CN114562403A

CN114562403A - 水力驱动通风装置

Info

Publication number: CN114562403A
Application number: CN202210211506.1A
Authority: CN
Inventors: 池方爱; 徐颖
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2022-03-05
Filing date: 2022-03-05
Publication date: 2022-05-31

Abstract

本发明公开了一种水力驱动装置，主要部件由雨水管、雨水收集箱、水轮、连杆和风扇组成；以往的室内被动式通风策略普遍依赖于太阳能和风能，却对屋顶雨水势能的关注较少；屋顶空间承载着巨大的雨水容量，特别是位于中国长江中、下游居住建筑密度较高的城市。因此该装置可以利用屋顶收集的雨水势能以促进室内空气的流动，同时结合室内进风口与出风口在空间中的设置，最大限度利用室外新风与实现室内自然通风效果。通过实验测试和软件模拟分析，发现水力驱动通风装置在实现室内通风方面具有良好的性能，并具有改善梅雨季节室内热舒适度以及提高夏季建筑节能的潜力。

Description

水力驱动通风装置

技术领域

本发明涉及一种水力驱动通风装置，特别是涉及一种可利用屋顶收集雨水的势能，将其转化成室内空气动能的水力驱动通风装置，以实现室内空气通风和改善室内空气质量。

背景技术

被动通风可以提高室内热舒适，也有利于建筑节能^[1]，同时还有助于缩小机械通风系统的尺寸。被动通风模式主要有两种^[2]：即风压通风与热压式通风，前者依赖于风速产生的压力差，后者依赖于室内外温差^[3]。以往对室内被动式通风策略的研究普遍依赖于太阳能和风能，导致未能充分利用屋顶雨水的势能。因此，基于屋顶的雨水势能，本发明以长江中下游地区典型建筑特征的平屋顶为例进行研究，探究梅雨季节时的屋顶雨水的收集、储藏、利用的方式。本发明中试验建筑的屋顶尺寸为15 m (长)×4 m (宽)，面积为60 m²。根据《屋面工程技术规范》(GB50345-2012)，集水面积为60 m²的屋面雨水以直径为110 mm的雨水管排水即可。此外，在另一侧墙体上安装一条雨水管道作为备用管道，以应急暴雨等突发情况。试验建筑的女儿墙高度设置为0.5 m，有利于雨水的有效收集。在靠近南侧女儿墙的屋顶角落设置了两个排水沟，尺寸均为0.4 m (长)×0.4 m (宽)×0.3 m (深)，每个排水沟都与雨水管道相连，还设置了溢水孔和排水孔（图1-2）。同时考虑到南侧墙面的美观整洁，将水力驱动通风装置相安装在东侧墙面上。结合建筑设计，平屋顶结构被保留下来，雨水可以在屋顶上有效地收集。此外，收集的雨水可以带走屋顶的热量，有助于减少屋顶对楼上房间的传热。

本专利的试验地区位于长江中下游区域。该地区的6-7月为梅雨季，梅雨季是指长期持续的多雨天气，是东亚地区特有的气候现象^[4]。从梅雨期开始，该气候带的气温和湿度开始上升。本发明主要用于改善梅雨气候地区的建筑通风环境，提升室内的热舒适度，同时减少夏季制冷能耗。梅雨季节的特点是连续多雨的天气状况，往往伴随气温高，相对湿度大。被动通风作为降低建筑能耗的一种有效的替代方案，被认为是缓解空调系统问题的一种很有前景的解决方案。因此我们提出了一种新型的水力驱动通风装置，利用屋顶所收集雨水的势能来实现室内被动式通风。结合建筑形体来设计屋顶雨水收集方式，以实现满足热舒适需求与达到节能目的。此外，我们将发明装置与室内的气流组织方式相结合。将进风口与出风口的进行合理布置，尽可能让引进的新风在室内均匀地流动，而非单单考虑引进新风而已。本发明提出的可再生能源供给装置与热舒适需求者相结合，有望提高室内热舒适和建筑节能潜力。

发明内容

本发明利用屋顶所收集雨水中的势能促进室内空气流动（图3-5）。通过实验测试发现水力驱动通风装置作为一种可再生能源供应商，在驱动空气运动方面具有良好的效果。对于不同屋面结构收集雨水的情况，屋顶雨水收集方法与建筑原本的结构设计相结合，保留屋顶原先的结构。同时对室内通风性能进行了数据试验研究，通过设计调整，得出最佳的装置设计模型。考虑到室外新风在室内的流通情况，还可以通过对室内的进出风口的合理布置以增加室内新风流通周期并最大效率地利用好室外新风。因此在配合通风装置的基础上，在室内与装置斜对角的墙面上，开设出风口，引导气流的流通（图6）。通过合理设计水力驱动通风装置中的各个构建，以提升室内热舒适性和建筑节能潜力。

