通，将高层建筑物上方空气强制向下输送至高层建筑物底部内庭，供应高层建筑物内部换气。
本发明具有以下有益效果：
本发明利用太阳能加热空气，驱动空气对流，利用对流的空气，推动对流逆向换气装置，将室外屋顶上方的新鲜空气吸入室内，达到换气降温的目的，以自然的力量进行被动式强制换气，不依赖电力达成换气降温改善生活环境的目的。
被动式强制换气，不消耗能源，是一种可持续性发展技术，具环境友好长期经济效益。
对流驱动换气装置，叶轮，传动机构，进气管道，进气风扇，一体化结构容易使用。
本发明也能利用工业回收热能加热空气，驱动热空气对流，达成相同的改善生活环境的目的。
附图说明
图1是本发明利用太阳能驱动的被动式逆向换气系统原理示意图；
图2a是本发明对流驱动逆向换气装置一实施例剖面图；
图2b是图2a对流驱动逆向换气装置上视图；
图3a是本发明利用太阳能驱动的被动式逆向换气系统对住宅空调降温实施例示意图；
图3b是潮湿空气管道41的C-C剖视图；
图4是本发明利用太阳能驱动的被动式逆向换气系统将高地冷空气引导至地面供空调降温的实施例示意图；
图5是本发明利用太阳能驱动的被动式逆向换气系统将高空冷空气引导至地面的实施例示意图；
图6是本发明利用太阳能驱动的被动式逆向换气系统应用于高层建筑实施例示意图。
具体实施方式
图1是本发明利用太阳能驱动的被动式逆向换气系统原理示意图，住宅1屋顶上的太阳能换气系统，在屋顶向阳面设置太阳能空气加热装置2，被加热的空气因对流作用力上升，进入对流驱动逆向换气装置20，通过对流驱动逆向换气装置20的排气管道10，将热空气向上排出，推动排气管道10中的叶轮21，同时空气由太阳能加热装置进气口11补入，因热空气对流上升被推动的叶轮21，带动传动机构24驱动进气风扇23，进气风扇23将外界空气由进气管道30的进气口31，向下吸入住宅1室内。
太阳能加热装置2包括一透光层3，一屋顶绝热层4，使热气不传至室内，屋顶绝热层4上表面有日光辐射热吸收装置5，透光层3与屋顶绝热层4中间为空气层，日光辐射热吸收装置5吸收太阳辐射热能，对空气层加热，被加热的空气因对流作用力上升，进入对流驱动逆向换气装置20的排气管道10将热空气向上排出，通过排气管道10的热空气，推动对流驱动逆向换气装置20的叶轮21，同时空气由太阳能加热装置进气口11补入，因热空气对流上升被推动的叶轮21，带动传动机构24驱动进气风扇23，进气风扇23将外界空气由进气管道30的进气口31，向下吸入住宅1室内，排气管道10与进气管道30中间有绝热设施22。
图2a是本发明对流驱动逆向换气装置一实施例说明图，对流驱动逆向换气装置20，包括叶轮21、进气风扇23、传动机构24、上结构框架25、下结构框架26；结构框架25、26将对流驱动逆向换气装置20，分隔成两个同心空气管道，外环管道是空气对流管道，内管道是进气管道，叶轮21在外环管道中，进气风扇23在内管道中，外环管道与内管道的圆形分隔壁具有绝热设施22，叶轮21固定在传动机构24上，进气风扇23固定在传动机构24的内管道侧，传动机构24上下面各有一推力轴承27、28，推力轴承27、28分别固定于结构框架25、26的外环管道与内管道的圆形分隔壁上，叶轮21转动时，传动机构24跟随转动，固定在传动机构24内管道侧的进气风扇23，也跟随转动，但是进气风扇23扇叶推力方向与叶轮21扇叶推力方向相反，当叶轮21排气时，进气风扇23为进气。进气风扇23的轴心可加设轴心滚动轴承29。
图2a所示只是本发明对流驱动逆向换气装置一个实施例，例如，叶轮21、进气风扇23并不一定是同心结构，叶轮21、进气风扇23可以分置于两个分离的管道中，传动机构24也可以利用螺杆、皮带、齿轮，都是熟悉的技术，因此，图2a所示对流驱动逆向换气装置，是用以展示本发明对流驱动逆向换气装置技术构思的一个实施例而不是一种限制，图2b是图2a上视图，叶轮21、进气风扇23的形状，显示进气与排气方向相反。
