南风古灶通风奥秘探究及其原理在现代智能工程中的应用设想

臧敏

摘要：通过对南风古灶利用自然条件巧妙解决通风问题的研究，为现代地铁、隧道、地下人防工程、玻璃幕墙密封的高层建筑、垂直升降电梯等需要通风的现代智能工程，提供一种利用自然条件解决通风问题的新思路。研究过程中根据伯努利原理和柯恩达效应，解释了南风古灶利用自然条件通风的奥秘；在现代提倡绿色环保的大背景下，利用自然条件解决现代智能工程需要通风的问题，能节省大量的能源，有较好的应用前景和研究价值。

摘要：南风古灶；自然条件；通风奥秘；现代智能工程

中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2018）07-0251-03

1 研究背景

在南海石湾有座建于明代正德年间（1506-1521年）非常著名的南风古灶，五百多年来，它克服了自然环境下的各种恶劣境况，窑火不绝，生产不断，并至今得以保存完好。特别是古灶的通风结构的巧妙设计：古灶既没有我们常见的大烟囱，也没有现代工业技术下的大型鼓风机，整个龙窑犹如一条长龙蜿蜒趴在地面，在没有现代电力的条件下，它充分利用自然地理环境的资源，解决了现代工业技术下都很难解决的古灶通风问题。几百年前的人们是怎样利用自然条件解决通风助燃的问题？这些利用自然条件解决通风问题的方法我们能否应用于地铁、隧道、高层建筑等现代智能工程当中。围绕这些问题，我展开了一系列的调查、分析与探讨。

2 古代窑的主要通风方式的调查

古代窑按窑炉形制来分，最常见的有馒头窑、龙窑、马蹄窑、阶级窑等多种，北方的平原地区多使用馒头窑，而南方的山区、半山区则多依山建造龙窑。为此，我通过几年时间的实地调研和网上查找，收集了一些古窑的资料，并重点收集了这些窑的通风设计情况，具体如下：

1）馒头窑：馒头窑始于商代中后期，因火膛和窑室合為一个馒头形的空间，故称为“馒头窑”，它主要利用夹墙竖烟道产生的抽力来控制一定的空气进窑，火焰流向呈半倒焰式，都是靠排烟孔调节燃气的流量。[1]

2）龙窑：龙窑始于商代，多依山坡或土堆倾斜建筑，窑长多在20—80米之间，形似长龙，故称之龙窑。龙窑窑室分窑头、窑床、窑尾三部分，窑头有预热室，窑尾一般不设烟囱，大多采用自然通风方式，窑内火焰多平行窑底流动。[2]

3）马蹄窑：是馒头窑的一种，属于半倒焰窑，因窑的平面状似马蹄形而得名。马蹄型窑在唐代到元代流行于北方地区，其通风排烟原理与馒头窑类似，都是靠排烟孔调节燃气的流量，并依托夹墙竖烟道产生的抽力来控制的空气进窑。

4）阶梯窑： 是以砖等材料在倾斜度为[10°]-[20°]的坡地筑成，由窑门、火膛、若干个室等组成，一般分为5至10间窑室，各室依次相连，一室高于一室，有如阶梯，故名阶梯窑。阶梯窑是由宋元时期的分室龙窑发展而成，最早出现福建地区，在通风设计上，它同时具有龙窑和馒头窑的特点。

3 南风古灶通风的独特结构设计

为了探究南风古灶通风设计的奥秘，我多次实地考察了南风古灶，发现南风古灶比之前我了解的窑灶进行了不少改进，如从窑的火眼到窑的长度，从建筑选址到倾斜角度的设计，还有整个古灶它的内空直径从窑头到窑尾等都有一些变化，详细发现如下：

1）选址独特

南风古灶的建筑选址非常讲究，它选择了一座小山丘，伴山而建，且南风古灶的炉口正向南方，以便自然风更顺畅进入古灶内，南风古灶也因此而得名；

2）灶身设计巧妙

南风古灶灶身设计沿地面倾斜而上，并且南风古灶它从灶膛到出口的地面的倾斜度逐渐变化。具体测量数据如表1所示：

3）宽长比平均为0.0608

南风古灶窑体总长37.8米，窑墙外宽6米，整个古灶它的内空直径从窑头到窑尾也有一些变化，横断面积以窑头最小，中部最大，窑尾大于窑头而小于中部，窑内平均宽2.3米。龙窑内侧宽度测量数据如表2示：

