TW201502345A - 冷島效應裝置 - Google Patents

Abstract

冷島效應屬於氣候變化的一種現象，目前，人類對冷島效應的研究僅僅限於科學領域，尚未涉及到技術發明領域。本發明則達成了冷島效應原理在技術領域的首次應用。本發明的冷島效應裝置，包括若干個反光裝置，反光裝置安裝於地面、水面或建築物上方，其反光面與水平面平行或傾斜，可將大部分陽光反射回太空，從而使得反光裝置所在的地表區域形成相對低溫的冷島，冷島與周圍大氣相互作用形成冷島效應，從而達到防暑降溫和抗旱保濕的目的。

Description

冷島效應裝置

本發明涉及一種利用冷島效應原理來達成防暑降溫和抗旱保濕的技術裝置。

冷島效應屬於氣候變化的一種現象，目前，人類對冷島效應的研究包括：城市公園冷島效應和沙漠綠洲冷島效應，而且對冷島效應的研究僅僅限於科學領域，尚未涉及到技術發明領域。本發明則達成了冷島效應原理在技術領域的首次應用。

城市公園的冷島效應對城市夏季的防暑降溫具有顯著的效果，這在諸多科學研究文獻中均有證明，但城市畢竟是城市，不可能為了夏季的防暑降溫而大量地增加城市中公園的面積和數量。因此，城市為了在夏季進行防暑降溫，人們通常採用空調裝置來降低房間內的溫度以達到目的。空調雖然可以降低房間內的溫度，但是空調所排放的廢熱氣，卻使得房屋外的環境溫度升高了。夏季，大量的空調同時運行，使得整個城市環境溫度升高，於是，更多的人受不了炎熱，被迫跟進使用空調，導致城市環境溫度更高。這表明，空調是一種惡性循環的防暑降溫技術裝置，空調使用所消耗的能源，最終轉變成熱能，並加熱了周圍環境的空氣，使得整個環境溫度變得更高，並浪費了大量的能源。

沙漠綠洲的冷島效應對乾旱地區的抗旱保濕具有顯著的效果，這在諸多科學研究文獻中也均有證明，綠洲的冷島效應可以降低綠洲地表的氣溫，減少綠洲的水分蒸發，從而維持和擴大綠洲面積。但要在沙漠中形成綠洲，必須要有大量的水，而水正是沙漠中最缺乏的物質。因此，沙漠綠洲都是天然形成的，人造綠洲目前還沒有。目前，由於人類活動和氣候變化的影響，陸地上許多地區越來越乾旱，人類急需新的技術發明來抵禦乾旱。

由於公園和綠洲含有大量的水，水的比熱大大高於城市建築和沙漠沙礫的比熱，這導致白天在太陽的照射下，公園和綠洲的溫度升高較慢，而周圍區域的溫度升高較快，從而使得公園和綠洲成為相對低溫的冷島。冷島形成後，根據冷島的面積大小，小型冷島上方將形成上熱下冷的逆溫蓄冷型大氣環境，大型冷島則形成高空冷空氣下沉而周圍地表熱空氣上升的對流製冷型大氣環境。這就是冷島效應的原理所在。

由於溫室效應和熱島效應的影響，全球氣候有乾暖化趨勢，正變得越來越炎熱乾旱。當前，人類應對氣候變化的主要技術途徑就是減排溫室氣體，這種辦法見效緩慢，難以產生立竿見影的效果，並對社會經濟發展產生阻礙作用。然而，人類卻忽略了冷島效應的應用，冷島效應可以有效地遏制溫室效應和熱島效應，使得氣候變得涼爽濕潤，對氣候變化有立竿見影的效果，對全球氣候環境的改善有重大的意義。

為了得到冷島，不一定非要公園和綠洲不可，由於太陽才是地表溫度升高的根源所在，所以本發明的目的就是利用冷島效應的原理，通過佈置一定面積的反光裝置，將陽光反射回太空，從而得到相對低溫的冷島。

本發明裝置可以是單個反光裝置，也可以是由多個反光裝置排列組合而成。單個反光裝置的反光面積為幾平方米到幾百平方米，多個反光裝置的總反光面積為幾百平方米到幾千萬平方米，甚至更大。反光裝置可採用捲簾結構，捲簾可展可捲，晴天展開用於反光形成冷島，夜晚或陰雨天可收捲，以便地面採光需要，或者在氣候惡劣時及時收捲以免設備受損。

