自然能地下停车场换气装置

2024-02-18 11:07:22长沙市雅礼洋湖实验中学周鑫博

◎长沙市雅礼洋湖实验中学周鑫博

湖南师大附中博才实验中学曹振宇

本期点评专家

谭迪熬中国发明协会院士专家咨询工作委员会首任专家，中国发明协会中小学创造教育分会会长，科技创新教育特级教师，教育部国培计划专家库专家。

一、项目背景

地下停车场传统的通风系统主要由电能驱动，采用全面通风方式，即根据划分的若干个防火分区设计若干个送、排风系统。火灾发生时，这些系统还是排烟系统。

为保证排风效果，送、排风系统都由大的通风管道构成，排风口均匀分布。通风管道占用空间大，使地下停车场的使用率降低。

一天，我们相约一起去玩，当进入地下停车场时，觉得这里的空气质量欠佳，感觉很不舒服。之后，通过对长沙市中海阅麓山二期、江山帝景等6个小区的地下停车场的通风设备和使用情况进行调查，我们发现这些地下停车场都装有通风系统，但在调查期间通风系统从未开启。有些地下停车场的通风管道因长期未工作，变得锈迹斑斑。

走访物业公司，我们得知地下停车场通风系统经常闲置未用的原因在于能耗过大。

我们还发现，一些老旧的地下停车场不具备安装通风换气装置的条件，通风不畅，汽车尾气和某些设备因霉变散发的气味令人不舒服。

于是我们有了一个想法：设计自然能驱动的地下停车场换气装置，既能解决地下停车场空气质量差的问题，又能解决传统通风换气装置能耗过大的问题。我们把这个想法告诉了老师，得到了老师的极大鼓励，接着我们开始探究。

图1 地下停车场的传统通风系统

通过自然能——风能和太阳能驱动鼓风扇转动，利用二氧化碳传感器感应地下停车场空气中二氧化碳的浓度，用Arduino控制板控制鼓风扇工作，向地下停车场鼓风。多余的电能可以存储起来，方便在晚上或无风的阴雨天为地下停车场换气工作供能。

根据目前居室空气质量标准，当二氧化碳传感器检测地下停车场内二氧化碳的浓度达到500 ppm时，启动通风设备进行换气；当二氧化碳传感器检测地下停车场内二氧化碳的浓度达到320 ppm时，关闭通风设备，达到节能的目的。

为了使地下停车场各处的换气速率保持一致，我们考虑将通风管道模型设置成“工”字形，并在通风管道上设计等距的通风口。

我们用纸盒制作通风管道模型，在通向地面的排风管安装一个小型风机，用测风仪测量每个通风口的风速，测量3次，测量结果取平均值，具体数值见表1。

表1 通风管道模型每个通风口的风速

图2 “工”字形通风管道模型设计图

图3 通风口风速测试

图4 改进后的通风管道模型设计图

虽然通风口是均匀分布的，但各个通风口的风速不同，这会导致地下停车场各处换气不均匀。经过分析，我们发现各通风口风速不同的原因是其与风机的距离不同。

针对上述问题，我们在各个通风口安装调节装置，根据通风口与风机的距离调节各通风口的开合度。之后我们又用测风仪测量每个通风口的风速，测量3次，测量结果取平均值，具体数值见表2。

表2 改进后的通风管道模型通风口的风速

结果显示，各个通风口的风速基本一致，可实现地下停车场换气均匀的目的。

为了在阴雨天充分利用风能，将水平方向的风转成垂直方向的风，让风直接吹入地下停车场，我们在气象站的风速仪的启发下，不断尝试与改进，设计了涡轮风机。涡轮风机能获取任何方向的水平风。

我们在垂直于地面的通风管道内安装扇叶，在任何方向的水平风的吹动下，涡轮风机沿垂直轴线方向转动，从而带动通风管道内的扇叶转动，向地下停车场送风，实现在无阳光的夜晚或阴雨天都能对地下停车场进行全天候换气。

我们拿涡轮风机模型进行测试，测试结果达到预期目的。

图5 涡轮风机模型（左图）及测试

我们先准备制作材料——低压Arduino控制板、二氧化碳传感器、继电器、红色与绿色指示灯、太阳能电池板、鼓风扇、充电电池、控制盒等，再根据装置结构图，将它们与各通风口装有调节装置的通风管道、涡轮风机组装在一起。

垂直的导风管连通地下停车场的通风管道，导风管内安装鼓风扇，导风管上面安装涡轮风机，涡轮风机由支架固定，涡轮风机上方装有太阳能电池板。低压Arduino控制板、二氧化碳传感器、继电器等置于控制盒内。

接着，我们利用Mind+模块化编程软件编写程序，控制通风设备的开启与关闭。

图6 装置结构图

本项目解决了目前地下停车场通风换气系统因能耗过大成摆设的问题，装置充分利用自然能将任意方向的水平风转变成垂直向下的风，全天候对地下停车场进行换气，既可保障地下停车场的空气清新，有利于人们的身体健康，又能实现节能环保。

本项目通过测试确定了自然能地下停车场换气装置的基本参数，保证装置的灵敏性和可靠性。

本项目的推广使用，具有重要的实际价值与意义。同时，为地下停车场或地下场所基于节能环保的通风升级提供参考。

图7 自然能地下停车场换气装置模型实物图