图3a是本发明利用太阳能驱动的被动式逆向换气系统对住宅空调降温实施例说明图，住宅1屋顶上向阳面设置太阳能加热装置2，太阳能加热装置2包括一透光层3一屋顶绝热层4，使热气不传至室内，透光层3与屋顶绝热层4中间空气层，有日光辐射热吸收装置5，日光辐射热吸收装置5吸收太阳辐射热能，对透光层3与屋顶绝热层4中间空气层加热，被太阳辐射热能加热的空气，因对流作用力上升，推动对流驱动逆向换气装置20的叶轮21，将热空气通过排气风管110的下段12、与上段13向上由出口14排出，同时空气由进气口11补入，因热空气对流上升被推动的排气风扇21，通过传动机构24驱动进气风扇22，将外界空气由进气口31吸入，通过进气风管231的上段32、中段33与下段34，进入水蒸发装置40，水蒸发装置主体是一用毛细多孔材质构成的潮湿空气管道41，潮湿空气管道41因毛细作用由储水槽42吸水而饱含水分，外界干热空气通过此一潮湿空气管道41时，因带走的水分吸收汽化热而降温，进入住宅1室内的空气是已经降温的湿润新鲜空气，潮湿空气管道中增加设置喷雾洒水装置，图中没有显示，可以加强降温的效果，本发明被动式强制换气系统及对流驱动换气装置，完成了对住宅1空调降温的目的。图3a中风标15维持风管方向最佳化。图3b是图3a中潮湿空气管道41的C-C上视剖面图。
图4是本发明利用太阳能驱动的被动式逆向换气系统将高地冷空气引导至地面供空调降温的实施例说明图，正常状态，近地表大气温度，随海拔高度而降温，平均每1000公尺降温6.5摄氏度，如果地表大气温度是40摄氏度时，1000公尺的高山上只有33.5摄氏度，2000公尺的高山上温度只有27摄氏度，因此只要能把上空的空气引下，再辅以水蒸发降温装置，不需任何电力驱动的冷却降温设施，就能达到空调降温的目的。本发明利用太阳能驱动的被动式逆向换气系统，将高地冷空气引导至地面供生活空间空调降温，便是根据上述近地表大气温度状态而设计，对大型建筑物及城镇小区降温将产生效益。
图4中，日光通过一大型太阳能空气加热装置100的透光屋顶103对太阳能加热装置100内的空气加热，日光辐射热吸收装置105提高加热效率，被加热的空气浮升，推动对流驱动逆向换气装置120的叶轮121，将热空气通过排气风管110由排气口114向外排出，同时空气由进气口111补入，因热空气对流上升被推动的叶轮121，带动进气风扇123，对进气风管134产生吸力，将外界空气由进气口231吸入，通过进气风管134对建物101，例如体育场，供应由高山上引下的冷空气，达到空调降温的目的，由于距离可能很远，在进气风管沿途可加设太阳能驱动逆向换气系统200，并将其进气风管串接，如图4中串接的进气风管231、234、131、134，增加输送能力，喷雾洒水装置141能提供进一步降温和加湿效果，喷雾洒水装置141对空气中的灰尘也有净化的作用。与美国专利US3894393，US5284628所示的利用喷雾洒水将空气向下引导的技术比较，本发明太阳能换气系统及对流驱动逆向换气装置，更可靠并且容易使用。
在日照不足的地方，使用本发明对流驱动逆向换气装置，也可利用工业回收热源，例如垃圾焚化厂产生的热，加热空气，驱动热空气对流，达成相同于利用太阳辐射热能加热空气的被动式空调降温的目的，太阳能加热和工业回收热源加热也能共构使用。
图5是本发明利用太阳能驱动的被动式逆向换气系统将高空冷空气引导至地面的实施例说明图，铁塔架构50将排气风管110的排气口14，进气风管231的进气口31，抬高至较高位置，较高位置风速比较大，有利于热空气扩散，离炙热的地面较远也有利于吸入较低温空气。
基于相同的原因，本发明利用太阳能驱动的被动式逆向换气系统，很适合装设于高层建筑楼顶，图6是本发明利用太阳能驱动的被动式逆向换气系统应用于高层建筑实施例说明图，利用太阳能辐射热，驱动至少一个对流驱动逆向换气装置20，将高楼顶的新鲜空气强制导引至高楼内庭底部，喷雾洒水装置141能提供进一步降温和加湿效果，喷雾洒水装置141对空气中的灰尘也有净化的作用。

Claims (12)

1.一种利用太阳能驱动的被动式逆向换气系统，包括对流排气管道、进气管道；对流排气管道和进气管道平行垂直设置于建筑物上方，两管之间有间隙；对流排气管道上端为出气口，与大气相通，下端为进气口；进气管道上端为进气口，与大气相通，下端为出气口，与室内相通；其特征在于，还包括至少一太阳能空气加热装置及至少一对流驱动逆向换气装置，由对流空气驱动将室外空气由大气中向下吸入室内；
太阳能空气加热装置，为扁管状，外形与建筑物表面相适配，上端开口与对流排气管道下端进气口固接通连，下端开口与大气相通，铺展开覆于建筑物向阳面，包括一透光层、一绝热层、一日光辐射热吸收装置；透光层为扁管的上层壁，绝热层为扁管的下层壁，绝热层固覆于建筑物向阳面，绝热层上表面有日光辐射热吸收装置；
对流驱动逆向换气装置，包括一叶轮、一传动机构、一进气风扇，叶轮在对流排气管道中，进气风扇在进气管道中，两者由传动机构动连接；
