江蘇省江陰市華士實驗中學趙奕瀟
專案背景
隨著人們生活水平的提高，很多家庭都搬進了新裝修的房子，並安裝了許多電器裝置（如圖1）。在寒冷的冬天，我們南方人通常都會開空調取暖，但空調開久了，空氣質素就會下降，給人們的生活帶來很多不利。加之很多裝修材料和電器產品的使用，對人的健康都存在著一定的影響。
冬春季節，人本來就容易感冒生病，如果室內空氣質量降低，這對我們的健康就更為不利了。我就讀學校的不少老師來自陝西、黑龍江等北方，據他們所講，北方雖然很多房屋採用的是暖氣管道（如圖2）取暖，但如果房間密閉時間久了，同樣面臨著上述空氣質素下降的問題。
圖1 現代家居圖2 我國北方房屋的暖氣管道
通過進一步的走訪，我了解到，現實生活中很多家庭採用的應對措施是開窗通風（如圖3）這種土辦法，很多企業則安裝較為簡易的換氣扇（如圖4），或者是安裝無動力屋頂風機（也稱無動力風帽或渦輪式通風器，如圖5）。我認為，這些做法都存在著一定的弊端，它們都容易導致室內氣溫變化過於劇烈，使人較難適應，並且會導致大量的熱量損失，不利於節能。
圖3 開窗通風圖4 換氣扇圖5 無動力屋頂風機
通過網路檢索，我發現目前也有一些通風換氣產品，如新風換氣機（如圖6）和呼吸窗（如圖7），但它們也有一定的缺點，如前者體積太大，額外費電，後者氣流方向及通風量都無法控制，且沒有能量**功能。另外還有一些清新空氣的產品如空氣淨化器（如圖8），但都要消耗電能，從長期來看，費用不小。因此這些產品某種程度上都有一定的推廣難度。
圖6 新風換氣機圖7 呼吸窗圖8 空氣淨化器
於是我就萌生了設計一種節能型換氣裝置的想法，在改善室內空氣質量的同時，盡可能降低室內熱量的損耗。
設計目的和基本思路
設計一款換氣裝置是我很久就有的想法，我設想過許多辦法，經過論證都覺得不夠完善，因為我追求的核心理念是低碳環保、綠色節能。我眼中的換氣裝置最好是採用自然通風，不額外消耗電能，並且在保證室內外空氣對流順暢，提供生理所需的新鮮空氣的同時，能夠有效控制室溫的變化幅度，減少室內熱量的損失。
一次地理課上學到的有關冷熱空氣自然對流（如圖9）的知識，對我思路的拓展有如神助。利用冷氣流下沉、熱氣流上公升的原理，我初步擬定了該裝置採用雙向通風的管道結構。經過好幾個星期的思索、論證以及製作，我最終確定了該裝置的設計模型（如圖10），它整體上採用內嵌式雙向通風管道結構，進氣（室外冷氣流）管道（圖10.
3）包裹在排氣（室內熱氣流）管道(圖10.9)之中，以利於排出的廢氣對進氣管中的冷空氣進行加熱，使得新鮮空氣在進入室內的同時具有較為適宜的溫度，達到廢熱**利用的目的。裝置的內部採用蜂窩狀的金屬進氣管道(圖10.
3)，其目的是使其增大與氣流的接觸面積，以利於熱量的充分傳導。頂部的冷氣流進口(圖10.1)和熱氣流出口(圖10.
7)處採用雙軸承結構，並安裝風向調整尾翼(圖10.6)，以利用自然風自動調節風口位置。
圖9 冷熱空氣的自然對流圖10 能耗蜂窩狀室內自動換氣裝置結構示意圖
我認為，該裝置的設計，從結構到功能等方面，基本都是符合建設低碳節約型社會、走生態可持續發展道路的理念的，下表（表1）是對本裝置與前述一些通風換氣方式或產品在效能等方面的對比總結：
表1：幾種通風換氣裝置的特點比較
研究過程
本專案的具體研究，是從我受到空氣的自然對流原理啟發後開始的，起初的構思和論證主要是在圖紙上進行的。根據對流原理，我設計了內嵌式雙向通風管道結構，內部為金屬管，供室外冷氣流進入，外部為硬塑料管，供室內熱氣流排出。在裝置的頂部，把冷氣流進口巢狀在熱氣流出口裡，但兩者的氣流不會直接相碰（見圖10.
1，10.7）。另外在其底部設計了冷氣流出口和熱氣流進口，把熱氣流進口開在排氣管壁上，避開冷氣流出口，這同樣是為了確保同一端的兩個氣流口互不產生直接的干擾（見圖10.
5,10.10），使得室內外的氣流進行較為流暢的對流，並通過內部的金屬管道壁進行熱交換，以取得挽回熱量損失的目的。
考慮到室外的氣流方向是隨時間而發生改變的，特別是當遇到較大的風力時，需要冷氣流進口迎向風口，因此需要對裝置的頂部作出特別的設計，使其能夠隨風向的變化而自由調整。經過反覆的論證，最後我對頂部的兩個氣流口設計了雙軸承結構（見圖10.2,10.
