用“超级烟囱”抽走雾霾
——关于建造垂直风道缓解北京大气污染的设想
◎李小波 （法籍华裔计算机专家）
北京奥林匹克公园内250米高的钉子观光塔，似可作为垂直风道的参考造型。
为了治理中国如北京等大城市严重的大气污染，前不久有关气象部门的专家提出建立“城市风道”，利用打通的街道帮助空气流通的设想。据说，正在修订的北京城市总体规划中将有专门章节阐述有关“城市通风街道”内容。不仅是北京，杭州、上海、南京、株洲、贵阳、福州等多个城市，也传出将进行城市风道规划，治理大气污染的消息。
考虑到建立城市水平风道的难度和无法随意获得风源的情况，法籍华裔计算机专家、本文作者李小波博士提出“建立垂直风道，利用烟囱效应和太阳能产生风力，解决北京空气污染问题”的大胆设想。
法籍华裔计算机专家李小波
笔者上世纪80年代初出国后从事计算机方面的工作，常年生活在欧洲，最近几年才开始经常回国。最初回到北京，半夜睡觉会突然感到嗓子内某一点很痛，像被小钳子夹住一样，估计是什么化学污染颗粒钻进喉咙所致。每次回国都需要一周左右才能适应，让不时钻进嗓子的“小钳子”逐渐消失，也逐渐习惯了北京的空气污染。没想到，世纪初的污染仅仅是场噩梦的开始，十多年后的今天，北京的雾霾日益加重，变得令人窒息。清晨打开窗子，一股烟味迎面扑来，对面百米外的建筑常常消失在浓雾中。我常常琢磨，北京的雾霾问题究竟该怎么解决呢？
澳大利亚正在建设的太阳塔利用太阳能加热空气造成空气对流，推动涡轮机实现发电。
大气环流和雾霾聚散
笔者发现，雾霾在北京周围聚集，其消散完全靠风。到了冬季，风力小于三级的天气非常多，雾霾往往在北京聚集一周，浓度一日甚于一日，PM2.5的指数从300到500，甚至飙升到700和900。至于雾霾的多种来源因为不是本文主题，就不详述了。
大家知道，大气的环流形成风，可以吹散、稀释空气中的污染物。通过风的作用，局部聚集的高浓度雾霾颗粒在广大空间散开，密度大大降低，逐渐沉降地面。而在无风的天气，雾霾无法消散，PM2.5颗粒甚至可在空中悬浮半个月以上。
大家都发现，北京的夏天雾霾天较少，蓝天白云的日子相对多一些。这是由于阳光暴晒时，地表比空气吸热更快，受此影响，附近空气的温度高于上空空气，下热上冷的状态导致热空气垂直上升。随后，空气不断变冷，热空气每上升100米温度下降摄氏0.649度左右，上升到10公里以上，温度可低到摄氏零下50多度。这时空气逐渐停止上升，开始横向运动，然后下沉，在地面横向流动补充升高空气，从而形成环流。
赤道地区热空气上升快，会冲到十七八公里的高度，形成低纬度环流；南北极则热空气少，空气流动形成极地环流，对流层厚度只有七八公里；赤道和极地之间的空气对流被称为中纬度环流，地球上对流层的平均厚度是十一二公里。
阿联酋的迪拜塔身为世界第一高楼，出于防火需要，建筑师设计了很多横向风道来限制烟囱效应带来的空气垂直对流。这与治理雾霾的设计角度刚好相反。
环流弱逆温强成就雾霾天
大气环流虽然有一定的规模和走向，但也有随机的因素。一年之中，有时候一连几天刮大风，有时又会连续多日风力微弱。在无风的天气，空气污染物只能指望随着地面空气被太阳加热造成向上流动来消散。
但是，在特定气象环境下，空气的冷热布局会上下颠倒，即下层冷，上层热，形成逆温层。由于冷空气重，热空气轻，这种上轻下重的稳定结构压制了空气的垂直运动，使得近地面的冷空气无法向上流通，雾霾被紧紧地压在地面和低空附近不能消散。这样的情况下，污染物跑不出去，就会在空气中不断积累，PM2.5的浓度随之升高。
那么，能否找到一种办法，能在无风和逆温的情况下让贴近地面的污染颗粒物快速消散？