根據總反光面積的大小，冷島效應裝置可分為大、中、小三種類型：

小型-反光面積小於1萬平方米，以逆溫蓄冷為主的冷島。

大型-反光面積大於1000萬平方米，以對流製冷為主的冷島。

中型-反光面積介於1萬-1000萬平方米之間，兼有逆溫蓄冷和對流製冷的冷島。

本發明具體的技術方案是：一種冷島效應裝置，由單個反光 裝置或多個反光裝置組合安裝於地面、水面或建築物上，形成一個頂部有遮擋的空間；所述反光裝置包括支架和位於支架上的反光面(平面或曲面)，所述反光面與水平面平行或傾斜；單個或多個反光裝置上的反光面的總面積不小於20平方米。

本發明進一步的技術方案是：所述支架上還裝有電動機和導軌，所述反光面為反光捲簾，反光捲簾在電動機的驅動下沿著導軌進行展開或收捲；單個或多個反光裝置上反光捲簾的總面積不小於20平方米。同時，所述反光面也可以為反光折疊簾、反光百葉簾、反光平板、反光薄膜、反光鋁箔、反光錫箔中的任意一種或多種。

為進一步增強本發明的冷島效應，在冷島效應裝置的周圍還設有隔離牆或隔離豎板，以隔離冷熱空氣的對流，增強逆溫蓄冷型冷島的冷島效應。

再進一步地，在所述反光面下方安裝有太陽能發電裝置或太陽能熱水器，在冷島效應裝置的中間或周圍還設有風力發電裝置。這樣既可達成冷島反光降溫，又可達成光電、光熱、風電等能源利用。

在工商業領域，所述冷島效應裝置可與發電廠鍋爐蒸汽冷凝器或中央空調冷卻塔組合使用，為鍋爐和空調提供更低溫度的冷卻介質，從而減少鍋爐和空調的熱污染並提高其能源效率。可見，冷島效應裝置可廣泛應用於鍋爐、空調、熱泵、集中式能源系統、分散式能源系統的冷凝器和冷卻塔，消除設備的熱污染，提高設備的能源效率。

在城市中，冷島效應裝置可採用定向反光材料，把光線經微稜鏡反射後，使光線又回到光源處，從而避免反光對周圍建築物的光污染。

1‧‧‧反光捲簾

2‧‧‧電動機

3‧‧‧導軌

4‧‧‧支架

5‧‧‧隔離牆或隔離豎板

6‧‧‧太陽能發電裝置

7‧‧‧太陽能熱水器

8‧‧‧風力發電裝置

9‧‧‧定向反光面

第1圖為單個反光捲簾的展開和收捲示意圖；第2圖為冷島效應裝置與太陽能發電、太陽能熱水器、風力發電裝置的組合圖；第3圖為小型冷島效應裝置的逆溫蓄冷原理效果圖；第4圖為大型冷島效應裝置的對流製冷原理效果圖；以及第5圖為冷島效應裝置與發電廠鍋爐冷凝器、中央空調冷卻塔組合應 用的俯視圖。

《實施例一：長沙火車站的防暑降溫》

長沙夏季炎熱，素有火爐之稱，長沙火車站全站總面積達7.7萬餘平方米，其中房屋面積1.9萬平方米，站前廣場面積3.7萬平方米，月臺和月臺間鐵道面積2.1萬平方米。火車站的主站房高23米，寬151米，鐘樓高63米。

在夏季的晴天，長沙火車站候車樓採用空調降溫，站前廣場則沒有任何防暑降溫裝置，在陽光直射下，廣場地面熱浪逼人，令人非常難受。

如第1圖所示，可在長沙火車站廣場上方安裝採用反光捲簾1的反光裝置，單個反光裝置的反光捲簾1面積為50平方米，共安裝750塊反光捲簾，捲簾離地面高度為10米，利用鋼支架4安裝於廣場上，鋼支架4上裝有電動機2和導軌3，反光捲簾1在電動機2的驅動下沿著導軌3進行展開或收捲。在夏季的晴天，當氣溫超過30℃時，可啟動電動機2，展開一部分反光捲簾1用於反射陽光，當氣溫超過35℃時，可展開全部的反光捲簾1。如第3圖所示，利用冷島效應，可在廣場上形成相對涼爽的局部環境。

