通风井

通风井（英语：Air well）是将空气中水蒸气冷凝并收集冷凝水的结构或装置^[1]。尽管其设计多变，但最简单的设计是完全被动的。不需要外部能源，几乎没有动态部位。通风井有三种类型：

• 高质量：20世纪初使用，但方法失败^[2]。
• 低质量的辐射收集器：20世纪后期的发展被证明是更成功的^[2]。
• 主动式收集器：与除湿机相同的方式收集水；虽然这个设计能很好地工作，但它需要外部能源输入，在特殊情况外的使用很不经济。新的创新设计旨在最大限度地减少主动冷凝器的能源需求或利用可再生能源^[3]。

比利时工程师阿基欧·克纳彭（Achile Knapen）在普罗旺斯的高质量通风井

背景

在印度西北部550至660平方米处的辐射冷凝器^[4]。

通风井的设计都包含足够低的地基以形成露水。大气中的水蒸气通常以露水这种降水的方式自然地凝结在地基上^[5]。与雾不同，雾是由空气中颗粒周围凝结的水滴形成的。若要持续收集露水，则必须耗散凝结过程中释放的潜热^[6]。通风井需吸收空气中的水分。即使在沙漠，周围的空气至少含有一些水。据贝桑和米利莫克的说法，大气中含有约12,900立方千米的淡水，其中98％是水蒸气，剩下的2％是冷凝水（云），这几乎相当于人类居住地上所有的可再生水资源量（约12,500立方千米）^[5]。空气中含有的水蒸气的量叫做相对湿度，其大小与温度有关，温暖的气流能携带更多的水蒸气。当空气冷却到露点时，水蒸气达到饱和，然后在合适的表面上凝结成水^[7]。例如，对于温度为20 °C（68 °F）、相对湿度为80％的空气而言，其露点为16 °C（61 °F）。如果相对湿度降为50％，露点则相应地降至9 °C（48 °F）^[5]。一个类似但又相当不同的获得大气水分的技术是捕雾网（英语：fog fence）。通风井不宜与集水池（英语：Dew pond）混淆。集水池是人工挖掘为家畜供水的池塘。集水池又称集雨池或露池，“露池”一词源于多数人认为集水池中水的主要来源是由空气中的雾水，但事实上是雨水^[8]。覆盖范围可以大幅增加干旱地区的作物产量。在加那利群岛最为突出：在兰萨罗特岛，每年有大约140毫米（5.5英寸）的雨水，没有永久性的河流。尽管如此，大量的作物可以通过使用一块火山石块生长，这是1730年火山喷发后发现的一个技巧。一些可靠的石头地毯与促进露水；虽然这想法激发了一些思想家，但似乎不太可能影响到这一点；相对的，植物能够直接从叶子吸收露水，并且石材覆盖物的主要优点是减少土壤的水分流失并消除杂草的竞争^[9]。

历史

从20世纪初开始，许多发明家尝试了大量露水收集器。著名的调查员是俄罗斯工程师弗里德里希·齐波尔德（Friedrich Zibold）^{[注 1]}、法国生物化学家莱昂·沙普塔（Leon Chaptal）、德国─澳大利亚研究员狼克·拉克（英语：Wolf Klaphake）和比利时发明家阿基欧·克纳彭。

齐波尔德收集器

通过弗里德里希·齐波尔德（Zibold）的露水收集器。其中a是底部直径20米（66英尺）的海滩鹅卵石截顶锥体，顶部直径为8米（26英尺）；b是一个混凝土碗，从碗的管道底部离开收集点；c是地面水平；d是天然石灰岩基地^[11]。

1900年，林务工程师弗里德里希·齐波尔德在古代拜占庭城市提奥多西亚遗址附近发现了13块大石头^[12]。每块石头的面积超过900平方米（9,700平方英尺）、高约10米（33英尺）。这些显然导致了城市的水井和喷泉，发现与直径75毫米（3.0英寸）的红陶遗体有关。弗里德里希·齐波尔德认为石堆是用供水给提奥多西亚的通风井，并计算出每个通风井每天生产超过55,400升（12,200英制加仑；14,600美制加仑）^[10]。

为了验证他的假设，弗里德里希·齐波尔德在提奥多西亚遗址附近的奥巴山丘建造了一个高达288米（945英尺）的凝固器并收集区域排水，其面积围绕成1米（3英尺3英寸）高、20米（66英尺）宽的墙壁。他用海石堆放在10—40厘米（3.9—15.7英寸）的直径6米（20英尺）、高8米（26英尺）的截顶锥体上。石头的形状之间，只允许最小的良好气流接触^[3]。

