自然能地下停車場換氣裝置

◎長沙市雅禮洋湖實驗中學 周鑫博

湖南師大附中博才實驗中學 曹振宇

本期點評專家

譚迪熬 中國發明協會院士專家咨詢工作委員會首任專家，中國發明協會中小學創造教育分會會長，科技創新教育特級教師，教育部國培計劃專家庫專家。

一、項目背景

地下停車場傳統的通風系統主要由電能驅動，采用全面通風方式，即根據劃分的若干個防火分區設計若干個送、排風系統。火災發生時，這些系統還是排煙系統。

為保證排風效果，送、排風系統都由大的通風管道構成，排風口均勻分布。通風管道占用空間大，使地下停車場的使用率降低。

一天，我們相約一起去玩，當進入地下停車場時，覺得這里的空氣質量欠佳，感覺很不舒服。之后，通過對長沙市中海閱麓山二期、江山帝景等6個小區的地下停車場的通風設備和使用情況進行調查，我們發現這些地下停車場都裝有通風系統，但在調查期間通風系統從未開啟。有些地下停車場的通風管道因長期未工作，變得銹跡斑斑。

走訪物業公司，我們得知地下停車場通風系統經常閑置未用的原因在于能耗過大。

我們還發現，一些老舊的地下停車場不具備安裝通風換氣裝置的條件，通風不暢，汽車尾氣和某些設備因霉變散發的氣味令人不舒服。

于是我們有了一個想法：設計自然能驅動的地下停車場換氣裝置，既能解決地下停車場空氣質量差的問題，又能解決傳統通風換氣裝置能耗過大的問題。我們把這個想法告訴了老師，得到了老師的極大鼓勵，接著我們開始探究。

圖1 地下停車場的傳統通風系統

二、設計思路

通過自然能——風能和太陽能驅動鼓風扇轉動，利用二氧化碳傳感器感應地下停車場空氣中二氧化碳的濃度，用Arduino控制板控制鼓風扇工作，向地下停車場鼓風。多余的電能可以存儲起來，方便在晚上或無風的陰雨天為地下停車場換氣工作供能。

根據目前居室空氣質量標準，當二氧化碳傳感器檢測地下停車場內二氧化碳的濃度達到500 ppm時，啟動通風設備進行換氣；當二氧化碳傳感器檢測地下停車場內二氧化碳的濃度達到320 ppm時，關閉通風設備，達到節能的目的。

三、測試實驗

（一）通風管道通風口風速測試

為了使地下停車場各處的換氣速率保持一致，我們考慮將通風管道模型設置成“工”字形，并在通風管道上設計等距的通風口。

我們用紙盒制作通風管道模型，在通向地面的排風管安裝一個小型風機，用測風儀測量每個通風口的風速，測量3次，測量結果取平均值，具體數值見表1。

表1 通風管道模型每個通風口的風速

圖2 “工”字形通風管道模型設計圖

圖3 通風口風速測試

圖4 改進后的通風管道模型設計圖

雖然通風口是均勻分布的，但各個通風口的風速不同，這會導致地下停車場各處換氣不均勻。經過分析，我們發現各通風口風速不同的原因是其與風機的距離不同。

針對上述問題，我們在各個通風口安裝調節裝置，根據通風口與風機的距離調節各通風口的開合度。之后我們又用測風儀測量每個通風口的風速，測量3次，測量結果取平均值，具體數值見表2。

表2 改進后的通風管道模型通風口的風速

結果顯示，各個通風口的風速基本一致，可實現地下停車場換氣均勻的目的。

（二）風機測試

為了在陰雨天充分利用風能，將水平方向的風轉成垂直方向的風，讓風直接吹入地下停車場，我們在氣象站的風速儀的啟發下，不斷嘗試與改進，設計了渦輪風機。渦輪風機能獲取任何方向的水平風。

我們在垂直于地面的通風管道內安裝扇葉，在任何方向的水平風的吹動下，渦輪風機沿垂直軸線方向轉動，從而帶動通風管道內的扇葉轉動，向地下停車場送風，實現在無陽光的夜晚或陰雨天都能對地下停車場進行全天候換氣。

我們拿渦輪風機模型進行測試，測試結果達到預期目的。

圖5 渦輪風機模型（左圖）及測試

四、制作裝置

我們先準備制作材料——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、鼓風扇、充電電池、控制盒等，再根據裝置結構圖，將它們與各通風口裝有調節裝置的通風管道、渦輪風機組裝在一起。

垂直的導風管連通地下停車場的通風管道，導風管內安裝鼓風扇，導風管上面安裝渦輪風機，渦輪風機由支架固定，渦輪風機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。

接著，我們利用Mind+模塊化編程軟件編寫程序，控制通風設備的開啟與關閉。

圖6 裝置結構圖

五、創新點

本項目解決了目前地下停車場通風換氣系統因能耗過大成擺設的問題，裝置充分利用自然能將任意方向的水平風轉變成垂直向下的風，全天候對地下停車場進行換氣，既可保障地下停車場的空氣清新，有利于人們的身體健康，又能實現節能環保。

本項目通過測試確定了自然能地下停車場換氣裝置的基本參數，保證裝置的靈敏性和可靠性。

本項目的推廣使用，具有重要的實際價值與意義。同時，為地下停車場或地下場所基于節能環保的通風升級提供參考。

圖7 自然能地下停車場換氣裝置模型實物圖