南風(fēng)古灶通風(fēng)奧秘探究及其原理在現(xiàn)代智能工程中的應(yīng)用設(shè)想

臧敏

摘要：通過(guò)對(duì)南風(fēng)古灶利用自然條件巧妙解決通風(fēng)問(wèn)題的研究，為現(xiàn)代地鐵、隧道、地下人防工程、玻璃幕墻密封的高層建筑、垂直升降電梯等需要通風(fēng)的現(xiàn)代智能工程，提供一種利用自然條件解決通風(fēng)問(wèn)題的新思路。研究過(guò)程中根據(jù)伯努利原理和柯恩達(dá)效應(yīng)，解釋了南風(fēng)古灶利用自然條件通風(fēng)的奧秘；在現(xiàn)代提倡綠色環(huán)保的大背景下，利用自然條件解決現(xiàn)代智能工程需要通風(fēng)的問(wèn)題，能節(jié)省大量的能源，有較好的應(yīng)用前景和研究?jī)r(jià)值。

摘要：南風(fēng)古灶；自然條件；通風(fēng)奧秘；現(xiàn)代智能工程

中圖分類號(hào)：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2018）07-0251-03

1 研究背景

在南海石灣有座建于明代正德年間（1506-1521年）非常著名的南風(fēng)古灶，五百多年來(lái)，它克服了自然環(huán)境下的各種惡劣境況，窯火不絕，生產(chǎn)不斷，并至今得以保存完好。特別是古灶的通風(fēng)結(jié)構(gòu)的巧妙設(shè)計(jì)：古灶既沒(méi)有我們常見(jiàn)的大煙囪，也沒(méi)有現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)下的大型鼓風(fēng)機(jī)，整個(gè)龍窯猶如一條長(zhǎng)龍蜿蜒趴在地面，在沒(méi)有現(xiàn)代電力的條件下，它充分利用自然地理環(huán)境的資源，解決了現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)下都很難解決的古灶通風(fēng)問(wèn)題。幾百年前的人們是怎樣利用自然條件解決通風(fēng)助燃的問(wèn)題？這些利用自然條件解決通風(fēng)問(wèn)題的方法我們能否應(yīng)用于地鐵、隧道、高層建筑等現(xiàn)代智能工程當(dāng)中。圍繞這些問(wèn)題，我展開(kāi)了一系列的調(diào)查、分析與探討。

2 古代窯的主要通風(fēng)方式的調(diào)查

古代窯按窯爐形制來(lái)分，最常見(jiàn)的有饅頭窯、龍窯、馬蹄窯、階級(jí)窯等多種，北方的平原地區(qū)多使用饅頭窯，而南方的山區(qū)、半山區(qū)則多依山建造龍窯。為此，我通過(guò)幾年時(shí)間的實(shí)地調(diào)研和網(wǎng)上查找，收集了一些古窯的資料，并重點(diǎn)收集了這些窯的通風(fēng)設(shè)計(jì)情況，具體如下：

1）饅頭窯：饅頭窯始于商代中后期，因火膛和窯室合為一個(gè)饅頭形的空間，故稱為“饅頭窯”，它主要利用夾墻豎煙道產(chǎn)生的抽力來(lái)控制一定的空氣進(jìn)窯，火焰流向呈半倒焰式，都是靠排煙孔調(diào)節(jié)燃?xì)獾牧髁俊1]

2）龍窯：龍窯始于商代，多依山坡或土堆傾斜建筑，窯長(zhǎng)多在20—80米之間，形似長(zhǎng)龍，故稱之龍窯。龍窯窯室分窯頭、窯床、窯尾三部分，窯頭有預(yù)熱室，窯尾一般不設(shè)煙囪，大多采用自然通風(fēng)方式，窯內(nèi)火焰多平行窯底流動(dòng)。[2]

3）馬蹄窯：是饅頭窯的一種，屬于半倒焰窯，因窯的平面狀似馬蹄形而得名。馬蹄型窯在唐代到元代流行于北方地區(qū)，其通風(fēng)排煙原理與饅頭窯類似，都是靠排煙孔調(diào)節(jié)燃?xì)獾牧髁浚⒁劳袏A墻豎煙道產(chǎn)生的抽力來(lái)控制的空氣進(jìn)窯。

4）階梯窯： 是以磚等材料在傾斜度為[10°]-[20°]的坡地筑成，由窯門、火膛、若干個(gè)室等組成，一般分為5至10間窯室，各室依次相連，一室高于一室，有如階梯，故名階梯窯。階梯窯是由宋元時(shí)期的分室龍窯發(fā)展而成，最早出現(xiàn)福建地區(qū)，在通風(fēng)設(shè)計(jì)上，它同時(shí)具有龍窯和饅頭窯的特點(diǎn)。

