CN1975156B - 风塔气流发电及其在地下冷/热源直接空调的应用 - Google Patents
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Abstract
本发明提供风塔气流发电方法及其在地下冷/热源直接空调系统的应用，风塔气流发电方法是指以人工气流、大气热压差与自然风压共同作用下形成的机械能为原动力，使风塔底部的风轮机达到发电的转速并带动异步发电机；通过总抽气机使从风塔顶部吸入的空气从风塔底部经循环气道输送到风塔上部而形成循环气流，同时通过水泵将地下水抽至风塔上部喷淋细水滴，人工气流是循环气流与喷淋细水滴共同形成的气水混合流，总抽气机、水泵的起动用电通过外电网或系统内部蓄电池提供；当风轮机正常运转且异步发电机正常发电后，通过电源切换自动控制装置快速切换为由异步发电机输出电力，与蓄电池共同维持系统内用电，并可对蓄电池充电或向系统外输出使用。
Description
技术领域
本发明涉及普通建筑物的主动性节能空调系统，具体是指风塔气流发电及其在地下冷/热源直接空调的应用。
背景技术
已提出的太阳能利用技术种类繁多，广义太阳能利用包含建筑与设施两方面技术。被动太阳能利用指纯建筑与结构性措施，主动太阳能技术一般是指设备性的并且必须要有常规的电(能)源来辅助。常规电源这里指地区性电力(电网)。太阳能冷房(夏天降温)技术复杂，成本较高，至今国内外尚较罕见。必须将现有的技术水平与当前造价(成本)一起来评价才有现实意义。
1、太阳能电力
太阳能光电——其核心技术组件是太阳能电池，至1998年我国已建几座独立式小型(4～25kW)示范电站，建设单价为6～12万元/kW，远高于国外先进水平。目前太阳能光电系统最大的问题是建设单价太高，现价段还没有市场竞争能力。
太阳能热电——指由专门设计的可跟踪太阳光的光集热器聚集到加热器上产生高温、高压的工质蒸汽，驱动常规的汽轮机发电。装机容量较大(1.3～8万kW级)，技术复杂。即使在美国，其投资和电能成本也是普通热电站的2～3倍。
风力发电——指以露天式风轮机为原动机发电。至2000年，我国已开发的风电仅占全国电力的比例估计低于0.2％，对于小型(1kW～10kW)风电，技术上尚算成熟，1993年已投产的广东南澳风电场(联网)单机容量为130、150KW，总装机容量1.68MW，风轮机由瑞典、丹麦制造，故单价较高，千瓦造价为0.89～0.94万元，电能成本0.42～0.63(元/度)，有效风能利用系数0.25～0.32。
自然风力最大的问题是不稳定(间歇性)，并要求有足够大的风速才能起动风轮机，这个问题不突破，风电很难普遍推广。
2、太阳能致冷-空调的现有设备性技术
机组化是主动太阳能致冷的重要途径，现有技术主要有：
(1)太阳能致冷空调系统(热水型溴化锂吸收式)——美国90年代太阳能致冷空调系统的单价折算为人民币约为1.6万元/kW。香港大学1994年试验楼给出的年均总效率为0.082，故由于总效率低而需要相当大的集热器面积。
(2)热泵制冷系统——热泵基本原理是在机械功的补偿下(压缩机耗费少量电能)，可迫使热量从低温流向高温的物体，这意味着可以利用低品位的热能(太阳能或余热)。我国用作中央空调的水源式热泵(大型系统)单价约0.3万元/kW。对小型系统，单价会远大于该值。
(3)除湿机-蒸发器冷却系统——对我国南方夏天湿热型气候，建筑降温必须同时考虑降低湿度问题.轮式除湿机(由少量常规电源带动)，先除湿(去潜热)，再由蒸发器降温(去显热)，由太阳能(或余热)再生干燥，循环工作，因而比传统空调制冷节约电能.但单价高出几倍，降温范围有限，较适宜于一些大面积适度降温的工厂、医院、学校等.
