用“超級煙囪”抽走霧霾
——關于建造垂直風道緩解北京大氣污染的設想

2014-03-02 06:53:56李小波法籍華裔計算機專家

環境與生活 2014年9期

◎李小波（法籍華裔計算機專家）

◎李小波（法籍華裔計算機專家）

為了治理中國如北京等大城市嚴重的大氣污染，前不久有關氣象部門的專家提出建立“城市風道”，利用打通的街道幫助空氣流通的設想。據說，正在修訂的北京城市總體規劃中將有專門章節闡述有關“城市通風街道”內容。不僅是北京，杭州、上海、南京、株洲、貴陽、福州等多個城市，也傳出將進行城市風道規劃，治理大氣污染的消息。

考慮到建立城市水平風道的難度和無法隨意獲得風源的情況，法籍華裔計算機專家、本文作者李小波博士提出“建立垂直風道，利用煙囪效應和太陽能產生風力，解決北京空氣污染問題”的大膽設想。

筆者上世紀80年代初出國后從事計算機方面的工作，常年生活在歐洲，最近幾年才開始經?；貒?。最初回到北京，半夜睡覺會突然感到嗓子內某一點很痛，像被小鉗子夾住一樣，估計是什么化學污染顆粒鉆進喉嚨所致。每次回國都需要一周左右才能適應，讓不時鉆進嗓子的“小鉗子”逐漸消失，也逐漸習慣了北京的空氣污染。沒想到，世紀初的污染僅僅是場噩夢的開始，十多年后的今天，北京的霧霾日益加重，變得令人窒息。清晨打開窗子，一股煙味迎面撲來，對面百米外的建筑常常消失在濃霧中。我常常琢磨，北京的霧霾問題究竟該怎么解決呢？

大氣環流和霧霾聚散

筆者發現，霧霾在北京周圍聚集，其消散完全靠風。到了冬季，風力小于三級的天氣非常多，霧霾往往在北京聚集一周，濃度一日甚于一日，PM2.5的指數從300到500，甚至飆升到700和900。至于霧霾的多種來源因為不是本文主題，就不詳述了。

大家知道，大氣的環流形成風，可以吹散、稀釋空氣中的污染物。通過風的作用，局部聚集的高濃度霧霾顆粒在廣大空間散開，密度大大降低，逐漸沉降地面。而在無風的天氣，霧霾無法消散，PM2.5顆粒甚至可在空中懸浮半個月以上。

大家都發現，北京的夏天霧霾天較少，藍天白云的日子相對多一些。這是由于陽光暴曬時，地表比空氣吸熱更快，受此影響，附近空氣的溫度高于上空空氣，下熱上冷的狀態導致熱空氣垂直上升。隨后，空氣不斷變冷，熱空氣每上升100米溫度下降攝氏0.649度左右，上升到10公里以上，溫度可低到攝氏零下50多度。這時空氣逐漸停止上升，開始橫向運動，然后下沉，在地面橫向流動補充升高空氣，從而形成環流。

赤道地區熱空氣上升快，會沖到十七八公里的高度，形成低緯度環流；南北極則熱空氣少，空氣流動形成極地環流，對流層厚度只有七八公里；赤道和極地之間的空氣對流被稱為中緯度環流，地球上對流層的平均厚度是十一二公里。

環流弱逆溫強成就霧霾天

北京奧林匹克公園內250米高的釘子觀光塔，似可作為垂直風道的參考造型。季天也/攝

大氣環流雖然有一定的規模和走向，但也有隨機的因素。一年之中，有時候一連幾天刮大風，有時又會連續多日風力微弱。在無風的天氣，空氣污染物只能指望隨著地面空氣被太陽加熱造成向上流動來消散。

但是，在特定氣象環境下，空氣的冷熱布局會上下顛倒，即下層冷，上層熱，形成逆溫層。由于冷空氣重，熱空氣輕，這種上輕下重的穩定結構壓制了空氣的垂直運動，使得近地面的冷空氣無法向上流通，霧霾被緊緊地壓在地面和低空附近不能消散。這樣的情況下，污染物跑不出去，就會在空氣中不斷積累，PM2.5的濃度隨之升高。