3 南風(fēng)古灶通風(fēng)的獨(dú)特結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為了探究南風(fēng)古灶通風(fēng)設(shè)計(jì)的奧秘，我多次實(shí)地考察了南風(fēng)古灶，發(fā)現(xiàn)南風(fēng)古灶比之前我了解的窯灶進(jìn)行了不少改進(jìn)，如從窯的火眼到窯的長(zhǎng)度，從建筑選址到傾斜角度的設(shè)計(jì)，還有整個(gè)古灶它的內(nèi)空直徑從窯頭到窯尾等都有一些變化，詳細(xì)發(fā)現(xiàn)如下：

1）選址獨(dú)特

南風(fēng)古灶的建筑選址非常講究，它選擇了一座小山丘，伴山而建，且南風(fēng)古灶的爐口正向南方，以便自然風(fēng)更順暢進(jìn)入古灶內(nèi)，南風(fēng)古灶也因此而得名；

2）灶身設(shè)計(jì)巧妙

南風(fēng)古灶灶身設(shè)計(jì)沿地面傾斜而上，并且南風(fēng)古灶它從灶膛到出口的地面的傾斜度逐漸變化。具體測(cè)量數(shù)據(jù)如表1所示：

3）寬長(zhǎng)比平均為0.0608

南風(fēng)古灶窯體總長(zhǎng)37.8米，窯墻外寬6米，整個(gè)古灶它的內(nèi)空直徑從窯頭到窯尾也有一些變化，橫斷面積以窯頭最小，中部最大，窯尾大于窯頭而小于中部，窯內(nèi)平均寬2.3米。龍窯內(nèi)側(cè)寬度測(cè)量數(shù)據(jù)如表2示：

4）風(fēng)速頭尾快

實(shí)地測(cè)量龍窯進(jìn)出口風(fēng)速、風(fēng)量，大氣壓、溫度等，具體數(shù)據(jù)如表3、表4所示：

5）除此之外，南風(fēng)灶的龍背上設(shè)計(jì)有火眼34排（每排5個(gè)），行活稱一排為一下火，共34下火。每排火眼位置不完全在一個(gè)平面內(nèi)，而是呈一定弧度?；鹧壑饕鳛闊G時(shí)投放木柴之用，同時(shí)還起到監(jiān)測(cè)灶內(nèi)溫度之用。窯側(cè)有燒制品進(jìn)出灶口4個(gè)，主要用于毛坯的放入和成品的取出。

4 南風(fēng)古灶通風(fēng)的獨(dú)特結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的科學(xué)原理解釋

在反復(fù)調(diào)研考察后發(fā)現(xiàn)，南風(fēng)古灶雖然沒(méi)有鼓風(fēng)機(jī)等電力設(shè)備來(lái)幫助通風(fēng)，也沒(méi)有設(shè)置煙囪來(lái)排煙，但它就像一條“趴在地上的煙囪”：它通過(guò)灶身巧妙的設(shè)計(jì)，沿山坡面巧妙地傾斜而上，整個(gè)古灶身有一個(gè)合理的傾斜角度，并有一個(gè)適當(dāng)?shù)拈L(zhǎng)度，很好地解決了古灶的通風(fēng)問(wèn)題，還充分利用周圍山體斜坡的朝向、山間對(duì)流空氣的流向等來(lái)解決古灶的通風(fēng)問(wèn)題。

經(jīng)反復(fù)研究分析后發(fā)現(xiàn)，這是我國(guó)勞動(dòng)人民很好地運(yùn)用了伯努利原理、柯恩達(dá)效應(yīng)等現(xiàn)代科學(xué)原理解決了古灶的通風(fēng)問(wèn)題。具體分析如下：

其一：古灶灶頭設(shè)置有4個(gè)灶口，灶外空氣進(jìn)入灶口時(shí)，因通風(fēng)截面積迅速變小，據(jù)實(shí)地測(cè)量，灶口處風(fēng)速高達(dá)5.9km/h，根據(jù)伯努利原理，在理想狀態(tài)下，流速越大，壓力越小，這時(shí)灶口處壓力相對(duì)較小，灶外空氣在大氣壓作用下，源源不斷被“壓”入灶內(nèi)。