可见上述太阳能利用机组化的制冷系统的共同特点，一是都以低品位热能(如太阳能)为主要的能源，但还必须少量常规的电能作辅助；二是总目标都是通过机组来制造冷源，且冷效率较低，而造价较高。目前，还难以在市场上竞争。
3、太阳能建筑(冷房)
(1)地道降温
利用大地作冷源，气流通过地道降温后引入室内，地道起热交换器作用。1988年我国广州番禺区首次实际应用于某二层建筑中33m2办公室夏天降温，由普通风机(传统电能)输送到室内去。平均COP＝25.6，比普通空调机节约常规电能约90％，但该工程的建筑面积太小，无代表意义。欧美多年来在小型别墅或农畜舍中相当广泛地采用地道式降温方法，也同样存在上述问题。南韩于1998已建成一座3层991m2的细长地道式地冷降温建筑，据称夏天节能约25％，降温效能系数COP＝33。
上述工程实例初步说明，在南、北方地冷降温方式的可行性，但传统模式规模效应有限。传统电能仍不可缺，并缺乏直接利用太阳能的技术措施，除湿问题没有解决或不需要专门解决。对我国南方地区，例如广东珠江三角区，地温一般为20～22℃，湿度很大，因此采用地冷降温相对不利，难度较大。
(2)吸气风塔
是夏天由于热压差被动性吸入热空气并降温的空心圆柱形建筑物，古代已普遍应用于西亚和中西亚干热型气候的地区。但它的降温幅度和规模效应有限，能否结合主动性的设备变成新型的冷塔，值得研究。
(3)蓄热墙与太阳能烟囱的利用
蓄热墙传统上本来是用于冬天太阳能向室内供暖，是否可以适当设计变为“蓄热墙-排气囱”，用来排走夏天室内的余热？1995年有人提出太阳能烟囱，是否也可用来作夏天白天较高温时排走室内余热的通道？这都需要进一点研究。
(4)建筑“中水”作冷却用水
现已有建筑生活废水处理成中水回用的技术，但在我国南方推广仍不多，生活废水处理成中水作为冷却用水目前应用经验还不多，将显现其双重价值，原因是目前用自来水可能更划算。
4、综合评价
利用太阳能致冷技术总的来说还是处在初级阶段，上面已指出其存在的主要问题，已有的技术可归纳为主动性设备和被动性构筑物两类，各有其独立的功能，如何根据具体的环境条件和实际需要，创造实用的整体系统，是开发研究太阳能利用的正确途径。
传统的太阳能建筑还存在着一些缺陷。椐报道，美国于1980年代初期建了约25万栋被动太阳能房，在美国建筑界的评价中提出了批评：造价较高、立面不美观和舒适性差(指室内温度波动及空气洁净度)。法国建筑界也有过类似的争论。英国在露天式风力发电的发展过程中，1995年亦曾引起一些批评，主要是风轮机造成的噪音问题，也有人认为造成风景视觉及某些生态环境的副作用，但据民意调查，多数(约80％)居民仍乐于接受。
发明内容
本发明的目的是对上述现有技术的综合利用，提出一种利用广义太阳能的风塔气流发电方法，其可以代替常规电源，可减少污染。
本发明的目的还在于提供实现上述风塔气流发电方法的风塔气流发电装置。
本发明的目的还在于提供上述风塔气流发电方法与装置的在地下冷/热源直接空调的应用，其适合我国现阶段普通住宅使用。
为达上述目的，本发明采用如下的技术方案：本风塔气流发电方法，是指以人工气流、大气热压差与自然风压共同作用下形成的机械能为原动力，使风塔底部的原动机达到发电的转速并带动异步发电机；通过总抽气机使从风塔顶部吸入的空气从风塔底部经循环气道输送到风塔上部而形成循环气流，同时通过水泵将地下水抽至风塔上部喷淋细水滴，所述人工气流是循环气流与喷淋细水滴共同形成的气水混合流，总抽气机、水泵的起动用电通过外电网或系统内部蓄电池提供；当所述原动机正常运转且异步发电机正常发电后，通过电源切换自动控制装置快速切换为由异步发电机输出电力，与蓄电池共同维持系统内总抽气机、水泵及控制装置的用电，并可对蓄电池充电或向系统外输出使用。
实现上述风塔气流发电方法的风塔气流发电装置，其包括风塔、原动机、异步发电机、总抽气机、水泵、喷淋装置、地下集水井、蓄电池、电源切换自动控制装置，原动机为竖轴旋桨式风轮机或涡轮机，其安装在风塔内下部中央；风塔顶部有空气入口，风塔旁侧还设有连通其底部与上部的循环气道，总抽气机设在循环气道出气口；喷淋装置装在风塔内上部，水泵与地下集水井、喷淋装置分别连接，地下集水井与风塔下端设有的尾水池连通；原动机通过传动机构与风塔外的异步发电机连接，电源切换自动控制装置输出端分别与总抽气机、水泵的马达自动起动器连接，其输入端分别与异步发电机、蓄电池、外电网连接，蓄电池与电源切换自动控制装置之间连接有交流/直流(AC/DC)逆变器。
所述风塔是本气流发电和地冷/热直接空调的枢纽，它是一个耸立于地面上或相连于建筑物并高于建筑物顶部的特殊构筑物，其中间段的内截面为圆形，其主要功能是提高气流效能；风塔的顶部呈喇叭形，所述空气入口呈环形，空气入口总面积大于风塔内截面平均面积，以尽量利用和收集现成风力，空气入口设有可控多边闸门，当自然风速达到原动机起动水平时对闸门进行主风向启/闭自动控制装置，当自然风速未达到原动机起动风速时闸门全部开启；为了使原动机可以在很低的自然风速甚至零风速下正常起动并运转，所述原动机设有气流速度自动控制装置，其信号输出端与总抽气机、水泵的马达自动起动器连接，其电源输入端与电源切换自动控制装置连接，进行负反馈闭环控制；所述循环气道通过总抽气机的抽气作用，使塔内气温循环降温(夏天)或循环升温(冬天)，其热交换效率比传统地道式高得多。
所述风塔气流发电方法在地下冷/热源直接空调系统的应用，是指所述风塔与地下冷/热源直接空调系统的建筑物互相连通，循环气流经喷淋水冷却后通过总抽气机经风道输送到建筑物内各层的各空调室；所述建筑物设有向上排气的太阳能复式烟囱与各空调室连通；各空调室内余热通过建筑物的太阳能蓄热墙-排气囱排出建筑物；所述太阳能蓄热墙-排气囱包括蓄热墙及其外侧的单层透光玻璃、复式排气囱，所述单层透光玻璃与蓄热墙之间有一通气夹层，该通气夹层相应建筑物各层上部位置设有出气口分别与所述复式排气囱连通，蓄热墙相应建筑物各层下部位置设有进气口与所述通气夹层连通；蓄热墙外表面是高吸收系数的深色涂层，而蓄热墙的内表面(室内)设有强隔热涂层或隔热塑料层；在夏天，所述通气夹层通过蓄热墙下部进气口不断吸出室内的空气，该空气带走室内部分余热，所述通气夹层内的空气在太阳光或辐射的作用下蓄热而产生高温热气流，在烟囱效应下不断上升，从各层相应的通气夹层出气口向复式排气囱排出，而蓄热墙内表面有强隔热层，使夹层中传入室内的热传较小，从而排出各空调室内的余热；排出的余热可用作干燥剂再生的热能；所述各空调室还设有连通各层向上排气的内还设有排风机，其与电源切换自动控制装置连接，当太阳能不够，太阳能蓄热墙-排气囱效果不好时，启用排风机排风.