若把候車樓、售票樓、月臺等建築物房頂也全部安裝捲簾反光裝置，可在整個火車站的地表區域形成冷島效應，將大幅度減少長沙火車站在夏季的空調能耗。到了秋冬季節，捲簾可從火車站廣場拆除，支架也可拆除。

《實施例二：敦煌月牙泉的抗旱保濕》

月牙泉位於甘肅敦煌市西南5公里處，位於鳴沙山下，由地下水湧出形成一湖，在沙丘環抱之中，酷似一彎新月而得名月牙泉。在20世紀50年代時，月牙泉東西長218米，中間最寬處54米，平均水深5米，最深處7米。由於人類活動和氣候變化的影響，湖水面積日益縮小，目前，月牙泉東西長約100米，寬約25米，平均水深3米，最深處5米。

為了抗旱保濕，可在月牙泉湖面及周圍地面上方安裝採用反光捲簾1的反光裝置，單個反光裝置的反光捲簾1面積為30平方米，共安 裝400塊反光捲簾1，總反光面積12000平方米，捲簾離地面高度為6米。

當晴天陽光強烈時，可啟動電動機2，展開反光捲簾形成冷島效應，使得月牙泉所在區域的溫度降低，水分蒸發量減少，從而達到抗旱保濕的目的。

《實施例三：毛烏素沙地的抗旱保濕》

毛烏素沙地位於鄂爾多斯高原向陝北高原過渡地帶，沙地面積約4萬平方公里，在行政區劃上包括內蒙古自治區鄂爾多斯南部、陝西省的榆林地區北部、寧夏回族自治區鹽池縣等13個縣、市、旗。毛烏素沙地自西北向東南傾斜，西北部包括從鄂爾多斯中西部高地向東南延伸出來的一些梁地，這些梁地梁面平坦，由於遭受割切，梁間形成若干谷地，自西北向東南為傾斜的沖積平原，當地稱為灘地，這樣構成了“梁”、“灘”平行排列的相間地貌。毛烏素沙地是一個草原氣候條件下的沙地，處於荒漠-草原-森林的過渡地帶，毛烏素沙地大部屬溫帶，位於中國季風區的西陲，年平均溫度6.1-8.2℃，年平均降水量在沙區東南部為400-440mm，向西北逐漸遞減至250mm左右。毛烏素在歷史上曾是水草豐美之地，由於人類活動，導致森林和草原被破壞，自然的冷島效應被減弱，地表水分蒸發加劇，農業用水越來越困難。目前毛烏素各縣糧食生產很不穩定，農民對農業開發信心不足，從而採取廣種薄收的策略，造成區域生態破壞，使得該區域的經濟發展和環境演變陷入惡性循環。

藉由在乾旱而平坦的“梁”地上佈置大面積的反光裝置，可以大幅度減少毛烏素地區的水分總蒸發量，並為農業生產所在的谷地和灘地得到更多的水資源創造條件。反光裝置根據地形地貌分片佈置，覆蓋該地區大部分的梁地，總反光面積2-3萬平方公里，從而在該地區形成若干個大型的冷島區域(如第4圖所示)，其冷島效應將產生顯著的抗旱保濕效果。

《實施例四：“冷島+光伏+風電”組合模式》

由於冷島效應裝置需要佔用大量的地面，而太陽能發電、太陽能熱水器、風力發電裝置也需要佔用大量的地面，若與之組合實施，則在同一塊土地上，可產生更多的收益。

由於冷島效應裝置主要在夏季使用，而太陽能發電、太陽能熱水器則可在冬、春、秋季使用，在時間上達成互補。風力發電裝置則可 減少冷島外部的風力干擾，增強冷島上方逆溫層或高空冷空氣下沉的穩定性。如第2圖所示，其具體組合方式是在反光裝置下方安裝太陽能發電裝置6或太陽能熱水器7，上方具有定向反光面9，當反光裝置收捲或拆除後，太陽能發電裝置6或太陽能熱水器7即可投入使用，或者在冷島周圍佈置若干個風力發電裝置8。這種“冷島+太陽能發電(光熱)+風力發電”組合模式將為陷入產能過剩的太陽能發電、風力發電、鋼鐵、反光材料等行業開拓巨大的市場空間。