其二：古灶的傾斜角度及長(zhǎng)度也會(huì)影響通風(fēng)效果，具體分析如下：

設(shè)古灶底部進(jìn)口為1斷面，古灶出口為2斷面，根據(jù)伯努利原理，列出斷面1與2的能量方程：

因南風(fēng)古灶灶身設(shè)計(jì)是與地面存在一個(gè)傾斜角度，整個(gè)灶身長(zhǎng)度達(dá)30多米，這樣窯頭與窯尾之間存在高度差，由上式推斷可知，古灶出口流速[V2]隨著窯頭與窯尾高度差H的增大而增大，從而實(shí)現(xiàn)了依靠自然條件通風(fēng)的功能。

并且南風(fēng)古灶灶身各個(gè)部位間與地面的傾斜角度是逐漸變化，當(dāng)傾斜角度大時(shí)，灶內(nèi)兩點(diǎn)間高度差也大，根據(jù)伯努利原理，兩點(diǎn)間流速也隨之變化。從而起到調(diào)節(jié)通風(fēng)速度的作用，這使得南風(fēng)古灶不同于一般的古灶，它非常高效，這也是南風(fēng)古灶可以稱為“最好的龍窯”的原因之一。

同時(shí)，整個(gè)古灶的內(nèi)空直徑從窯頭到窯尾都有一些變化， 橫斷面積以窯頭最小，中部最大，窯尾大于窯頭而小于中部，窯內(nèi)平均寬2.3米。若進(jìn)入窯內(nèi)的風(fēng)量基本不變，則變化的橫斷面積，讓氣體流速產(chǎn)生變化，根據(jù)伯努利原理，在在同一管道中，流速越大的地方，壓強(qiáng)越低，因此窯內(nèi)壓力也隨之有細(xì)微變化，也可起到調(diào)節(jié)風(fēng)速的作用。

以上這些利用自然條件解決通風(fēng)問(wèn)題的措施及運(yùn)用到的原理對(duì)我們解決當(dāng)今隧道工程、人防工程、高層建筑、垂直電梯等現(xiàn)代智能工程通風(fēng)問(wèn)題起到一定參考作用。

5 遷移到現(xiàn)代地鐵隧道工程解決通風(fēng)問(wèn)題的設(shè)想

1）調(diào)查目前國(guó)內(nèi)地鐵隧道設(shè)置的通風(fēng)和排煙設(shè)施的基本情況

因建設(shè)年代不同，國(guó)內(nèi)各地的地鐵通風(fēng)和排煙系統(tǒng)不盡相同?？傮w可分為兩類：

第一類是通風(fēng)和排煙同為一個(gè)系統(tǒng)，即通風(fēng)和排煙系統(tǒng)均由相同的風(fēng)機(jī)、消音器、風(fēng)口、風(fēng)道和風(fēng)亭組成。由風(fēng)機(jī)的風(fēng)葉進(jìn)行正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)，來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的送風(fēng)或者排煙。另一類是通風(fēng)系統(tǒng)和排煙系統(tǒng)分開(kāi)設(shè)置，各自分別成為相對(duì)獨(dú)立的系統(tǒng)。即通風(fēng)系統(tǒng)和排煙系統(tǒng)是由各自獨(dú)立的風(fēng)機(jī)、消音器、風(fēng)道、風(fēng)口（排煙系統(tǒng)含風(fēng)亭）分別組成。進(jìn)煙口、通風(fēng)口分別設(shè)在站臺(tái)行車道上方和站臺(tái)集散廳頂部，站臺(tái)內(nèi)的煙氣流動(dòng)為垂直方向流動(dòng)。[4]

2）實(shí)地考察和調(diào)研廣州地鐵隧道工程通風(fēng)和排煙設(shè)施的情況

我親自前往廣州“漢溪長(zhǎng)隆站”、“大石站”地鐵口進(jìn)行了實(shí)地考察，了解到廣州地鐵的通風(fēng)和排煙是將兩種方式結(jié)合使用，即隧道內(nèi)采用第一種方式，站臺(tái)上采用第二種方式。

我了解到廣州地鐵站臺(tái)的通風(fēng)排煙系統(tǒng)均采用雙風(fēng)道、雙風(fēng)機(jī)，單臺(tái)風(fēng)機(jī)的設(shè)計(jì)排氣量為每小時(shí)20萬(wàn)立方米，（即每分鐘3333立方米，每6分鐘為2萬(wàn)立方米），每個(gè)站臺(tái)隧道通風(fēng)排煙系統(tǒng)的通風(fēng)排煙能力為每小時(shí)40萬(wàn)立方米。

