自然能地下停車場(chǎng)換氣裝置

◎長(zhǎng)沙市雅禮洋湖實(shí)驗(yàn)中學(xué) 周鑫博

湖南師大附中博才實(shí)驗(yàn)中學(xué) 曹振宇

本期點(diǎn)評(píng)專家

譚迪熬 中國(guó)發(fā)明協(xié)會(huì)院士專家咨詢工作委員會(huì)首任專家，中國(guó)發(fā)明協(xié)會(huì)中小學(xué)創(chuàng)造教育分會(huì)會(huì)長(zhǎng)，科技創(chuàng)新教育特級(jí)教師，教育部國(guó)培計(jì)劃專家?guī)鞂＜摇?/p>

一、項(xiàng)目背景

地下停車場(chǎng)傳統(tǒng)的通風(fēng)系統(tǒng)主要由電能驅(qū)動(dòng)，采用全面通風(fēng)方式，即根據(jù)劃分的若干個(gè)防火分區(qū)設(shè)計(jì)若干個(gè)送、排風(fēng)系統(tǒng)?；馂?zāi)發(fā)生時(shí)，這些系統(tǒng)還是排煙系統(tǒng)。

為保證排風(fēng)效果，送、排風(fēng)系統(tǒng)都由大的通風(fēng)管道構(gòu)成，排風(fēng)口均勻分布。通風(fēng)管道占用空間大，使地下停車場(chǎng)的使用率降低。

一天，我們相約一起去玩，當(dāng)進(jìn)入地下停車場(chǎng)時(shí)，覺得這里的空氣質(zhì)量欠佳，感覺很不舒服。之后，通過對(duì)長(zhǎng)沙市中海閱麓山二期、江山帝景等6個(gè)小區(qū)的地下停車場(chǎng)的通風(fēng)設(shè)備和使用情況進(jìn)行調(diào)查，我們發(fā)現(xiàn)這些地下停車場(chǎng)都裝有通風(fēng)系統(tǒng)，但在調(diào)查期間通風(fēng)系統(tǒng)從未開啟。有些地下停車場(chǎng)的通風(fēng)管道因長(zhǎng)期未工作，變得銹跡斑斑。

走訪物業(yè)公司，我們得知地下停車場(chǎng)通風(fēng)系統(tǒng)經(jīng)常閑置未用的原因在于能耗過大。

我們還發(fā)現(xiàn)，一些老舊的地下停車場(chǎng)不具備安裝通風(fēng)換氣裝置的條件，通風(fēng)不暢，汽車尾氣和某些設(shè)備因霉變散發(fā)的氣味令人不舒服。

于是我們有了一個(gè)想法：設(shè)計(jì)自然能驅(qū)動(dòng)的地下停車場(chǎng)換氣裝置，既能解決地下停車場(chǎng)空氣質(zhì)量差的問題，又能解決傳統(tǒng)通風(fēng)換氣裝置能耗過大的問題。我們把這個(gè)想法告訴了老師，得到了老師的極大鼓勵(lì)，接著我們開始探究。

圖1 地下停車場(chǎng)的傳統(tǒng)通風(fēng)系統(tǒng)

二、設(shè)計(jì)思路

通過自然能——風(fēng)能和太陽能驅(qū)動(dòng)鼓風(fēng)扇轉(zhuǎn)動(dòng)，利用二氧化碳傳感器感應(yīng)地下停車場(chǎng)空氣中二氧化碳的濃度，用Arduino控制板控制鼓風(fēng)扇工作，向地下停車場(chǎng)鼓風(fēng)。多余的電能可以存儲(chǔ)起來，方便在晚上或無風(fēng)的陰雨天為地下停車場(chǎng)換氣工作供能。

根據(jù)目前居室空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)二氧化碳傳感器檢測(cè)地下停車場(chǎng)內(nèi)二氧化碳的濃度達(dá)到500 ppm時(shí)，啟動(dòng)通風(fēng)設(shè)備進(jìn)行換氣；當(dāng)二氧化碳傳感器檢測(cè)地下停車場(chǎng)內(nèi)二氧化碳的濃度達(dá)到320 ppm時(shí)，關(guān)閉通風(fēng)設(shè)備，達(dá)到節(jié)能的目的。

三、測(cè)試實(shí)驗(yàn)

（一）通風(fēng)管道通風(fēng)口風(fēng)速測(cè)試

為了使地下停車場(chǎng)各處的換氣速率保持一致，我們考慮將通風(fēng)管道模型設(shè)置成“工”字形，并在通風(fēng)管道上設(shè)計(jì)等距的通風(fēng)口。

我們用紙盒制作通風(fēng)管道模型，在通向地面的排風(fēng)管安裝一個(gè)小型風(fēng)機(jī)，用測(cè)風(fēng)儀測(cè)量每個(gè)通風(fēng)口的風(fēng)速，測(cè)量3次，測(cè)量結(jié)果取平均值，具體數(shù)值見表1。