所述建筑物是包括普通住宅、公共建筑(学校、医院等)的小型多层建筑，或者是设有电梯竖井的中高层住宅，所述小型多层建筑为3～7层，所述中高层住宅为8～10层；所述建筑物室内总空调面积与风塔气流发电能力相匹配，每幢小型多层建筑的室内总空调面积小于1000m2。
作为优选的方案之一，当所述建筑物为小型多层建筑时，可采用集中循环冷却与分散除湿或干燥剂再生的组合形式：所述风塔在建筑物的一侧，循环气道与各层风道连通，所述建筑物各层楼梯转台处还设有与风道连通的分散式除湿/干燥装置。
作为优选的方案之二，当风塔同时向两座以上小型多层建筑物供气时，可采用风塔加地道与集中除湿/干燥的组合形式：所述风塔位于各建筑物之间，所述建筑物的地下室通过输气地道与风塔底部循环气道的出气口连通，输气地道内设有地道抽气机，地下室顶部通过总送风口与各层风道连通，总送风口处设有总送风机，地下室内设有集中式除湿/干燥装置，地下室还设有太阳能蓄热墙-排气囱的热气体总入口、总出口及设于总入口处的辅助抽气机，所述地道抽气机、总送风机、辅助抽气机的马达起动器分别与电源切换自动控制装置、气流速度自动控制装置连接。
作为优选的方案之三，当建筑物为设有电梯竖井的中高层住宅时，可采用核筒式风塔与直接除湿/干燥的组合形式：所述风塔位于建筑物的中间，风塔对称设有4条循环气道，其分别与各层风道连通，所述太阳能蓄热墙-排气囱内各层设有间歇性轮换开关阀门自动控制的直接式除湿/干燥装置，使空调室内分别定时处于进气、排气状态，即进气时冷气干燥，排气时干燥剂再生。
在所述方案一～三的情形中，由于循环气道同时又是向各空调室送风的主通道，所以可采用定时段间歇式控制方式，在各层风道入口处设有送风主阀门，例如可间歇时间若干分钟开启送风主阀门一次，在此时间间隔内，一是为了保证气流经过几次风塔喷淋循环冷却达到足够的低温(其极限是地下水温)；二是保证送风在除湿/干燥通道内有足够的时间除湿或干燥剂再生。
所述分散式、集中式、直接式除湿干燥装置采用可移动的抽屉式干燥剂。
所述建筑物还设有地下集水池，其与水泵连通，通过把建筑物排出的生活废水集中净化处理中水后，作为喷淋装置使用地下水时蒸发消耗的补充。
以夏天降温为例，对本发明所述风塔气流发电及其在地下冷/热源直接空调的应用的工作原理说明如下：
(1)风塔底部内安装的原动机为竖轴旋浆式风轮机或涡轮机，便于人工控制与提高气流速度及能量，并降低噪声，旋转叶片的离心力使气水分离。
(2)通过风塔内气流发电速度控制装置，使异步电动机的自动起动器自动起动原动机并达到正常运转转速，有传统电源(电网)时由电网提供起动用电，否则由蓄电池提供(首次蓄电池充电必须由传统电力预先完成).