4）风速头尾快

实地测量龙窑进出口风速、风量，大气压、温度等，具体数据如表3、表4所示：

5）除此之外，南风灶的龙背上设计有火眼34排（每排5个），行活称一排为一下火，共34下火。每排火眼位置不完全在一个平面内，而是呈一定弧度。火眼主要作为烧窑时投放木柴之用，同时还起到监测灶内温度之用。窑侧有烧制品进出灶口4个，主要用于毛坯的放入和成品的取出。

4 南风古灶通风的独特结构设计的科学原理解释

在反复调研考察后发现，南风古灶虽然没有鼓风机等电力设备来帮助通风，也没有设置烟囱来排烟，但它就像一条“趴在地上的烟囱”：它通过灶身巧妙的设计，沿山坡面巧妙地倾斜而上，整个古灶身有一个合理的倾斜角度，并有一个适当的长度，很好地解决了古灶的通风问题，还充分利用周围山体斜坡的朝向、山间对流空气的流向等来解决古灶的通风问题。

经反复研究分析后发现，这是我国劳动人民很好地运用了伯努利原理、柯恩达效应等现代科学原理解决了古灶的通风问题。具体分析如下：

其一：古灶灶头设置有4个灶口，灶外空气进入灶口时，因通风截面积迅速变小，据实地测量，灶口处风速高达5.9km/h，根据伯努利原理，在理想状态下，流速越大，压力越小，这时灶口处压力相对较小，灶外空气在大气压作用下，源源不断被“压”入灶内。

其二：古灶的倾斜角度及长度也会影响通风效果，具体分析如下：

设古灶底部进口为1断面，古灶出口为2断面，根据伯努利原理，列出断面1与2的能量方程：

因南风古灶灶身设计是与地面存在一个倾斜角度，整个灶身长度达30多米，这样窑头与窑尾之间存在高度差，由上式推断可知，古灶出口流速[V2]随着窑头与窑尾高度差H的增大而增大，从而实现了依靠自然条件通风的功能。

并且南风古灶灶身各个部位间与地面的倾斜角度是逐渐变化，当倾斜角度大时，灶内两点间高度差也大，根据伯努利原理，两点间流速也随之变化。从而起到调节通风速度的作用，这使得南风古灶不同于一般的古灶，它非常高效，这也是南风古灶可以称为“最好的龙窑”的原因之一。

同时，整个古灶的内空直径从窑头到窑尾都有一些变化， 横断面积以窑头最小，中部最大，窑尾大于窑头而小于中部，窑内平均宽2.3米。若进入窑内的风量基本不变，则变化的横断面积，让气体流速产生变化，根据伯努利原理，在在同一管道中，流速越大的地方，压强越低，因此窑内压力也随之有细微变化，也可起到调节风速的作用。

以上这些利用自然条件解决通风问题的措施及运用到的原理对我们解决当今隧道工程、人防工程、高层建筑、垂直电梯等现代智能工程通风问题起到一定参考作用。

5 迁移到现代地铁隧道工程解决通风问题的设想

1）调查目前国内地铁隧道设置的通风和排烟设施的基本情况

因建设年代不同，国内各地的地铁通风和排烟系统不尽相同。总体可分为两类：

第一类是通风和排烟同为一个系统，即通风和排烟系统均由相同的风机、消音器、风口、风道和风亭组成。由风机的风叶进行正转或反转，来实现系统的送风或者排烟。另一类是通风系统和排烟系统分开设置，各自分别成为相对独立的系统。即通风系统和排烟系统是由各自独立的风机、消音器、风道、风口（排烟系统含风亭）分别组成。进烟口、通风口分别设在站台行车道上方和站台集散厅顶部，站台内的烟气流动为垂直方向流动。[4]