8），加之它們原先就被設計為巢狀在了一起並呈相反方向，這樣就可以充分利用自然風的力量實現一起轉動，使得進氣口始終以迎風面的狀態進行工作，而排氣口則始終背對風向，以提高空氣對流的效率。同時，在頂部的排氣口上方增設風向調整尾翼（圖10.6），以增強風口調整的靈活性。
這種雙軸承結構的設計保證了無需電能的驅動，而能實現頂部氣流口隨風向的變化而自由切換，大大節約了成本。而且，由於主體管道（金屬管與排氣管）本身無需轉動，這樣就有利於在實際的應用開發中，主體管道可以根據實際需要的不同而有不同的造型，比如可以採用圓柱體式樣，也可以採用長方體式樣，可以實現彎曲處理，也可以採用分段拼裝，在空間布置上，可以考慮與房屋設計、裝潢設計等進行巧妙的結合，而不至於給人一種異類的感覺。
在大體上確定了設計思路的基礎上，我開始著手準備器材購買及模型製作。通過當地的一家塑料管廠我要到了幾根管徑約10cm，長度約1m的硬塑料管作為排氣管道，接下來便根據排氣管的管徑，在**網上挑選適合尺寸的軸承和金屬管，並通過圖紙論證及與輔導老師交流後，確定購買2個軸承,1個內徑10cm，外徑11cm，另乙個外徑7cm，內徑6cm，同時購買了10根管徑2cm，長度1公尺的黃銅管。
一開始我設計的是管徑約7cm的單根金屬管道，後來在與老師**過後，我將其管徑縮小至每根2cm，並擴充套件為3根（由於軸承厚度的影響以及考慮到排氣的需要，經論證只能放3根左右），其截面呈蜂窩狀結構，這樣既可以增大其與冷熱氣流的接觸面積，也使得冷氣流經過頂部分流後降低流速，從而促進熱交換更為充分而有效。金屬管之間用幾塊蜂窩狀的塑料薄片（圖10.4，10.
11）固定，並卡在排氣管道中，以增強整個裝置的牢固性。圖11是我購買器材前所做的零件尺寸的論證圖紙。圖12是按照設計的圖紙完成的實物區域性圖。
圖11 低能耗蜂窩狀室內自動換氣裝置圖12 低能耗蜂窩狀室內自動換氣裝置
頂部橫截面示意圖（零件尺寸圖頂部橫截面模型圖
在上述工作的基礎上，我又根據軸承的外徑買來了兩根彎管，製作成頂部的進氣口和排氣口，用膠水固定在軸承上（如圖13）。並用質地較好的kt板製作風向尾翼，安裝在排氣管的上面。到此，由我設計的換氣裝置的模型終於面世了（如圖14）。
圖13 趙奕瀟製作過程圖圖14 低能耗蜂窩狀室內自動換氣裝置模型圖
受部分器材條件限制，也為了放置方便，剛開始完成的模型其長度僅為1公尺多。考慮到現實生活中即使單層樓的高度一般也要3～4公尺，且考慮到主體管道的長短應該會影響冷熱氣流的熱交換時間及其效果，我就利用餘下的硬塑料管以及黃銅管，又製作了兩個內嵌式蜂窩狀管道，以備後續的研究之用，三根管道加起來的總長度已超過3公尺。
為了了解該裝置的節能效果，我們購置了氣溫計以及風速儀等工具，並連續多天選擇不同的時間點對它進行了測試，下表（表2）是2023年12月21日所測得的一些資料。
表2：低能耗蜂窩狀室內自動換氣裝置模型測試資料（2012.12.21）
通過對測試資料的統計，我們發現，使用該裝置進行換氣後，基本上能使進入室內的冷氣流公升高6℃左右的溫度，表明該裝置確實具有一定的廢熱**利用價值。假以時日，作技術及材料方面的改進，我相信它一定還可以取得更好的效果。
同時，通過對資料的分析，我認為，該錶反映了影響冷熱氣流熱交換效率的兩個因素，其中乙個因素是室內外溫差，由表中資料我們可知，8點、10點、16點三個時刻室內外溫差相對較大，相應的結果是冷氣流被加溫的效果也較明顯。另乙個因素是室外冷空氣的風速，由表中資料可知，8點、10點時刻風速較低，相應的熱交換效果也較好，我認為原因應該是，由於冷熱氣流隔著金屬管對流，因此這種情況下只有當氣流保持相對較慢的流速時，才能進行更為充分的熱量交換。
測試結果給我的啟示是，若要進一步增強熱交換的效率，就應當創造條件延長熱氣流對冷氣流的預熱時間，比如，可以加長裝置的管道長度，甚至可以開發曲線形的金屬管道，也可以縮小金屬管的管徑，增加金屬管的數量，這樣既可以降低冷氣流的流速，也可以增大冷熱氣流與金屬壁的接觸面積。當然，除此以外，還可以減小金屬管壁的厚度，提高冷熱空氣熱交換的速度。
應用前景
1.該專案適用於普通家庭，也適用於醫院、企業等人員較多的地方，尤其是我國南方地區冬季長時間開空調的房子，以及我國北方地區冬季使用暖氣的房子。為了避免後期安裝的麻煩，可以考慮在建造房屋的同時做好設計。
2. 該專案能有效避免室內潮濕，從而保護建築結構以及室內物品，對於一些特殊性質的建築物及物品的儲存有一定的保護作用。
3.該專案也可以考慮在汽車、列車等交通工具方面的進一步研究和應用。
完善設想
設計製作這樣一套更為完整的實物裝置，安裝在室內，進行換氣時廢氣熱量對室外寒冷空氣加熱的能效比觀察研究。
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