2013年1月20日，美国犹他州盐湖城山谷出现了逆温效应，逆温层边界十分明显。
北京建横向风道行不通
北京人应该体会到，炎热的夏天北京常常一连几天没有一丝风。有时天气预报说当天有三级南风，可是走在东西向的大街上一点都感觉不到。大街两侧的楼一座挨一座，形成的高墙挡住了风，只有走到一个有南北向的路口才能感觉到风。夏日闷热的夜晚，在北京金宝街的一个十字路口附近，你会看到很多当地居民聚集在那里享受凉爽的南风，只有在路口南风才得以通过，在长安街上的建华南路路口也有类似情况。到了冬天，偏北风同样会被马路两侧的建筑阻挡，风力大大降低。北京本身是一个三面环山的城市，加上摊大饼的建设模式，城市四周比城市中心地区的建筑物要高，大气层最下面100米的接地层空气“拥堵”严重。
有人建议在北京开辟风道，一些街道从南至北不受任何阻挡，让风穿城而过。这些提议在北京的城市规划讨论中已经进入议题。前不久举行的2014城市环境国际学术研讨会上，就传出这样消息。
但是，在经过几十年大规模密集城市化建设的北京，是否还可能找得到风的主要通道呢？这要打一个大大的问号。冬季雾霾满京城说明北京的风道都已经堵死，再拆不大现实，也解决不了问题。因为在静稳天气和逆温层出现时，即使有风道也没有风源。
2001年秋冬北京城郊逆温层高度和强度数据图
建立垂直风道抽走雾霾
笔者大胆设想：能否利用烟囱效应，建立若干个垂直空气通道，从而制造风源形成对流，抽走北京的雾霾？
烟囱效应的形成有几个条件：首先，烟囱内底部比顶部温度高，空气向上流动。其次，烟囱顶的内部比外部温度高，内部空气会向外扩散。再有，受烟囱壁的限制，内部的空气运动受限，无法向四周扩散，向上的压力加大。
垂直风道应该建多高，直径多大，动力来自哪里，风速应该保持多少，都需要经过专家的论证。当然，选址、环保、安全等因素都需要科学评估，比如抗震性能必须足够强悍、地点避免贴近飞机起降航线等等。
笔者的想法也受到澳大利亚“太阳塔”的启发。太阳塔由德国Jorg Schlaich教授设计，目前尚在施工中。项目的主要数据是，塔高1000米，直径130米，入口温度摄氏70度，出口温度摄氏20度，塔底层的温室直径为7000米，风速60千米/小时，上升的气流推动塔顶的涡轮发电，造价约3亿美元，发电能力为200兆瓦，可满足约20万家庭的用电需求。早在20年前，澳大利亚的太阳塔已通过了小型样板装置的中试，证实太阳能风道是可行的。
太阳塔的主要目的是利用气流的动能发电，我们为什么不能用它的原理对付逆温效应呢？
2013年8月17日是雾霾在烈日作用下垂直扩散比较典型的一天。当天凌晨，北京城区PM2.5的浓度还高达每立方米100多微克，到了照片拍摄时的16:35，被阳光炙烤大半天的PM2.5只剩下每立方米20多微克。
逆温层高度决定“烟囱”高度
笔者查找并分析资料了解到，不同的环境下会形成不同的逆温层。
在热带，上升的空气到亚热带高空形成热高压，从十几公里的高处向下沉降，上空温度相对高，底层空气无法上升，污染滞留积压在近地层。不过，太平洋上的副热带高压冬天对中国影响很小，不是中国雾霾的主要原因。
海洋暖气流横向吹到高空也可以造成逆温，冷气流沿着山地地面扩散也可以造成逆温，但是这都不是造成北京地区逆温的原因。
北京的逆温多发生在阴天和冬季的夜晚。白天晴好干燥的天气使得大地吸收的阳光很快辐射到空气中，距离地面不远的空气温度升高，但是太阳落山以后，地面温度迅速下降，停在空中的温暖空气不上不下，在接近地面的空中形成了逆温层。这个逆温层的底层距离地面多少米？逆温层的厚度是多少？逆温层上下温差是多少？