那么，能否找到一種辦法，能在無風和逆溫的情況下讓貼近地面的污染顆粒物快速消散？

能否利用“煙囪效應”，建立若干個垂直空氣通道，從而制造風源形成對流，抽走北京的霧霾？

法籍華裔計算機專家李小波

北京建橫向風道行不通

北京人應該體會到，炎熱的夏天北京常常一連幾天沒有一絲風。有時天氣預報說當天有三級南風，可是走在東西向的大街上一點都感覺不到。大街兩側的樓一座挨一座，形成的高墻擋住了風，只有走到一個有南北向的路口才能感覺到風。夏日悶熱的夜晚，在北京金寶街的一個十字路口附近，你會看到很多當地居民聚集在那里享受涼爽的南風，只有在路口南風才得以通過，在長安街上的建華南路路口也有類似情況。到了冬天，偏北風同樣會被馬路兩側的建筑阻擋，風力大大降低。北京本身是一個三面環山的城市，加上攤大餅的建設模式，城市四周比城市中心地區的建筑物要高，大氣層最下面100米的接地層空氣“擁堵”嚴重。有人建議在北京開辟風道，一些街道從南至北不受任何阻擋，讓風穿城而過。這些提議在北京的城市規劃討論中已經進入議題。前不久舉行的2014城市環境國際學術研討會上，就傳出這樣消息。

但是，在經過幾十年大規模密集城市化建設的北京，是否還可能找得到風的主要通道呢？這要打一個大大的問號。冬季霧霾滿京城說明北京的風道都已經堵死，再拆不大現實，也解決不了問題。因為在靜穩天氣和逆溫層出現時，即使有風道也沒有風源。

澳大利亞正在建設的太陽塔利用太陽能加熱空氣造成空氣對流，推動渦輪機實現發電。

建立垂直風道抽走霧霾

筆者大膽設想：能否利用煙囪效應，建立若干個垂直空氣通道，從而制造風源形成對流，抽走北京的霧霾？

煙囪效應的形成有幾個條件：首先，煙囪內底部比頂部溫度高，空氣向上流動。其次，煙囪頂的內部比外部溫度高，內部空氣會向外擴散。再有，受煙囪壁的限制，內部的空氣運動受限，無法向四周擴散，向上的壓力加大。

垂直風道應該建多高，直徑多大，動力來自哪里，風速應該保持多少，都需要經過專家的論證。當然，選址、環保、安全等因素都需要科學評估，比如抗震性能必須足夠強悍、地點避免貼近飛機起降航線等等。

筆者的想法也受到澳大利亞“太陽塔”的啟發。太陽塔由德國Jorg Schlaich教授設計，目前尚在施工中。項目的主要數據是，塔高1000米，直徑130米，入口溫度攝氏70度，出口溫度攝氏20度，塔底層的溫室直徑為7000米，風速60千米/小時，上升的氣流推動塔頂的渦輪發電，造價約3億美元，發電能力為200兆瓦，可滿足約20萬家庭的用電需求。早在20年前，澳大利亞的太陽塔已通過了小型樣板裝置的中試，證實太陽能風道是可行的。

太陽塔的主要目的是利用氣流的動能發電，我們為什么不能用它的原理對付逆溫效應呢？

阿聯酋的迪拜塔身為世界第一高樓，出于防火需要，建筑師設計了很多橫向風道來限制煙囪效應帶來的空氣垂直對流。這與治理霧霾的設計角度剛好相反。

逆溫層高度決定“煙囪”高度

筆者查找并分析資料了解到，不同的環境下會形成不同的逆溫層。

在熱帶，上升的空氣到亞熱帶高空形成熱高壓，從十幾公里的高處向下沉降，上空溫度相對高，底層空氣無法上升，污染滯留積壓在近地層。不過，太平洋上的副熱帶高壓冬天對中國影響很小，不是中國霧霾的主要原因。