水力驱动通风装置的主要部件由雨水收集箱、水轮、连杆和风扇组成（图3-5）。通过小型轴承将杆固定在墙壁上，以连接风扇和水轮。在风扇侧面的墙壁上设置了0.3 m(长)×0.5 m (高)的通风口。雨水收集箱是一个密封的容器，表面覆盖有吸音材料以隔音。此外，将橡胶隔振材料填充在雨水收集箱与外侧隔墙之间，以降低因设备振动而产生的噪声传播。

为了在水力驱动通风装置作用下，被引入的气流可以被均匀地贯穿于整个房间，在地板或者屋顶下，与发明装置斜对角的墙壁上设置出风口（图8）。

附图说明

图1是平屋顶雨水收集的剖面示意图。

图2是平屋顶雨水收集的透视示意图。

图3水力驱动通风装置示意图1。

图4从室内看水力驱动通风装置的示意图2。

图5水力驱动通风装置剖视图。

图6实验建筑中的气流路径示意图。

图7实验装置前视图。

图8实验装置侧视图。

图9 三个不同尺寸的水力驱动通风装置。

图10 风速实验测试的前视图。

图11 风速实验测试的侧视图。

具体实施方式

如图7-8，将水力驱动通风装置安装在混凝土墩上进行风速测量实验。混凝土桥墩上固定有两套“L”形金属构件。该装置通过轴承固定在金属部件上，水轮可以保持快速旋转。混凝土桥墩尺寸为0.3 m(长)×0.3 m(宽)×0.5 m(高)，连杆每边伸出0.1 m。

测试过程中采用了三种水轮尺寸来研究装置产生的风速的效果。由于雨水管直径为110 mm，所以试验中使用的水轮直径需要大于220 mm。结合产品尺寸，三种被选用在这个试验中的水轮直径分别是：300 mm、400 mm和500 mm（表1）。为了减轻设备组件的重量，水轮和风扇均采用轻质塑料。

通过雨水管将屋面雨水的势能转换为室内空气动能，并收集到该层的雨水收集箱内。然后再通过雨水管被引到下一楼层的雨水收集箱中进行再一次利用。每一个楼层所收集的雨水势能通过水轮带动风扇旋转。随着风扇运转，将室外的新风经过入风口被引到室内。整个装置作为可再生能源的转换者，可实现室内自然通风，以减少建筑能源消耗。

如图9-10所示，我们在无风环境下对所设计设备产生的风速进行了实验。实验建筑一层高3.6 m，二层高3.3 m。雨水集水箱的尺寸为0.6 m(长)×0.45 m(宽)×0.6 m(高)。因此，本实验中使用的雨水管道长度为：一层为3 m(即3.6 m(层高)-0.6 m(水箱高度))，二层为2.4 m(即3.3 m(层高)-0.6 m(水箱高度)-0.3 m(排水沟深度))。采用热球式风速仪(型号：QDF-6，测量范围：0-30 m/s，精度：>97%，分辨率：0.01)测量所发明装置产生的风速。基于所得数据，分析得出水力驱动通风装置可以实现降低夏季室内空气温度和提高室内通风的热舒适。

参考文献：

[1] Alizadeh M., Sadrameli S.M. Indoor thermal comfort assessmentusing PCM based storage system integrated with ceiling fan ventilation:Experimental design and response surface approach [J]. Energy and Buildings,2019, 188-189(4): 297-313.

[2] Wang B., Malkawi A. Design-based natural ventilation evaluationin earlystage for high performance buildings [J]. Sustainable Cities and Society, 2019, 45 (11): 25-37.

[3] Golubić, Meile W., Brenn G., Kozmar H. Wind-tunnel analysis ofnatural ventilation in a generic building in sheltered and unshelteredconditions: Impact of Reynolds number and wind direction [J]. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamicst, 2020, 207(12): 104388.

[4] Zhou L., Ye B., Xia S. Assessing membrane biofouling and its gellayer of anoxic/oxic membrane bioreactor for megacity municipal wastewatertreatment during plum rain season in Yangtze River Delta [J]. China Water Research, 2017, 127 (10): 22-31.