3）以地鐵隧道為例，應(yīng)用南風(fēng)古灶的研究結(jié)果構(gòu)建一種在現(xiàn)代智能工程中利用自然條件解決通風(fēng)的設(shè)想

由上述調(diào)查與考察結(jié)果看，目前，國(guó)內(nèi)地鐵隧道的通風(fēng)排煙系統(tǒng)均采用電力設(shè)備幫助解決通風(fēng)換氣與排煙，其優(yōu)點(diǎn)是通風(fēng)換氣能力強(qiáng)，基本上只需1～1.5分鐘即可對(duì)站臺(tái)內(nèi)空氣實(shí)現(xiàn)一次換氣。缺點(diǎn)是耗電量大，能源消耗大，不環(huán)保。

通過(guò)這次研究，我了解到南風(fēng)古灶在解決通風(fēng)問(wèn)題上的很多奧秘及其遵循的科學(xué)原理，因此我大膽設(shè)想，在現(xiàn)代智能工程的通風(fēng)設(shè)計(jì)中，借鑒南風(fēng)古灶在通風(fēng)設(shè)計(jì)上的措施，從而實(shí)現(xiàn)利用自然條件解決現(xiàn)代智能工程的通風(fēng)問(wèn)題，為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，以地鐵隧道為例，可從以下方面進(jìn)行設(shè)計(jì)改進(jìn)：

（1）地鐵口的朝向：因自然風(fēng)的流向以南北流向?yàn)橹鳎瑸榱俗屪匀伙L(fēng)更順暢進(jìn)入地鐵隧道內(nèi)，建議地鐵口的朝向借鑒南風(fēng)古灶建筑原則，以朝南為主。

（2）設(shè)立豎井群利用煙囪效應(yīng)進(jìn)行自然通風(fēng)。

南風(fēng)古灶就像一條“趴在地上的煙囪”， 它的灶身與地面間存在一定傾斜角度，配合灶身長(zhǎng)度，這樣窯頭與窯尾之間存在高度差，古灶出口流速V2隨著窯頭與窯尾高度差H的增大而增大，從而實(shí)現(xiàn)了依靠自然條件通風(fēng)的功能，如圖1示。

在地鐵隧道通風(fēng)設(shè)計(jì)時(shí)，將整條隧道實(shí)現(xiàn)傾斜而上，不現(xiàn)實(shí)，但可借鑒南風(fēng)古灶窯頭與窯尾之間存在高度差實(shí)現(xiàn)通風(fēng)的方式，采取在隧道的不同位置設(shè)置豎井，多個(gè)豎井組合成豎井群，從而實(shí)現(xiàn)自然通風(fēng)。如圖2、圖3所示。

（3）合理設(shè)計(jì)地鐵或公路隧道各位置的截面大小。根據(jù)伯努利原理，在同一管道中，流速越大的地方，壓強(qiáng)越低，因此不同截面大小的地鐵隧道間壓力也不同，氣體在壓力差之下流動(dòng)，實(shí)現(xiàn)通風(fēng)作用。

（4）充分利用地鐵隧道列車高速行駛時(shí)帶來(lái)的“活塞風(fēng)”實(shí)現(xiàn)對(duì)流通風(fēng)。

地鐵列車高速行駛時(shí)，沿列車前進(jìn)方向會(huì)產(chǎn)生5到6級(jí)風(fēng)力，從而帶動(dòng)地鐵隧道內(nèi)形成空氣的流動(dòng)（如圖3示），并且通過(guò)控制閥門控制，進(jìn)風(fēng)口只進(jìn)風(fēng)，出風(fēng)口只出風(fēng)）。

6 現(xiàn)代智能建筑工程中的應(yīng)用設(shè)想

在其他垂直方向需要解決通風(fēng)問(wèn)題的現(xiàn)代智能建筑工程當(dāng)中，也可參照南風(fēng)古灶的方法，解決諸如玻璃幕墻封閉的高層建筑、高層垂直電梯等的通風(fēng)問(wèn)題，最主要地是如何設(shè)置好進(jìn)風(fēng)口的大小和高度、數(shù)量等，如何合理地設(shè)置好出風(fēng)口的高度及大小、數(shù)量等，這個(gè)需要更進(jìn)一步的實(shí)地進(jìn)行實(shí)地實(shí)驗(yàn)和檢測(cè)，其實(shí)際應(yīng)用效果需要更進(jìn)一步的測(cè)試和檢驗(yàn)，鑒于條件所限，只能作此設(shè)想。

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