(3)原动机通过传动轴带动小型异步发电机(一般选取异步异步发电机)，正常起动并在其理论同步转速附近正常运转。
(4)由本系统内电源切换自动控制装置，快速切换成由气流发电与蓄电池联合供给本系统全部负荷。
(5)于是，在风塔中装设风轮机，通过气流发电提供地下冷/热源直接空调系统中有关动力设备及自动控制装置所需电力，发电后的冷/暖空气流再用作建筑物室内适度空调。
(6)一定深度下的大地是较稳定的冷/热源，夏天只需将风塔吸入的热空气集中降温处理及分散或集中除湿处理成适度的冷气后，输送到建筑用作空调，故采用地冷/热/源的直接空调方式，可节约传统空调设备制冷所耗费的大量电能，
(7)以地下水为天然冷媒，通过抽水喷淋冷却循环系统，进行风塔内喷淋冷却，或结合浅埋地道或地下室的降温方法和结构，实现对空气的降温，同时还可以集中建筑生活废水处理成合格的“中水”，直接应用或间接用以补偿抽取地下水喷淋时的蒸发消耗，可以节约用水。
(8)夏天时，通过太阳能蓄热墙-排气囱，并且多层建筑物的各个空调室可利用太阳能复式烟囱，共同排走室内的余热。
(9)对夏天湿热型气候，有必要通过除湿/干燥装置对空气进行除湿处理，并可利用太阳能蓄热墙-排气囱的太阳热能，间歇地使干燥剂再生。
(10)采用现有设备方便地组成的自动控制系统，如原动机处气流速度控制装置、电源切换自动控制装置、除湿或干燥剂再生轮换控制装置，通过简易操作，实现各电气设备开关、阀门启闭的控制。
本发明相对现有技术具有以下优点与有益效果：
(1)风塔气流发电和传统的露天式(直接驱动式)小型独立式风力发电比较，具有下列优点：
1、即使在自然风速为零的情况下，也可正常发电；当自然风速不等于零时，气流发电效能提高，人工气流发电与自然风力发电可以兼容。可与外部常规电网互联供电，当外部常规电网停电甚至无外部电网时，仍可人工气流发电。
2、在同一地区同一地点处，相同风轮机直径的气流发电能力(千瓦)估计可高出1个数量级，发电总效能高出几倍(据广州地区风力数据)。
3、风塔气流发电后的人工冷/暖气流(利用地下冷/热源)顺利地结合用作建筑空调，只需增加少量的电力负荷，蓄电池设计容量也较小。
4、风轮机装于塔内，可避免运转噪音。
风塔气流发电和同装机容量的小型太阳光伏发电比较，不受当地太阳光能丰富程度(有开发价值)的限制，相关技术相对简单，估计工程总造价及成本较低(现阶段来说)，特别是，对风塔气流发电用于直接空调来比较，这种优势更为明显。
(2)本发明提出的地冷/热源直接空调方式和常规的独立式空调器比较，具有下列优点：
1、节能——因毋需制造冷(热)源，只需输送冷(暖)气，故动力设备耗能(电)量约等于常规空调的1/6～1/5；冷效能系数远高于常规空调的值；完全取代常规空调所需传统电能也是可以的，这决定于气流发电能力与空调面积的合理匹配.
2、健康——输入室内的是经过喷淋净化、除尘、加氧和除湿的完全新风，长期使用，也不会发生常规空调的“空调综合症”。
3、夏凉冬暖——对夏天炎热型(湿热型)地区，室内适度空调气温约28～30℃，相对湿度低于70％；冬天可适度升温，使直接空调有效时间增加。这主要决定于当地地下水的温度(广州地区地下水年平均温度约20℃)。假如长江流域地区地下水的年平均温度为17℃，直接空调使室内气温升高或降低7℃，效果值得重视。
本发明采用循环喷淋冷却(加热)的方式，比传统的细、长地道的被动式热交换效率更高；太阳能蓄热墙-排气囱使室内直接空调效能进一步提高。
(3)促进“中水”回用，节约生活用水。
在地下水较丰富的地区，用作冷却(加热)的水源为合格的地下水，喷淋冷却(加热)时的蒸发消耗由生活废水处理成合格的“中水”补偿；在地下水较缺乏或地下水位过低的地方，可考虑直接以建筑小区集中处理的“中水”为水源，即预先积集于数个地下水井中进行预冷(预热)，轮流使用。结果不仅每户平均可节约50％左右的生活用水，而且促进“中水”开发，贮水于民，具有防灾备荒的战略意义。
(4)环保与减少污染
1、风塔气流发电每1万度电(千瓦·小时)代替燃油化石类发电，约可减少大气中10吨二氧化碳和0.14吨二氧化硫。
2、风塔内每次喷淋冷却，意味着对污染的大气进行了一次局部的过滤，减少大气的污染(包括热污染)。
3、生活废水处理成中水，减少水环境污染。
(5)典型普通多层住宅的应用效益