表1 通風(fēng)管道模型每個(gè)通風(fēng)口的風(fēng)速

圖2 “工”字形通風(fēng)管道模型設(shè)計(jì)圖

圖3 通風(fēng)口風(fēng)速測(cè)試

圖4 改進(jìn)后的通風(fēng)管道模型設(shè)計(jì)圖

雖然通風(fēng)口是均勻分布的，但各個(gè)通風(fēng)口的風(fēng)速不同，這會(huì)導(dǎo)致地下停車場(chǎng)各處換氣不均勻。經(jīng)過分析，我們發(fā)現(xiàn)各通風(fēng)口風(fēng)速不同的原因是其與風(fēng)機(jī)的距離不同。

針對(duì)上述問題，我們?cè)诟鱾€(gè)通風(fēng)口安裝調(diào)節(jié)裝置，根據(jù)通風(fēng)口與風(fēng)機(jī)的距離調(diào)節(jié)各通風(fēng)口的開合度。之后我們又用測(cè)風(fēng)儀測(cè)量每個(gè)通風(fēng)口的風(fēng)速，測(cè)量3次，測(cè)量結(jié)果取平均值，具體數(shù)值見表2。

表2 改進(jìn)后的通風(fēng)管道模型通風(fēng)口的風(fēng)速

結(jié)果顯示，各個(gè)通風(fēng)口的風(fēng)速基本一致，可實(shí)現(xiàn)地下停車場(chǎng)換氣均勻的目的。

（二）風(fēng)機(jī)測(cè)試

為了在陰雨天充分利用風(fēng)能，將水平方向的風(fēng)轉(zhuǎn)成垂直方向的風(fēng)，讓風(fēng)直接吹入地下停車場(chǎng)，我們?cè)跉庀笳镜娘L(fēng)速儀的啟發(fā)下，不斷嘗試與改進(jìn)，設(shè)計(jì)了渦輪風(fēng)機(jī)。渦輪風(fēng)機(jī)能獲取任何方向的水平風(fēng)。

我們?cè)诖怪庇诘孛娴耐L(fēng)管道內(nèi)安裝扇葉，在任何方向的水平風(fēng)的吹動(dòng)下，渦輪風(fēng)機(jī)沿垂直軸線方向轉(zhuǎn)動(dòng)，從而帶動(dòng)通風(fēng)管道內(nèi)的扇葉轉(zhuǎn)動(dòng)，向地下停車場(chǎng)送風(fēng)，實(shí)現(xiàn)在無陽光的夜晚或陰雨天都能對(duì)地下停車場(chǎng)進(jìn)行全天候換氣。

我們拿渦輪風(fēng)機(jī)模型進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果達(dá)到預(yù)期目的。

圖5 渦輪風(fēng)機(jī)模型（左圖）及測(cè)試

四、制作裝置

我們先準(zhǔn)備制作材料——低壓Arduino控制板、二氧化碳傳感器、繼電器、紅色與綠色指示燈、太陽能電池板、鼓風(fēng)扇、充電電池、控制盒等，再根據(jù)裝置結(jié)構(gòu)圖，將它們與各通風(fēng)口裝有調(diào)節(jié)裝置的通風(fēng)管道、渦輪風(fēng)機(jī)組裝在一起。

垂直的導(dǎo)風(fēng)管連通地下停車場(chǎng)的通風(fēng)管道，導(dǎo)風(fēng)管內(nèi)安裝鼓風(fēng)扇，導(dǎo)風(fēng)管上面安裝渦輪風(fēng)機(jī)，渦輪風(fēng)機(jī)由支架固定，渦輪風(fēng)機(jī)上方裝有太陽能電池板。低壓Arduino控制板、二氧化碳傳感器、繼電器等置于控制盒內(nèi)。

接著，我們利用Mind+模塊化編程軟件編寫程序，控制通風(fēng)設(shè)備的開啟與關(guān)閉。

圖6 裝置結(jié)構(gòu)圖

五、創(chuàng)新點(diǎn)

本項(xiàng)目解決了目前地下停車場(chǎng)通風(fēng)換氣系統(tǒng)因能耗過大成擺設(shè)的問題，裝置充分利用自然能將任意方向的水平風(fēng)轉(zhuǎn)變成垂直向下的風(fēng)，全天候?qū)Φ叵峦＼噲?chǎng)進(jìn)行換氣，既可保障地下停車場(chǎng)的空氣清新，有利于人們的身體健康，又能實(shí)現(xiàn)節(jié)能環(huán)保。

本項(xiàng)目通過測(cè)試確定了自然能地下停車場(chǎng)換氣裝置的基本參數(shù)，保證裝置的靈敏性和可靠性。

本項(xiàng)目的推廣使用，具有重要的實(shí)際價(jià)值與意義。同時(shí)，為地下停車場(chǎng)或地下場(chǎng)所基于節(jié)能環(huán)保的通風(fēng)升級(jí)提供參考。

圖7 自然能地下停車場(chǎng)換氣裝置模型實(shí)物圖