用“超級(jí)煙囪”抽走霧霾
——關(guān)于建造垂直風(fēng)道緩解北京大氣污染的設(shè)想

◎李小波 （法籍華裔計(jì)算機(jī)專家）

用“超級(jí)煙囪”抽走霧霾
——關(guān)于建造垂直風(fēng)道緩解北京大氣污染的設(shè)想

◎李小波 （法籍華裔計(jì)算機(jī)專家）

為了治理中國(guó)如北京等大城市嚴(yán)重的大氣污染，前不久有關(guān)氣象部門的專家提出建立“城市風(fēng)道”，利用打通的街道幫助空氣流通的設(shè)想。據(jù)說(shuō)，正在修訂的北京城市總體規(guī)劃中將有專門章節(jié)闡述有關(guān)“城市通風(fēng)街道”內(nèi)容。不僅是北京，杭州、上海、南京、株洲、貴陽(yáng)、福州等多個(gè)城市，也傳出將進(jìn)行城市風(fēng)道規(guī)劃，治理大氣污染的消息。

考慮到建立城市水平風(fēng)道的難度和無(wú)法隨意獲得風(fēng)源的情況，法籍華裔計(jì)算機(jī)專家、本文作者李小波博士提出“建立垂直風(fēng)道，利用煙囪效應(yīng)和太陽(yáng)能產(chǎn)生風(fēng)力，解決北京空氣污染問題”的大膽設(shè)想。

筆者上世紀(jì)80年代初出國(guó)后從事計(jì)算機(jī)方面的工作，常年生活在歐洲，最近幾年才開始經(jīng)?；貒?guó)。最初回到北京，半夜睡覺會(huì)突然感到嗓子內(nèi)某一點(diǎn)很痛，像被小鉗子夾住一樣，估計(jì)是什么化學(xué)污染顆粒鉆進(jìn)喉嚨所致。每次回國(guó)都需要一周左右才能適應(yīng)，讓不時(shí)鉆進(jìn)嗓子的“小鉗子”逐漸消失，也逐漸習(xí)慣了北京的空氣污染。沒想到，世紀(jì)初的污染僅僅是場(chǎng)噩夢(mèng)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(lái)，對(duì)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(huán)流和霧霾聚散

筆者發(fā)現(xiàn)，霧霾在北京周圍聚集，其消散完全靠風(fēng)。到了冬季，風(fēng)力小于三級(jí)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(shù)從300到500，甚至飆升到700和900。至于霧霾的多種來(lái)源因?yàn)椴皇潜疚闹黝}，就不詳述了。

大家知道，大氣的環(huán)流形成風(fēng)，可以吹散、稀釋空氣中的污染物。通過風(fēng)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(wú)風(fēng)的天氣，霧霾無(wú)法消散，PM2.5顆粒甚至可在空中懸浮半個(gè)月以上。

大家都發(fā)現(xiàn)，北京的夏天霧霾天較少，藍(lán)天白云的日子相對(duì)多一些。這是由于陽(yáng)光暴曬時(shí)，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(tài)導(dǎo)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(shí)空氣逐漸停止上升，開始橫向運(yùn)動(dòng)，然后下沉，在地面橫向流動(dòng)補(bǔ)充升高空氣，從而形成環(huán)流。

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

環(huán)流弱逆溫強(qiáng)成就霧霾天

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

大氣環(huán)流雖然有一定的規(guī)模和走向，但也有隨機(jī)的因素。一年之中，有時(shí)候一連幾天刮大風(fēng)，有時(shí)又會(huì)連續(xù)多日風(fēng)力微弱。在無(wú)風(fēng)的天氣，空氣污染物只能指望隨著地面空氣被太陽(yáng)加熱造成向上流動(dòng)來(lái)消散。

但是，在特定氣象環(huán)境下，空氣的冷熱布局會(huì)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(wěn)定結(jié)構(gòu)壓制了空氣的垂直運(yùn)動(dòng)，使得近地面的冷空氣無(wú)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(huì)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(wú)風(fēng)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(yīng)”，建立若干個(gè)垂直空氣通道，從而制造風(fēng)源形成對(duì)流，抽走北京的霧霾？

法籍華裔計(jì)算機(jī)專家李小波

北京建橫向風(fēng)道行不通

北京人應(yīng)該體會(huì)到，炎熱的夏天北京常常一連幾天沒有一絲風(fēng)。有時(shí)天氣預(yù)報(bào)說(shuō)當(dāng)天有三級(jí)南風(fēng)，可是走在東西向的大街上一點(diǎn)都感覺不到。大街兩側(cè)的樓一座挨一座，形成的高墻擋住了風(fēng)，只有走到一個(gè)有南北向的路口才能感覺到風(fēng)。夏日悶熱的夜晚，在北京金寶街的一個(gè)十字路口附近，你會(huì)看到很多當(dāng)?shù)鼐用窬奂谀抢锵硎軟鏊哪巷L(fēng)，只有在路口南風(fēng)才得以通過，在長(zhǎng)安街上的建華南路路口也有類似情況。到了冬天，偏北風(fēng)同樣會(huì)被馬路兩側(cè)的建筑阻擋，風(fēng)力大大降低。北京本身是一個(gè)三面環(huán)山的城市，加上攤大餅的建設(shè)模式，城市四周比城市中心地區(qū)的建筑物要高，大氣層最下面100米的接地層空氣“擁堵”嚴(yán)重。有人建議在北京開辟風(fēng)道，一些街道從南至北不受任何阻擋，讓風(fēng)穿城而過。這些提議在北京的城市規(guī)劃討論中已經(jīng)進(jìn)入議題。前不久舉行的2014城市環(huán)境國(guó)際學(xué)術(shù)研討會(huì)上，就傳出這樣消息。