这方面的最新资料笔者没有来源，但是气象部门曾经发布过2001年北京城区和郊区秋冬季逆温的具体数据。从空间上看，冬天逆温层的底层距离地面在城区比较高，最多为385米，在郊区比较低，经常贴在地面上；逆温层的厚度在秋天不超过300米，冬天不超过200米；逆温层上下的温差不超过5摄氏度。而在时间方面，逆温层的厚度和温差在凌晨达到高峰；日出后的上午8点逆温层快速消失；郊区的逆温常出现在18点，由于热岛效应，城区的逆温来得稍晚，多在晚上20点出现。
这样我们就可以对垂直风道进行一番简单计算：
预计建一个如“超级烟囱”般的垂直风道，其内部温度变化与外部逆温层相反，有一个下热上冷的环境。风道上端出口的温度要高于风道外空气的温度，这样才能在风道内产生上升气流。
风道最好选建在近郊区，在城区热岛之外，那里的逆温层贴近地面，风道可以建得比较低。
考虑到北京逆温层形成主要发生在晴好天气，利用太阳能问题不大。由于逆温主要发生在晚间，需要白天蓄积热量，晚间逐渐释放。
假设“烟囱”高度为250米即可穿透逆温层。在“烟囱”下端利用太阳能将空气加热到摄氏16度，上端出口温度为摄氏10度，上下温差6度，超过逆温层的最大温差5度。根据假设，还可以利用公式近似地计算出风道内的风速和空气流量（计算公式略）。根据计算结果，可以求出通道内的风速为每秒5米，相当于三级风。如果“烟囱”风道的直径为20米，截面积是10米×10米×3.14=314平方米，每秒通风量可高达1570立方米，可以大量地消散空气中的雾霾。
热空气从上端离开风道后，温度仍然高于其上方的空气，加上出口的三级风，在逆温层中将形成一个很长的垂直上行空气通道。
垂直风道建设假想
如何利用太阳能使“烟囱”底部温度增高，让风道内的空气具有上升动力呢？可以借鉴澳大利亚太阳塔的办法：风道下端周围建造大面积的太阳能玻璃暖房，利用温室加温。白天利用闷棚技术，让太阳光透过玻璃加热温室空气，积累热量。温室外壁阻止热量向外辐射，温室底部铺设蓄热物质。
太阳落山以后，打开通风管道，逐渐释放热量。每秒通风量1500立方米，20点到次日 8点共43200秒，总通风量可高达6000万立方米，通过温室入口控制风流量，温室内空气与外部冷空气混合后输入通风管道，可以通过高温以及水池等蓄能材料，减少温室容量，希望温室总容量和蓄热能力可以带动20倍的通风量。那么我们需要的温室容量为324万立方米，温室高30米时，共需要温室面积10万立方米左右，长340米，宽300米。
笔者设想，建立一个或多个250米高的通风塔，不仅可以解决逆温层的问题，也可以解决无风天气的风源问题。
“超级烟囱”的其他功能
风道的建设可以考虑设置涡流发电装置。澳大利亚太阳塔的发电成本较高，经济方面的核算较难通过。出于经济的考虑，我们在建立风道时，可以不附加发电功能，这样对风力强度的要求会下降，对温室面积、管道高度、发电设备等投资的要求，均会大大减少。
考虑到城市规划和美学方面的要求，“超级烟囱”外观装饰可以参考上海对旧烟囱进行装饰的思路，可安装具有观赏性的巨大LED温度计或广告屏等实用功能。
如果要节约成本，也可以论证一下能否对现存的废弃老烟囱进行改造，使其变身为垂直风道。
当然，建造通道也可以考虑利用光秃陡峭的山体，或者建成金字塔状，不一定非得是烟囱或高塔的形式。
参照太阳塔的实践模式，本文提出的清除雾霾风道也应该通过小型样机试验，验证设想的可行性，获得温室尺寸的实际数据，对造价进行估算。
俗话说，隔行如隔山。笔者有关修建“超级烟囱”——垂直风道的设想，还仅仅是一个假想，只是提出一个别人或许还没想到的思路，具体能否实现，还需要建筑学家、热力学家和太阳能专家等各个领域专家的仔细论证，也欢迎社会大众参与讨论如何解决城市雾霾问题。