弗里德里希·齐波尔德的收集器在1912年开始运作，最大的日产量估计为360升（79英制加仑；95美制加仑），他当时没有公布自己的成绩。1915年基地泄漏，在成为遗址之前被部分拆除^{[注 2]}。弗里德里希·齐波尔德的收集器已经发现与古代的石桩大致相同。虽然远低于弗里德里希·齐波尔德的估计产量，但后来还是受开发商的启发^[3]。

沙普塔收集器

1929年，莱昂·沙普塔受弗里德里希·齐波尔德的工作启发，在蒙彼利埃附近建了一个小通风井，其收集器结构是3米（9.8英尺）平方、2.5米（8英尺2英寸）高；石灰岩的填充面积为8立方米（280立方英尺）、直径约7.5厘米（3.0英寸），并在塔顶端和底部围绕小通风孔，可根据风的流动控制开关。该装置可以让白天进来的暖湿空气到了晚上在石灰石块上冷凝成露水，然后存储在地下的贮水层中。取决于大气条件，每天收集的水量从1升到2.5升不等^[13]。

莱昂·沙普塔自认为没有任何实验是成功的。当他在1946年退休时，他将自己的收集器停止运作，可能是因为他不想留下一个错误的设施来误导那些想继续研究通风井的人^[2]。

狼克·拉克收集器

狼克·拉克是一名1920至1930年代在柏林工作的化学家，当时他在南斯拉夫和亚得里亚海的维斯岛测试了几种形式的通风井，该收集器受到弗里德里希·齐波尔德和迈蒙尼德的启发^[3]。

暂时确定狼克·拉克的收集器痕迹^[14]。

狼克·拉克当时渴望开发收集器，1935年和其妻子玛丽亚（Maria）搬至澳洲居住，其决定主要原因可能是妻子遇到纳粹德国^[15][16]。

克纳彭的通风井

通风井外观

通风井内部

阿基欧·克纳彭的通风井

国际露水利用组织

通风井类型

设计通风井用于收集水分的收集器有三种主要方式：高质量、低质量的辐射收集器和主动式收集器。在20世纪初，那边的人对高质量通风井较感兴趣^[17]。

高质量

高质量通风井（high-mass air well）的设计试图利用夜间凉爽空气通过微风或自然对流进入结构内，以冷却大量的石材砌体。白天时，阳光加热使大气湿度增加，当潮湿的日间空气进入通风井，可能在冷却的石材表面凝结。然而，所有高质量集水器的效能均不佳，其中克纳彭（Knapen）的“空中井”尤为典型。

这类集水器的主要问题在于无法于夜间充分散热，即使设计上包含了为此目的而设定的特征。虽然部分研究者仍认为齐博尔德（Zibold）的假设可能正确，《干旱环境期刊》（Journal of Arid Environments）的一篇文章指出，这类高质量冷凝器设计无法产生实用数量的水分：

文中强调，若要发生凝结，冷凝器（石材）的温度必须低于露点温度。当无雾时，露点温度通常低于气温。气象资料显示，在天气稳定时，露点温度（作为空气含水量的指标）变化不大。因此，风最终仅会使冷凝器温度趋近气温，而无法令其冷却至可发挥作用。必须依靠另一种冷却现象——辐射冷却——才能使冷凝器于夜间从空气中萃取液态水。露点温度显著高于石材温度的情况极为少见，仅在偶尔出现时可于短时间内产生较多露水。这亦解释了夏普塔尔（L. Chaptal）与克纳彭（A. Knapen）后续建造的大型露水冷凝器仅能在少数情况下取得显著产量的原因。

虽然部分资料提及古代通风井，但缺乏充分证据，其存在的持续信念被认为更接近现代神话。

低质量的辐射收集器

辐射式通风井（radiative air well）通过向夜空辐射热量来冷却基底。基底质量低，因此不易储存热量，并且与任何其他质量（包括地面）保持热隔离。一般的辐射式集水器会将冷凝表面以 30° 倾角设置，冷凝表面后方为厚层绝缘材料（如聚苯乙烯泡沫），并支撑于地面上方 2–3 米（约 7–10 英尺）。此类冷凝器可安装于低矮建筑的屋脊，或由简单框架支撑。虽然其他高度的效能通常不如上述配置，但若考量成本或安装便利性，亦可能设置于接近地面的高度或两层楼建筑之上。