但是，在經(jīng)過幾十年大規(guī)模密集城市化建設(shè)的北京，是否還可能找得到風(fēng)的主要通道呢？這要打一個(gè)大大的問號(hào)。冬季霧霾滿京城說(shuō)明北京的風(fēng)道都已經(jīng)堵死，再拆不大現(xiàn)實(shí)，也解決不了問題。因?yàn)樵陟o穩(wěn)天氣和逆溫層出現(xiàn)時(shí)，即使有風(fēng)道也沒有風(fēng)源。

澳大利亞正在建設(shè)的太陽(yáng)塔利用太陽(yáng)能加熱空氣造成空氣對(duì)流，推動(dòng)渦輪機(jī)實(shí)現(xiàn)發(fā)電。

建立垂直風(fēng)道抽走霧霾

筆者大膽設(shè)想：能否利用煙囪效應(yīng)，建立若干個(gè)垂直空氣通道，從而制造風(fēng)源形成對(duì)流，抽走北京的霧霾？

煙囪效應(yīng)的形成有幾個(gè)條件：首先，煙囪內(nèi)底部比頂部溫度高，空氣向上流動(dòng)。其次，煙囪頂?shù)膬?nèi)部比外部溫度高，內(nèi)部空氣會(huì)向外擴(kuò)散。再有，受煙囪壁的限制，內(nèi)部的空氣運(yùn)動(dòng)受限，無(wú)法向四周擴(kuò)散，向上的壓力加大。

垂直風(fēng)道應(yīng)該建多高，直徑多大，動(dòng)力來(lái)自哪里，風(fēng)速應(yīng)該保持多少，都需要經(jīng)過專家的論證。當(dāng)然，選址、環(huán)保、安全等因素都需要科學(xué)評(píng)估，比如抗震性能必須足夠強(qiáng)悍、地點(diǎn)避免貼近飛機(jī)起降航線等等。

筆者的想法也受到澳大利亞“太陽(yáng)塔”的啟發(fā)。太陽(yáng)塔由德國(guó)Jorg Schlaich教授設(shè)計(jì)，目前尚在施工中。項(xiàng)目的主要數(shù)據(jù)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(fēng)速60千米/小時(shí)，上升的氣流推動(dòng)塔頂?shù)臏u輪發(fā)電，造價(jià)約3億美元，發(fā)電能力為200兆瓦，可滿足約20萬(wàn)家庭的用電需求。早在20年前，澳大利亞的太陽(yáng)塔已通過了小型樣板裝置的中試，證實(shí)太陽(yáng)能風(fēng)道是可行的。

太陽(yáng)塔的主要目的是利用氣流的動(dòng)能發(fā)電，我們?yōu)槭裁床荒苡盟脑韺?duì)付逆溫效應(yīng)呢？

阿聯(lián)酋的迪拜塔身為世界第一高樓，出于防火需要，建筑師設(shè)計(jì)了很多橫向風(fēng)道來(lái)限制煙囪效應(yīng)帶來(lái)的空氣垂直對(duì)流。這與治理霧霾的設(shè)計(jì)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(huán)境下會(huì)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(duì)高，底層空氣無(wú)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(duì)中國(guó)影響很小，不是中國(guó)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(kuò)散也可以造成逆溫，但是這都不是造成北京地區(qū)逆溫的原因。

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

北京的逆溫多發(fā)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(yáng)光很快輻射到空氣中，距離地面不遠(yuǎn)的空氣溫度升高，但是太陽(yáng)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(gè)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(lái)源，但是氣象部門曾經(jīng)發(fā)布過2001年北京城區(qū)和郊區(qū)秋冬季逆溫的具體數(shù)據(jù)。從空間上看，冬天逆溫層的底層距離地面在城區(qū)比較高，最多為385米，在郊區(qū)比較低，經(jīng)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(shí)間方面，逆溫層的厚度和溫差在凌晨達(dá)到高峰；日出后的上午8點(diǎn)逆溫層快速消失；郊區(qū)的逆溫常出現(xiàn)在18點(diǎn)，由于熱島效應(yīng)，城區(qū)的逆溫來(lái)得稍晚，多在晚上20點(diǎn)出現(xiàn)。