日光辐射热吸收装置吸收透过透光层的太阳辐射热能，对空气加热装置内腔中的空气加热，被加热的空气对流上升，进入对流排气管道，驱动对流排气管道中的叶轮转动，叶轮带动传动机构，驱动进气管道中的进气风扇转动，将外界空气通过进气管道向下端出气口推动，对室内送气。
2.根据权利要求1所述的换气系统，其特征在于，在进气管道下端有一液态水蒸发装置，液态水蒸发装置包括一储水槽及一潮湿空气管道，潮湿空气管道充满毛细多孔材质，多孔材质一端浸于储水槽水中，另一端固接于进气管道出气口内周圆，因毛细作用毛细多孔材质由储水槽吸水而饱含水分，外界干热空气通过进气管道出气口时，穿过饱含水分的多孔材质，使水分蒸发，吸收汽化热而对空气降温、加湿。
3.根据权利要求1所述的换气系统，其特征在于，所述液态水蒸发装置，还包括喷雾洒水装置，喷雾洒水头设于进气管道出气口内，以输水管与储水槽相连，输水管中设有驱动装置。
4.根据权利要求1所述的换气系统，其特征在于，所述太阳能空气加热装置铺展开覆于建筑物向阳面，是覆于屋顶或侧墙向阳面。
5.根据权利要求1所述的换气系统，其特征在于，所述一太阳能空气加热装置和一对流驱动逆向换气装置为一组，包括多数组，每组的进气管道首尾相接串联相通成一整管，首端为进气口，尾端为出气口，分级架设于地形高处，将高空的冷空气引至地面建筑物内。
6.根据权利要求1所述的换气系统，其特征在于，所述建筑物，为一高塔架构，将对流排气管道、进气管道架设于高塔上，使对流排气管道出气口、进气管道进气口位于高空，太阳能空气加热装置铺展开覆于高塔向阳面，进气管道下端出气口，与室内相通。
7.根据权利要求1所述的换气系统，其特征在于，所述建筑物，为高层建筑物，太阳能空气加热装置铺展开覆于高层建筑物屋顶上，进气管道下端出气口与底部内庭相通，将高层建筑物上方空气强制向下输送至高层建筑物底部内庭，供应高层建筑物内部换气。
8.一种利用太阳能驱动的被动式逆向换气系统，包括对流排气管道、进气管道；对流排气管道和进气管道为同心空气管道，外环管道是空气对流管道，内管道是进气管道，垂直设置于建筑物上方；对流排气管道上端为出气口，与大气相通，下端为进气口；进气管道上端为进气口，与大气相通，下端为出气口，与室内相通；其特征在于，还包括至少一太阳能空气加热装置及至少一对流驱动逆向换气装置，由对流空气驱动将室外空气由大气中向下吸入室内；
太阳能空气加热装置，为扁管状，外形与建筑物表面相适配，上端开口与对流排气管道下端进气口固接通连，下端开口与大气相通，铺展开覆于建筑物向阳面，包括一透光层、一绝热层、一日光辐射热吸收装置；透光层为扁管的上层壁，绝热层为扁管的下层壁，绝热层固覆于建筑物向阳面，绝热层上表面有日光辐射热吸收装置；
对流驱动逆向换气装置，包括一叶轮、一传动机构、一进气风扇，一上结构框架、一下结构框架，上下结构框架将对流驱动换气装置，分隔在两个同心空气管道中，叶轮在外环管道构成的空气对流管道中，进气风扇在内管道构成的进气管道中，外环管道与内管道的圆形分隔壁具有绝热结构，叶轮固定在传动机构上，进气风扇固定在传动机构的内管道侧，传动机构上下面各有一推力轴承，两推力轴承分别固定于两结构框架的外环管道与内管道的圆形分隔壁上，叶轮转动时，传动机构跟随转动，固定在传动机构内管道的进气风扇，也跟随转动，进气风扇扇叶推力方向与叶轮扇叶推力方向相反，当叶轮排气时，进气风扇为进气。
9.根据权利要求8所述的换气系统，其特征在于，在进气管道下端有一液态水蒸发装置，液态水蒸发装置包括一储水槽及一潮湿空气管道，潮湿空气管道充满毛细多孔材质，多孔材质一端浸于储水槽水中，另一端固接于进气管道出气口内周圆，因毛细作用毛细多孔材质由储水槽吸水而饱含水分，外界干热空气通过进气管道出气口时，穿过饱含水分的多孔材质，使水分蒸发，吸收汽化热而对空气降温、加湿。
10.根据权利要求8所述的换气系统，其特征在于，所述液态水蒸发装置，还包括喷雾洒水装置，喷雾洒水头设于进气管道出气口内，以输水管与储水槽相连，输水管中设有驱动装置。
11.根据权利要求8所述的换气系统，其特征在于，所述建筑物，为一高塔架构，将对流排气管道、进气管道架设于高塔上，使对流排气管道出气口、进气管道进气口位于高空，太阳能空气加热装置铺展开覆于高塔向阳面，进气管道下端出气口，与室内相通。
12.根据权利要求8所述的换气系统，其特征在于，所述建筑物，为高层建筑物，太阳能空气加热装置铺展开覆于高层建筑物屋顶上，进气管道下端出气口与底部内庭相通，将高层建筑物上方空气强制向下输送至高层建筑物底部内庭，供应高层建筑物内部换气。
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