2）实地考察和调研广州地铁隧道工程通风和排烟设施的情况

我亲自前往广州“汉溪长隆站”、“大石站”地铁口进行了实地考察，了解到广州地铁的通风和排烟是将两种方式结合使用，即隧道内采用第一种方式，站台上采用第二种方式。

我了解到廣州地铁站台的通风排烟系统均采用双风道、双风机，单台风机的设计排气量为每小时20万立方米，（即每分钟3333立方米，每6分钟为2万立方米），每个站台隧道通风排烟系统的通风排烟能力为每小时40万立方米。

3）以地铁隧道为例，应用南风古灶的研究结果构建一种在现代智能工程中利用自然条件解决通风的设想

由上述调查与考察结果看，目前，国内地铁隧道的通风排烟系统均采用电力设备帮助解决通风换气与排烟，其优点是通风换气能力强，基本上只需1～1.5分钟即可对站台内空气实现一次换气。缺点是耗电量大，能源消耗大，不环保。

通过这次研究，我了解到南风古灶在解决通风问题上的很多奥秘及其遵循的科学原理，因此我大胆设想，在现代智能工程的通风设计中，借鉴南风古灶在通风设计上的措施，从而实现利用自然条件解决现代智能工程的通风问题，为实现这一目标，以地铁隧道为例，可从以下方面进行设计改进：

（1）地铁口的朝向：因自然风的流向以南北流向为主，为了让自然风更顺畅进入地铁隧道内，建议地铁口的朝向借鉴南风古灶建筑原则，以朝南为主。

（2）设立竖井群利用烟囱效应进行自然通风。

南风古灶就像一条“趴在地上的烟囱”， 它的灶身与地面间存在一定倾斜角度，配合灶身长度，这样窑头与窑尾之间存在高度差，古灶出口流速V2随着窑头与窑尾高度差H的增大而增大，从而实现了依靠自然条件通风的功能，如图1示。

在地铁隧道通风设计时，将整条隧道实现倾斜而上，不现实，但可借鉴南风古灶窑头与窑尾之间存在高度差实现通风的方式，采取在隧道的不同位置设置竖井，多个竖井组合成竖井群，从而实现自然通风。如图2、图3所示。

（3）合理设计地铁或公路隧道各位置的截面大小。根据伯努利原理，在同一管道中，流速越大的地方，压强越低，因此不同截面大小的地铁隧道间压力也不同，气体在压力差之下流动，实现通风作用。

（4）充分利用地铁隧道列车高速行驶时带来的“活塞风”实现对流通风。

地铁列车高速行驶时，沿列车前进方向会产生5到6级风力，从而带动地铁隧道内形成空气的流动（如图3示），并且通过控制阀门控制，进风口只进风，出风口只出风）。

6 现代智能建筑工程中的应用设想

在其他垂直方向需要解决通风问题的现代智能建筑工程当中，也可参照南风古灶的方法，解决诸如玻璃幕墙封闭的高层建筑、高层垂直电梯等的通风问题，最主要地是如何设置好进风口的大小和高度、数量等，如何合理地设置好出风口的高度及大小、数量等，这个需要更进一步的实地进行实地实验和检测，其实际应用效果需要更进一步的测试和检验，鉴于条件所限，只能作此设想。

参考文献：

[1] 沈岳明.龙窑生产中的几个问题[J].文物，2009（9）：55-64.

[2] 鲁承义.龙窑结构及装烧法[J].陶瓷研究，1986（3）：29-34.

[3] 中国硅酸盐学会.中国陶瓷史[M].文物出版社，1982.

[4] 杨立新，洪开荣，刘招伟，等.现代隧道施工通风技术[M].人民交通出版社，2012.

[5] 方正，袁建平，齐运才，等.武汉长江隧道通风排烟问题的数值模拟研究[J].暖通空调，2009（1）.

[6] 宋晔皓.利用热压促进自然通风[J].建筑学报，2000（12）：12-14.

[7] 段双平.自然通风技术研究进展[J].2004，34（3）：22-28.

[8] 李峥嵘.蒸发冷却和相变技术在晚间通风系统中的应用[D].同济大学，1997.