海洋暖氣流橫向吹到高空也可以造成逆溫，冷氣流沿著山地地面擴散也可以造成逆溫，但是這都不是造成北京地區逆溫的原因。

2013年1月20日，美國猶他州鹽湖城山谷出現了逆溫效應，逆溫層邊界十分明顯。

北京的逆溫多發生在陰天和冬季的夜晚。白天晴好干燥的天氣使得大地吸收的陽光很快輻射到空氣中，距離地面不遠的空氣溫度升高，但是太陽落山以后，地面溫度迅速下降，停在空中的溫暖空氣不上不下，在接近地面的空中形成了逆溫層。這個逆溫層的底層距離地面多少米？逆溫層的厚度是多少？逆溫層上下溫差是多少？

這方面的最新資料筆者沒有來源，但是氣象部門曾經發布過2001年北京城區和郊區秋冬季逆溫的具體數據。從空間上看，冬天逆溫層的底層距離地面在城區比較高，最多為385米，在郊區比較低，經常貼在地面上；逆溫層的厚度在秋天不超過300米，冬天不超過200米；逆溫層上下的溫差不超過5攝氏度。而在時間方面，逆溫層的厚度和溫差在凌晨達到高峰；日出后的上午8點逆溫層快速消失；郊區的逆溫常出現在18點，由于熱島效應，城區的逆溫來得稍晚，多在晚上20點出現。

這樣我們就可以對垂直風道進行一番簡單計算：

預計建一個如“超級煙囪”般的垂直風道，其內部溫度變化與外部逆溫層相反，有一個下熱上冷的環境。風道上端出口的溫度要高于風道外空氣的溫度，這樣才能在風道內產生上升氣流。

風道最好選建在近郊區，在城區熱島之外，那里的逆溫層貼近地面，風道可以建得比較低。

考慮到北京逆溫層形成主要發生在晴好天氣，利用太陽能問題不大。由于逆溫主要發生在晚間，需要白天蓄積熱量，晚間逐漸釋放。

假設“煙囪”高度為250米即可穿透逆溫層。在“煙囪”下端利用太陽能將空氣加熱到攝氏16度，上端出口溫度為攝氏10度，上下溫差6度，超過逆溫層的最大溫差5度。根據假設，還可以利用公式近似地計算出風道內的風速和空氣流量（計算公式略）。根據計算結果，可以求出通道內的風速為每秒5米，相當于三級風。如果“煙囪”風道的直徑為20米，截面積是10米×10米×3.14=314平方米，每秒通風量可高達1570立方米，可以大量地消散空氣中的霧霾。

熱空氣從上端離開風道后，溫度仍然高于其上方的空氣，加上出口的三級風，在逆溫層中將形成一個很長的垂直上行空氣通道。

垂直風道建設假想

如何利用太陽能使“煙囪”底部溫度增高，讓風道內的空氣具有上升動力呢？可以借鑒澳大利亞太陽塔的辦法：風道下端周圍建造大面積的太陽能玻璃暖房，利用溫室加溫。白天利用悶棚技術，讓太陽光透過玻璃加熱溫室空氣，積累熱量。溫室外壁阻止熱量向外輻射，溫室底部鋪設蓄熱物質。

太陽落山以后，打開通風管道，逐漸釋放熱量。每秒通風量1500立方米，20點到次日 8點共43200秒，總通風量可高達6000萬立方米，通過溫室入口控制風流量，溫室內空氣與外部冷空氣混合后輸入通風管道，可以通過高溫以及水池等蓄能材料，減少溫室容量，希望溫室總容量和蓄熱能力可以帶動20倍的通風量。那么我們需要的溫室容量為324萬立方米，溫室高30米時，共需要溫室面積10萬立方米左右，長340米，寬300米。

筆者設想，建立一個或多個250米高的通風塔，不僅可以解決逆溫層的問題，也可以解決無風天氣的風源問題。