选择单幢6～7层的普通住宅为夏天降温的典型建筑，每幢建筑面积约1300m2，以总空调面积约1000m2为计算单元(注：指户内面积之和，例如12户×90m2)，以便估计其所需增加的投资与综合经济效益，包括节能、节水以及由于局部环境因素的改善带来的直接与间接(例如税收优惠、作为商品房价格适当提升等)的经济效益。按广州市地区目前的价格成本指标估计，风塔气流发电应用于上述单元住宅直接空调，比常规独立式空调增加的投资费用，折算到总建筑面积去为每平方米增加几百元，虽比每户安装太阳能热水器附加投资高些，但投资回收年限差不多甚至较低。其综合经济效益对不同产权身份的开发商或投资者和用户，可获得“三赢”的结果。
比上述单元建筑面积更大更高的单幢建筑物或建筑小区，采用本发明技术理论上和技术上说仍然可行，只是受经济指标的限制，需要技术经济方案比较。当采用更高的核筒式气流发电时，还可以进一步考虑气流发电应用于8～10层住宅建筑的电梯用电的可行性。
至今已建成的传统被动式地道降温的最大建筑面积是1998年南韩建成的一座3层991m2建筑，其夏天节能(电)率约26％，降温效能系数COP＝33。本发明技术应用于单幢1300m2左右的典型建筑面积和节能率已经突破了这一纪录。更主要的是采用循环喷淋冷却的方法和结合南方除湿的要求，降温热效率和经济效益更高。
(6)社会经济与环境效果
本发明技术具有藏电于民、系统性节能和节约环境资源、减少污染等社会经济与环境等长远效益。
概括来说，本发明突破了下面几个传统局限——被动式太阳能利用技术只能应用于太阳能丰富的地区；传统风力发电在自然风能密度较低的地区没有应用价值；常规空调完全依赖于传统电源(电网)供电；太阳能致冷-空调(吸收式)仍需少量常规电源辅助。
在评价本发明技术的应用价值时，虽然第一期开发目标是区区不到10千瓦的发电水平，但它不是单纯为了发电，也不是单纯为了空调，而是“空气发电-空气调节”的结合，一举两得，自成体系，自力更生，便于小型普通住宅应用和民营开发，其造价及其还本年限目前就具有市场竞争能力。可以设想，如果在常规能源(资源)缺乏而风能较丰富的广东沿海等地区的中小城镇中成功开发推广应用本发明技术，来取代常规空调及其所需的常规电力，设200万户每户按节约2.5千瓦常规空调设备计，则可节省500万千瓦电网装机容量，这相当于2.8个大亚湾核电站或几个大型火电站；可取代年消耗约1200万吨燃油的众多小型燃油机发电，这约等于广东省目前所有小型燃油异步发电机耗油量的50％以上；同时每年节约4.5亿吨左右的生活用水，相当于省去建设几个大型供水水库及相应规模的给排水系统。
风塔气流发电减少大气中的二氧化碳，按《京都协议书》的规章，排放超标的二氧化碳，其抵偿(“购买”)现价是每吨8.6欧元。
附图说明
图1是本发明风塔气流发电装置应用在地下冷/热源直接空调的工作原理图；
图2是本发明地下冷/热源直接空调的一种结构示意图；
图3是图2所示地下冷/热源直接空调的截面示意图；
图4是本发明地下冷/热源直接空调的第二种结构示意图；
图5是图4所示地下冷/热源直接空调的截面示意图；
图6、7、8分别是图4所示地下冷/热源直接空调局部A、B、C的放大结构示意图；
图9是图4所示地下冷/热源直接空调I-I截面结构示意图；
图10是本发明地下冷/热源直接空调的第三种结构示意图；
图11是图6所示地下冷/热源直接空调的截面示意图。
图12是图1所示气流速度自动控制装置的控制原理图；
图13是本发明风塔气流发电装置应用在地下冷/热源直接空调时热能的输入-输出原理图；
图14是本发明风塔气流发电时机械能量的输入-输出原理图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细说明，但本发明的实施方式不限于此。
实施例一
如图1、2所示，本风塔气流发电装置，其包括风塔1、原动机2、异步发电机3、总抽气机4、水泵5、喷淋装置6、地下集水井7、蓄电池8、电源切换自动控制装置，原动机2为竖轴旋桨式风轮机或涡轮机，其安装在风塔1内下部中央；风塔1顶部有空气入口，风塔1旁侧还设有连通其底部与上部的循环气道9，总抽气机4设在循环气道9出气口；喷淋装置6装在风塔1内上部，水泵5与地下集水井7、喷淋装置6分别连接，地下集水井7与风塔1下端设有的尾水池10连通；原动机2通过传动机构与风塔1外的异步发电机3连接，电源切换自动控制装置输出端分别与总抽气机4、水泵5的马达自动起动器连接，其输入端分别与异步发电机3、蓄电池8、外电网连接，蓄电池8与电源切换自动控制装置之间连接有交流/直流(AC/DC)逆变器.如图3所示，异步发电机3、水泵5、蓄电池8可设在机房11内.