這樣我們就可以對(duì)垂直風(fēng)道進(jìn)行一番簡(jiǎn)單計(jì)算：

預(yù)計(jì)建一個(gè)如“超級(jí)煙囪”般的垂直風(fēng)道，其內(nèi)部溫度變化與外部逆溫層相反，有一個(gè)下熱上冷的環(huán)境。風(fēng)道上端出口的溫度要高于風(fēng)道外空氣的溫度，這樣才能在風(fēng)道內(nèi)產(chǎn)生上升氣流。

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

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

假設(shè)“煙囪”高度為250米即可穿透逆溫層。在“煙囪”下端利用太陽(yáng)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(jù)假設(shè)，還可以利用公式近似地計(jì)算出風(fēng)道內(nèi)的風(fēng)速和空氣流量（計(jì)算公式略）。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，可以求出通道內(nèi)的風(fēng)速為每秒5米，相當(dāng)于三級(jí)風(fēng)。如果“煙囪”風(fēng)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(fēng)量可高達(dá)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(fēng)道后，溫度仍然高于其上方的空氣，加上出口的三級(jí)風(fēng)，在逆溫層中將形成一個(gè)很長(zhǎng)的垂直上行空氣通道。

垂直風(fēng)道建設(shè)假想

如何利用太陽(yáng)能使“煙囪”底部溫度增高，讓風(fēng)道內(nèi)的空氣具有上升動(dòng)力呢？可以借鑒澳大利亞太陽(yáng)塔的辦法：風(fēng)道下端周圍建造大面積的太陽(yáng)能玻璃暖房，利用溫室加溫。白天利用悶棚技術(shù)，讓太陽(yáng)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(shè)蓄熱物質(zhì)。

太陽(yáng)落山以后，打開通風(fēng)管道，逐漸釋放熱量。每秒通風(fēng)量1500立方米，20點(diǎn)到次日 8點(diǎn)共43200秒，總通風(fēng)量可高達(dá)6000萬(wàn)立方米，通過溫室入口控制風(fēng)流量，溫室內(nèi)空氣與外部冷空氣混合后輸入通風(fēng)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?cè)萘亢托顭崮芰梢詭?dòng)20倍的通風(fēng)量。那么我們需要的溫室容量為324萬(wàn)立方米，溫室高30米時(shí)，共需要溫室面積10萬(wàn)立方米左右，長(zhǎng)340米，寬300米。

筆者設(shè)想，建立一個(gè)或多個(gè)250米高的通風(fēng)塔，不僅可以解決逆溫層的問題，也可以解決無(wú)風(fēng)天氣的風(fēng)源問題。

“超級(jí)煙囪”的其他功能

風(fēng)道的建設(shè)可以考慮設(shè)置渦流發(fā)電裝置。澳大利亞太陽(yáng)塔的發(fā)電成本較高，經(jīng)濟(jì)方面的核算較難通過。出于經(jīng)濟(jì)的考慮，我們?cè)诮L(fēng)道時(shí)，可以不附加發(fā)電功能，這樣對(duì)風(fēng)力強(qiáng)度的要求會(huì)下降，對(duì)溫室面積、管道高度、發(fā)電設(shè)備等投資的要求，均會(huì)大大減少。

2013年8月17日是霧霾在烈日作用下垂直擴(kuò)散比較典型的一天。當(dāng)天凌晨，北京城區(qū)PM2.5的濃度還高達(dá)每立方米100多微克，到了照片拍攝時(shí)的16∶35，被陽(yáng)光炙烤大半天的PM2.5只剩下每立方米20多微克。 季天也/攝

2001年秋冬北京城郊逆溫層高度和強(qiáng)度數(shù)據(jù)圖

考慮到城市規(guī)劃和美學(xué)方面的要求，“超級(jí)煙囪”外觀裝飾可以參考上海對(duì)舊煙囪進(jìn)行裝飾的思路，可安裝具有觀賞性的巨大LED溫度計(jì)或廣告屏等實(shí)用功能。

如果要節(jié)約成本，也可以論證一下能否對(duì)現(xiàn)存的廢棄老煙囪進(jìn)行改造，使其變身為垂直風(fēng)道。

當(dāng)然，建造通道也可以考慮利用光禿陡峭的山體，或者建成金字塔狀，不一定非得是煙囪或高塔的形式。

參照太陽(yáng)塔的實(shí)踐模式，本文提出的清除霧霾風(fēng)道也應(yīng)該通過小型樣機(jī)試驗(yàn)，驗(yàn)證設(shè)想的可行性，獲得溫室尺寸的實(shí)際數(shù)據(jù)，對(duì)造價(jià)進(jìn)行估算。

俗話說(shuō)，隔行如隔山。筆者有關(guān)修建“超級(jí)煙囪”——垂直風(fēng)道的設(shè)想，還僅僅是一個(gè)假想，只是提出一個(gè)別人或許還沒想到的思路，具體能否實(shí)現(xiàn)，還需要建筑學(xué)家、熱力學(xué)家和太陽(yáng)能專家等各個(gè)領(lǐng)域?qū)＜业淖屑?xì)論證，也歡迎社會(huì)大眾參與討論如何解決城市霧霾問題。

本欄目責(zé)編/季天也jtyair2013@vip.163.com