位于印度萨塔帕尔（Satapar）的冷凝器由十一条屋脊构成。每条屋脊为梯形断面（顶宽 50 公分、底宽 200 公分、两侧自水平面倾斜 30°、高 100 公分），长度为 20 米。屋脊设于缓坡地面之上，并共同排入一条管线，导入地下储水槽。使用者可通过手动泵取水。该系统于 2007 年 4 月初启用，总造价为 117,000 卢比。

印度西北部另有一座面积 550 平方米（约 660 平方码，5,900 平方英尺）的辐射式冷凝器，建于接近地面的位置。该地区一年约有八个月出现露水，安装装置可于近百个露水夜间收集约 15 毫米（0.59 英寸）的露水。全年总收集量约为 9,000 升（2,000 英制加仑；2,400 美制加仑），由当地一所学校持有并运作，提供饮用水来源。

具金属屋顶的建筑亦可用于集露，只需加装排水沟，并于屋顶下方增加一层隔热层即可提升效率。若无隔热层，产量仅为塑胶冷凝器的一半左右。平面式设计虽具简单优势，但倒金字塔或锥形设计往往更有效率。推测原因是这些结构可遮蔽冷凝表面避免下层大气的热辐射，同时因具对称性而不受风向影响。

新材料的应用可能进一步改善集水器效能。其中一种材料灵感来自纳米布沙漠甲虫（Namib Desert beetle），该物种完全依靠自大气中萃取的水分存活。研究发现其背部具有微米级突起：突起顶端具亲水性，而凹槽则具疏水性。麻省理工学院研究人员已模仿此特性，制作出兼具疏水与亲水材质的纹理表面。

主动式收集器

主动式大气集水器自从机械制冷商业化以来就已经投入使用。基本上，只要将热交换器冷却至露点以下，就会产生水分。这种产水过程有时会作为除湿的副产品出现，甚至可能是不需要的。例如，迪拜的哈利法塔空调系统每年估计产生一千五百万美制加仑（57,000 立方米）的水，用于灌溉塔楼周边的绿化植栽。

由于机械制冷耗能极高，主动式集水器通常仅限于无法以更低成本淡化或净化水源、且距离淡水来源足够遥远以致运输不合算的地点。在这类情况并不常见的条件下，即使如此，大型装置也常以失败告终，例如 1930 年代在南澳洲库克所尝试的设施，因为运行成本过高，运水反而更便宜。

对于小型装置而言，便利性有时会超越成本考量。市面上有各种设计用于办公室的小型机器，可以每天从大气中产出数升饮用水。然而，也有一些情境下，大气确实是唯一水源。举例来说，1930 年代美国设计师在飞艇上加装冷凝系统——此时空气来自引擎排气，其中包含燃烧产生的额外水分。这些水分被收集后用作额外压舱物，以补偿燃料消耗所造成的重量减少。通过这种方式，飞艇的浮力能保持相对稳定，而无需释放昂贵且供应有限的氦气。

近年来，在国际太空站，曙光号模组配备湿度控制系统。收集到的水通常用于供应 Elektron 系统，该系统将水电解为氢气和氧气，但在紧急情况下也可作为饮用水。

有若干设计能降低主动式冷凝器的能耗：

一种方法是利用地下作为热汇，通过地下管道引导空气。这种方式常用于建筑降温，原理是地下耦合热交换器（又称地管），其中冷凝通常被视为主要问题之一。这类设计的主要困难在于地下管道容易受到污染且难以清洁。此种系统需要风扇将空气抽过管道，但动力也可能由风力涡轮机提供或补充。

冷海水被应用于“海水温室”，用来冷却并加湿类似温室的结构内部。冷却效果有时极佳，不仅使植物因蒸散作用减少而受益，结构外表还能凝结露水，并可通过排水沟轻易收集。

另一类大气集水器使用干燥剂，能在常温下吸附空气中的水分，甚至在相对湿度低至 14% 时仍能萃取水分。这种系统在紧急安全饮水供应上非常有用。干燥剂的再生需要加热。在某些设计中，再生能量由太阳供应；夜间通风让干燥剂床吸附水汽，白天则封闭空间，温室效应升高温度，使部分水汽解吸并在冷表面上凝结，再收集起来。奈米技术也在改良这类装置。例如，一种基于吸附的设备在美国亚利桑那州坦佩这样极度干燥且露点低于零度的环境中，能以每公斤金属有机框架收集 0.25 升的水。

一家法国公司近期设计了一种小型风力涡轮机，利用 30 千瓦的发电机驱动机械制冷系统，以冷凝大气水分。

注释

1. 有时作为弗里德里希·西博尔德（Friedrich Siebold）给出^[10]。
2. 该位置在1993年重组^[3]。