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用“超级烟囱”抽走北京雾霾法籍华裔计算机专家李小波

日期:2014-09-28     点击:359    评论:0    查看原图
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。












 
 
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。
 
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