Claims

1.一种水力驱动通风装置，主要部件由雨水管、雨水收集箱、水轮、连杆和风扇组成。

2.根据权利要求1所述的水力驱动通风装置，其特征在于：屋顶收集的雨水沿雨水管流入雨水收集箱中，雨水的重力势能转化为动能，以带动水轮转动，并通过连杆，使风扇也被同时带动转动，同时因风扇转动所产生的风，将室外的新鲜空气引入室内，促进室内空气流通。

3.根据权利要求1所述的水力驱动通风装置，其特征在于：还包括在室内设置的进风口与出风口，该进风口与出风口设置在风扇与其垂直的墙体一侧（与雨水收集箱墙体所垂直的墙体），并成对角线布置，使被引进来的气流可以在大部分室内空间中流通。

4.根据权利要求1所述的水力驱动通风装置，其特征在于：所述雨水收集箱可安装在与每个楼层等高的墙体外侧，假设研究建筑一层高3.6 m，二层高3.3 m，雨水集水箱的尺寸为0.6 m(长)×6 m(宽)×0.6 m(高)，雨水管道的长度为一层为3 m (即3.6 m(层高)-0.6 m(水箱高度))，二层为2.4 m (即3.3m(层高)-0.6 m(水箱高度)-0.3 m(排水沟深度))。

5.根据权利要求2所述的水力驱动通风装置，其特征在于：根据能量守恒定律，可将上层的雨水势能继续引到下一层进行利用，使各个楼层均拥有足够的雨水势能，对室内空气热环境进行改善，并达到雨水势能的重复利用的目标。

6.根据权利要求1所述的水力驱动通风装置，其特征在于：所述水轮的尺寸有三种规格，分别为300 mm，400 mm和500m，由于测试采用的雨水管直径为110 mm，因此试验中使用的水轮直径需要大于220 mm。

7.根据权利要求6所述的水力驱动通风装置，其特征在于：通过实验结果得知，一层和二层室内最大空气流速均在300 mm直径的装置中产生，主要是因为小型水轮的重量和半径均最小，雨水作用到水轮上时产生的平均动能最大。

8.根据权利要求7所述的水力驱动通风装置，其特征在于：小型水轮的轮廓周长最短，在相同的外力和作用时间下，由于转动次数最多，因此产生的风能最大。

9.根据权利要求7所述的水力驱动通风装置，其特征在于：为了减少设备组件的重量，水轮和风扇均采用轻质塑料。

10.根据权利要求4所述的水力驱动通风装置，其特征在于：所述的雨水收集箱被安装于墙体上，墙体与雨水收集箱之间填充橡胶隔振材料，以减轻水力驱动通风装置在工作时的震动影响，同时在外部包裹一层吸声材料，以减小雨水箱运转时的噪声。

11.根据权利要求1所述的水力驱动通风装置，其特征在于：所述装置的通风性能用数学模型表达，如下所述：

雨水在雨水管口的流速(ν₀，m／s)与流量速率(Q₀, m³／s)为式(1)与式(2)

(1)

(2)

其中，g代表重力加速度(单位：m／s²)；H₁代表收集的雨水从屋顶到雨水管底部的高度(单位：m)；λ代表水头损失的摩擦因数，指雨水在流经管道过程中由于固体管道的阻力和摩擦而造成的动能损失；w代表雨水管的长度(单位：m)；d代表雨水管直径(单位：m)；ηd代表排水孔局部损失系数；ηbe代表雨水管转折处局部损失系数；S_P代表雨水管截面积(单位：m²)(当雨水管充满水时)；S_P代表雨水管内水柱的截面积(单位：m²) (当雨水管未充满水的时)；m代表水的质量(单位：kg)；

由此推导出雨水从雨水管流出时对水轮叶片的总冲击力(F_t，N)为式(3)

（3）

(4)

(5)

其中，G(式4)代表雨水管内水柱重量(单位：N)；ρ代表水的密度(单位：10³kg/m³)；F_f(式5)代表雨水管内水柱冲击力(单位：N)； F_f与雨水管内水柱速度ν_p(单位：m/s)有关；本次实验水轮叶片数量为8片，定义水轮的转动速度 ν_wv(单位m/s)和风扇的转动速度ν_fv即每秒钟风扇转动的圈数(单位：c/s)为式（6）与式（7）；

(6)

(7)

其中， μ是水轮的直径(单位：m)；m是水轮的质量(单位：kg)。