如图2所示，风塔1的中间段的内截面为圆形，其主要功能是提高气流效能；风塔1的顶部呈喇叭形，所述空气入口1-1呈环形，空气入口总面积大于风塔1内截面平均面积，以尽量利用和收集现成风力，空气入口设有可控多边闸门，当自然风速达到原动机2起动水平时对闸门进行主风向启/闭自动控制装置，当自然风速未达到原动机2起动风速时闸门全部开启；为了使原动机2可以在很低的自然风速甚至零风速下正常起动并运转，原动机2设有气流速度自动控制装置，其信号输出端与总抽气机4、水泵5的马达自动起动器连接，其电源输入端与电源切换自动控制装置连接，进行负反馈闭环控制；循环气道9通过总抽气机4的抽气作用，使塔内气温循环降温(夏天)或循环升温(冬天)，其热交换效率比传统地道式高得多。
如图2、12所示，气流速度自动控制装置进行负反馈闭环控制时，其反馈值为风塔1内原动机2处的流速或气流动压力，由检测元件26(流速仪或毕托管)检测，该气流速度自动装置随时输出的电操作量输送给总抽气机4、水泵5的马达自动起动器实现直接控制其转速，从而间接控制原动机2的转速。当气流速度未达到要求值时，需增加异步发电机3的电力输入，反之，则减少电力输入。检测数据随时可由监控人员检查。
如图1、2所示，本风塔气流发电装置是这样工作的：以人工气流、大气热压差与自然风压共同作用下形成的机械能为原动力，使风塔1底部的原动机2达到发电的转速并带动异步发电机3；通过总抽气机4使从风塔1顶部吸入的空气从风塔1底部经循环气道9输送到风塔1上部而形成循环气流，同时通过水泵5将地下水抽至风塔上部喷淋装置6喷淋细水滴，人工气流是循环气流与喷淋细水滴共同形成的气水混合流，总抽气机4、水泵5的起动用电通过外电网或系统内部蓄电池8提供；当原动机2正常运转且异步发电机3正常发电后，通过电源切换自动控制装置快速切换为由异步发电机3输出电力，与蓄电池8共同维持系统内总抽气机4、水泵5及控制装置的用电，并可对蓄电池8充电或向系统外输出使用。
如图2～7所示，风塔气流发电方法与装置应用在地下冷/热源直接空调系统时，风塔1与地下冷/热源直接空调系统的建筑物12互相连通，循环气流经喷淋水冷却后通过总抽气机4经风道输送到建筑物12内各层的各空调室13；建筑物12设有向上排气的太阳能复式烟囱14与各空调室13连通；各空调室13内余热通过建筑物12的太阳能蓄热墙-排气囱15排出建筑物12；如图8～12所示，太阳能蓄热墙-排气囱15包括蓄热墙15-1及其外侧的单层透光玻璃15-2、复式排气囱15-3，单层透光玻璃15-2与蓄热墙15-1之间有一通气夹层，该通气夹层相应建筑物12各层上部位置设有出气口15-4分别与复式排气囱15-3连通，蓄热墙15-1相应建筑物12各层下部位置设有进气口15-5与通气夹层连通；蓄热墙15-1外表面是高吸收系数的深色涂层，而蓄热墙15-1的内表面(室内)设有强隔热涂层或隔热塑料层；在夏天，通气夹层通过蓄热墙15-1下部进气口15-5不断吸出室内的空气，该空气带走室内部分余热，通气夹层内的空气在太阳光或辐射的作用下蓄热而产生高温热气流，在烟囱效应下不断上升，从各层相应的通气夹层出气口15-4向复式排气囱排出，而蓄热墙15-1内表面有强隔热层，使夹层中传入室内的热传较小，从而排出各空调室13内的余热；排出的余热可用作干燥剂再生的热能；各空调室13内还设有排风机，其与电源切换自动控制装置连接，当太阳能不够，太阳能蓄热墙-排气囱15效果不好时，启用排风机排风.
建筑物12是包括普通住宅、公共建筑(学校、医院等)的小型多层建筑，或者是设有电梯竖井的中高层住宅，小型多层建筑为3～7层，中高层住宅为8～10层；建筑物室内总空调面积与风塔气流发电能力相匹配，每幢小型多层建筑的室内总空调面积小于1000m2。
如图2、3所示，当建筑物12为小型多层建筑时，可采用集中循环冷却与分散除湿或干燥剂再生的组合形式：风塔1在建筑物12的一侧，循环气道9与各层风道连通，建筑物12各层楼梯转台处还设有与风道连通的分散式除湿/干燥装置16。
实施例二
如图4～9所示，当风塔1同时向两座以上小型多层建筑物12供气时，可采用风塔加地道与集中除湿/干燥的组合形式：风塔1位于各建筑物12之间，建筑物12的地下室17通过输气地道18与风塔1底部循环气道9的出气口连通，输气地道18内设有地道抽气机19，地下室17顶部通过总送风口与各层风道连通，总送风口处设有总送风机20，地下室17内设有集中式除湿/干燥装置21，地下室17还设有太阳能蓄热墙-排气囱的热气体总入口22、总出口23及设于总入口处的辅助抽气机24，地道抽气机19、总送风机20、辅助抽气机24的马达起动器分别与电源切换自动控制装置、气流速度自动控制装置连接。
本实施例的其他部分类同于实施例一。
实施例三
如图10～11所示，当建筑物12为设有电梯竖井27的中高层住宅时，可采用核筒式风塔与直接除湿/干燥的组合形式：风塔1位于建筑物12的中间，风塔1对称设有4条循环气道9，其分别与各层风道连通，太阳能蓄热墙-排气囱内各层设有间歇性轮换开关阀门自动控制的直接式除湿/干燥装置25，使空调室13内分别定时处于进气、排气状态，即进气时冷气干燥，排气时干燥剂再生。
本实施例的其他部分类同于实施例一。
在实施例一～三的情形中，由于循环气道9同时又是向各空调室13送风的主通道，所以可采用定时段间歇式控制方式，在各层风道入口处设有送风主阀门，例如可间歇时间若干分钟开启送风主阀门一次，在此时间间隔内，一是为了保证气流经过几次风塔喷淋循环冷却达到足够的低温(其极限是地下水温)；二是保证送风在除湿/干燥通道内有足够的时间除湿或干燥剂再生。分散式、集中式、直接式除湿干燥装置16、21、25采用可移动的抽屉式干燥剂。建筑物12还设有地下集水池，其与水泵5连通，通过把建筑物12排出的生活废水集中净化处理中水后，作为喷淋装置6使用地下水时蒸发消耗的补充。
如图13、14中所示，整系统是有多种外部能量(风力能、气流重力能、大气压力能、空气热能、地热能、太阳辐射能等)交换的开放性复杂系统，当采取某些人工控制措施(这里主要是抽气、喷淋、除湿/干燥、送气、排气)，就会使系统内部能量的变化朝有利于气流发电和空调方向发展.于是，以风塔与管道的气流状态为功能主体，使气流“发电”与“空调”两者紧密联系起来，构成一个整体系统.