《實施例五：冷島效應裝置在發電廠鍋爐冷凝器或中央空調冷卻塔中的應用》

在火力發電廠和核能發電廠的鍋爐系統中，從汽輪機裏出來的蒸汽需要被冷凝成水。習知技術是採用發電廠周圍環境中的水或空氣作為冷卻介質，水或空氣輸入冷凝器中，吸收蒸汽的熱量後再排放到周圍環境中，而蒸汽則被冷凝成液態水後再次輸入鍋爐，進行下一輪發電循環。由於火力發電廠和核能發電廠周圍環境中大量的水或空氣被鍋爐冷凝器加熱後，再排放到周圍環境中，因此火力發電廠和核能發電廠對周圍環境存在著巨大的熱污染；在夏季，由於環境溫度高，導致冷凝器的真空度降低，從而降低了發電廠的發電效率。

例如，長沙望城2台600MW超臨界發電廠鍋爐夏季滿負荷運行時，每小時需從湘江中抽取75000噸水用於冷凝器的冷卻，75000噸水吸熱後溫度升高約20℃，然後再排入湘江，形成巨大的熱污染。若在發電廠鍋爐周圍的空地上，佈置2-3平方公里的冷島效應裝置，每小時可使75000噸水的溫度降低15-20℃，從而大幅度減少發電廠的熱污染，並提高冷凝器的真空度，提高發電廠的發電效率。如第5圖所示，同樣，在空調、熱泵、集中式能源系統、分散式能源系統的冷凝器或冷卻塔周圍的空地上佈置一定面積的冷島效應裝置，可有效降低環境溫度，消除設備的熱污染，提高設備的能源效率。

通過實施例一、二、三、四、五，可見冷島效應裝置具有顯著的節能環保效果。

本發明可廣泛應用於火力發電廠、核能發電廠、中央空調等工商領域，為大型能源設備的冷凝器或冷卻塔提供低溫冷卻介質，大幅度 減少設備對環境的熱污染，並提高設備的能源效率。

本發明可廣泛應用於城市廣場、住宅區、商業區等區域，在夏季時，其防暑降溫作用可改善城市的居住環境，並節約大量的空調能源，具有重大的節能減排意義。

本發明可廣泛應用於旱地、荒漠、沙漠的抗旱保濕，藉由佈置大面積的反光裝置，在幾十到幾千平方公里(甚至更大)的區域內形成冷島效應，減少水分蒸發，將逐步提高該區域的土壤水分含量，增加空氣濕度，從而形成人造綠洲，使荒漠變成農田、草原、森林。

總之，本發明廣泛實施後，將崛起一系列戰略性新興產業，這對中國和世界的經濟結構轉型、節能減排、應對氣候變化、十八億畝耕地紅線的守衛等都將產生重大的利多。

6‧‧‧太陽能發電裝置

7‧‧‧太陽能熱水器

8‧‧‧風力發電裝置

9‧‧‧定向反光面

Claims (8)

1. 一種冷島效應裝置，包括：單個反光裝置或多個反光裝置，組合安裝於地面、水面或建築物上，形成一個頂部有反光面遮擋的空間；所述反光裝置包括支架和位於支架上的反光面，所述反光面與水平面平行或傾斜；所述反光裝置的反光面的總面積不小於20平方米。
2. 根據申請專利範圍第1項所述的冷島效應裝置，其中，所述支架上還裝有電動機和導軌，所述反光面為反光捲簾，所述反光捲簾在所述電動機的驅動下沿著所述導軌進行展開或收捲；所述反光裝置上反光捲簾的總面積不小於20平方米。
3. 根據申請專利範圍第1項所述的冷島效應裝置，其中，所述反光面為反光折疊簾、反光百葉簾、反光平板、反光薄膜、反光鋁箔、反光錫箔中的任意一種或多種。
4. 根據申請專利範圍第1項至第3項中任一項所述的冷島效應裝置，其中，在冷島效應裝置的周圍還設有隔離牆或隔離豎板。
5. 根據申請專利範圍第1項至第3項中任一項所述的冷島效應裝置，其中，在所述反光面下方安裝有太陽能發電裝置或太陽能熱水器。
6. 根據申請專利範圍第1項至第3項中任一項所述的冷島效應裝置，其中，在冷島效應裝置的中間或周圍還設有風力發電裝置。
7. 根據申請專利範圍第1項至第3項中任一項所述的冷島效應裝置，其中，在冷島效應裝置的中間或周圍還設有冷凝器或冷卻塔。
8. 根據申請專利範圍第1項至第3項中任一項所述的冷島效應裝置，其中，所述反光面採用定向反光材料，光線經微稜鏡反射後，又回到光源處。