整系统的状态可分为机械能(发电)与热能(空调)两种基本形式来描述，人工系统的主要设计参数也可适当优化。系统的能量平衡也分两方面来评价，其输入-输出基本关系和参数简介如下：
如图13所示的热能开环输入-输出，整系统冷空调的总热工效率为：
夏天，Q冷为向冷房中(总户数)输出的总冷量(kW)；Ei为有关的各种热/冷能量输入(kW)。
冷房的冷效能系数为：
如图14所示的气流发电能量闭环输入-输出，整系统的总机械能(气流发电)效率为：
其中：
N(气电)——气流发电功率(kW)；
N(气流)——由于外界气温与因地下水喷淋使原动机2处气温下降而造成的气流热压差，并由于抽气及重力加速度(g)在原动机2(前截面)处产生的人工气水混合气流的功率，kW；
N(风力)——由于在风塔1顶部的自然风力(风速)压入风塔1，对原动机2产生的有效风能功率(当自然风速为零时，N(风力)＝0)，kW。
Nr——常规电力(电网)供应的电能要求值，由图15的负反馈确定：
Nr＝Nn-N(气电)
Nn＝N(抽)+N(泵)+N(控)
Nn为气流发电系统中的辅助动力设备需要耗费的总电力，kW；N(抽)、N(泵)、N(控)分别为抽气机、水泵和系统内全部自动控制设备(例如电磁开/关阀)所需的电力负荷，kW。分三种情况：
当Nr＞0，表示需要外部提供常规电网电力，此时用节电率度量；
当Nr＜0，表示气流发电有盈余，可以蓄电或作他用，此时用盈电率度量；
当Nr＝0，表示毋需系统外部传统电源，说明气流发电能力与该项目需要基本平衡。
当由蓄电池8起动并运行(Nr＝0)时：
气流发电节电率/盈电率为：
节电率(当Nn＞N(气电))，
盈电率(当Nn＜N(气电))，
当达到正常发电并快速切换成由“气电”供应动力时，Nr＝0，此时系统中蓄电池8需释放/贮蓄的电力为
Ns＝N(气电)-Nn-ΔN
这里Ns＜0为释电，Ns＞0为蓄电；Nn＞0，ΔN＞0。ΔN为要求由蓄电池8补偿的附加电力损耗，由蓄电池8输出的局部闭环补偿(图14)，亦可以按额定Nn值近似预估其开环补偿。
通过小型多层住宅的初步设计计算的数字例说明，本“气电-空调”和太阳能致冷-空调(吸收式)系统比较，在零自然风速下，本系统发电效率ηs(气流发电)和后者的年均总效率的一般值差不多，但冷效能系数COP(冷)高得多。
如上所述，便可以较好地实现本发明。
Claims (9)
1.风塔气流发电方法，其特征在于：以人工气流、大气热压差与自然风压共同作用下形成的机械能为原动力，使风塔底部的原动机达到发电的转速并带动异步发电机；通过总抽气机使从风塔顶部吸入的空气从风塔底部经循环气道输送到风塔上部而形成循环气流，同时通过水泵将地下水抽至风塔上部喷淋细水滴，所述人工气流是循环气流与喷淋细水滴共同形成的气水混合流，总抽气机、水泵的起动用电通过外电网或系统内部蓄电池提供；当所述原动机正常运转且异步发电机正常发电后，通过电源切换自动控制装置快速切换为由异步发电机输出电力，与蓄电池共同维持系统内总抽气机、水泵及控制装置的用电，并可对蓄电池充电或向系统外输出使用。
2.实现权利要求1所述风塔气流发电方法的风塔气流发电装置，其特征在于：包括风塔、原动机、异步发电机、总抽气机、水泵、喷淋装置、地下集水井、蓄电池、电源切换自动控制装置，原动机为竖轴旋桨式风轮机或涡轮机，其安装在风塔内下部中央；风塔顶部有空气入口，风塔旁侧还设有连通其底部与上部的循环气道，总抽气机设在循环气道出气口；喷淋装置装在风塔内上部，水泵与地下集水井、喷淋装置分别连接，地下集水井与风塔下端设有的尾水池连通；原动机通过传动机构与风塔外的异步发电机连接，电源切换自动控制装置输出端分别与总抽气机、水泵的马达自动起动器连接，其输入端分别与异步发电机、蓄电池、外电网连接，蓄电池与电源切换自动控制装置之间连接有交流/直流逆变器。
3.按权利要求2所述风塔气流发电装置，其特征在于：所述风塔的中间段的内截面为圆形，风塔的顶部呈喇叭形，所述空气入口呈环形，空气入口总面积大于风塔内截面平均面积，空气入口设有可控多边闸门；所述原动机设有气流速度自动控制装置，其信号输出端与总抽气机、水泵的马达自动起动器连接，其电源输入端与电源切换自动控制装置连接。
4.权利要求1所述风塔气流发电方法在地下冷/热源直接空调系统的应用，其特征在于：所述风塔与地下冷/热源直接空调系统的建筑物互相连通，循环气流经喷淋水冷却后通过总抽气机经风道输送到建筑物内各层的各空调室；所述建筑物设有向上排气的太阳能复式烟囱与各空调室连通；各空调室内余热通过建筑物的太阳能蓄热墙-排气囱排出建筑物；所述太阳能蓄热墙-排气囱包括蓄热墙及其外侧的单层透光玻璃、复式排气囱，所述普通玻璃与蓄热墙之间有一通气夹层，该通气夹层相应建筑物各层上部位置设有出气口分别与所述复式排气囱连通，蓄热墙相应建筑物各层下部位置设有进气口与所述通气夹层连通；蓄热墙外表面是高吸收系数的深色涂层，而蓄热墙的内表面设有强隔热涂层或隔热塑料层；在夏天，所述通气夹层通过蓄热墙下部进气口不断吸出室内的空气，该空气带走室内部分余热，所述通气夹层内的空气在太阳光或辐射的作用下蓄热而产生高温热气流，在烟囱效应下不断上升，从各层相应的通气夹层出气口向复式排气囱排出，而蓄热墙内表面有强隔热层，使夹层中传入室内的热传较小，从而排出各空调室内的余热；排出的余热可用作干燥剂再生的热能；所述各空调室还设有连通各层向上排气的内还设有排风机，其与电源切换自动控制装置连接，当太阳能不够，太阳能蓄热墙-排气囱效果不好时，启用排风机排风。
5.按权利要求4所述风塔气流发电方法在地下冷/热源直接空调系统的应用，其特征在于：所述建筑物是包括普通住宅、公共建筑的小型多层建筑，或者是设有电梯竖井的中高层住宅，所述小型多层建筑为3～7层，所述中高层住宅为8～10层；所述建筑物室内总空调面积与风塔气流发电能力相匹配，每幢小型多层建筑的室内总空调面积小于1000m2。
6.按权利要求4所述风塔气流发电方法在地下冷/热源直接空调系统的应用，其特征在于：所述建筑物是小型多层建筑，所述风塔在建筑物的一侧，循环气道与各层风道连通，所述建筑物各层楼梯转台处还设有与风道连通的分散式除湿/干燥装置。
7.按权利要求4所述风塔气流发电方法在地下冷/热源直接空调系统的应用，其特征在于：所述风塔同时向两座以上小型多层建筑物供气，所述风塔位于各建筑物之间，所述建筑物的地下室通过输气地道与风塔底部循环气道的出气口连通，输气地道内设有地道抽气机，地下室顶部通过总送风口与各层风道连通，总送风口处设有总送风机，地下室内设有集中式除湿/干燥装置，地下室还设有太阳能蓄热墙-排气囱的热气体总入口、总出口及设于总入口处的辅助抽气机，所述地道抽气机、总送风机、辅助抽气机的马达起动器分别与电源切换自动控制装置、气流速度自动控制装置连接。
8.按权利要求4所述风塔气流发电方法在地下冷/热源直接空调系统的应用，其特征在于：所述建筑物为设有电梯竖井的中高层住宅，所述风塔位于建筑物的中间，风塔对称设有4条循环气道，其分别与各层风道连通，所述太阳能蓄热墙-排气囱内各层设有间歇性轮换开关阀门自动控制的直接式除湿/干燥装置，使空调室内分别定时处于进气、排气状态，即进气时冷气干燥，排气时干燥剂再生。
9.按权利要求6～8任一项所述风塔气流发电方法在地下冷/热源直接空调系统的应用，其特征在于：所述各层风道入口处设有定时段间歇式控制的送风主阀门；所述分散式、集中式、直接式除湿干燥装置采用可移动的抽屉式干燥剂；所述建筑物还设有中水地下集水池，其与水泵连通。
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