通風井

通風井（英語：Air well）是將空氣中水蒸氣冷凝並收集冷凝水的結構或裝置^[1]。儘管其設計多變，但最簡單的設計是完全被動的。不需要外部能源，幾乎沒有動態部位。通風井有三種類型：

• 高質量：20世紀初使用，但方法失敗^[2]。
• 低質量的輻射收集器：20世紀後期的發展被證明是更成功的^[2]。
• 主動式收集器：與除濕機相同的方式收集水；雖然這個設計能很好地工作，但它需要外部能源輸入，在特殊情況外的使用很不經濟。新的創新設計旨在最大限度地減少主動冷凝器的能源需求或利用可再生能源^[3]。

比利時工程師阿基歐·克納彭（Achile Knapen）在普羅旺斯的高質量通風井

背景

在印度西北部550至660平方公尺處的輻射冷凝器^[4]。

通風井的設計都包含足夠低的地基以形成露水。大氣中的水蒸氣通常以露水這種降水的方式自然地凝結在地基上^[5]。與霧不同，霧是由空氣中顆粒周圍凝結的水滴形成的。若要持續收集露水，則必須耗散凝結過程中釋放的潛熱^[6]。通風井需吸收空氣中的水分。即使在沙漠，周圍的空氣至少含有一些水。據貝桑和米利莫克的說法，大氣中含有約12,900立方千米的淡水，其中98％是水蒸氣，剩下的2％是冷凝水（雲），這幾乎相當於人類居住地上所有的可再生水資源量（約12,500立方千米）^[5]。空氣中含有的水蒸氣的量叫做相對濕度，其大小與溫度有關，溫暖的氣流能攜帶更多的水蒸氣。當空氣冷卻到露點時，水蒸氣達到飽和，然後在合適的表面上凝結成水^[7]。例如，對於溫度為20 °C（68 °F）、相對濕度為80％的空氣而言，其露點為16 °C（61 °F）。如果相對濕度降為50％，露點則相應地降至9 °C（48 °F）^[5]。一個類似但又相當不同的獲得大氣水分的技術是捕霧網（英語：fog fence）。通風井不宜與集水池（英語：Dew pond）混淆。集水池是人工挖掘為家畜供水的池塘。集水池又稱集雨池或露池，「露池」一詞源於多數人認為集水池中水的主要來源是由空氣中的霧水，但事實上是雨水^[8]。覆蓋範圍可以大幅增加乾旱地區的作物產量。在加那利群島最為突出：在蘭薩羅特島，每年有大約140公釐（5.5英寸）的雨水，沒有永久性的河流。儘管如此，大量的作物可以透過使用一塊火山石塊生長，這是1730年火山噴發後發現的一個技巧。一些可靠的石頭地毯與促進露水；雖然這想法激發了一些思想家，但似乎不太可能影響到這一點；相對的，植物能夠直接從葉子吸收露水，並且石材覆蓋物的主要優點是減少土壤的水分流失並消除雜草的競爭^[9]。

歷史

從20世紀初開始，許多發明家嘗試了大量露水收集器。著名的調查員是俄羅斯工程師弗里德里希·齊波爾德（Friedrich Zibold）^{[註 1]}、法國生物化學家萊昂·沙普塔（Leon Chaptal）、德國─澳大利亞研究員狼克·拉克（英語：Wolf Klaphake）和比利時發明家阿基歐·克納彭。

齊波爾德收集器

透過弗里德里希·齊波爾德（Zibold）的露水收集器。其中a是底部直徑20公尺（66英尺）的海灘鵝卵石截頂錐體，頂部直徑為8公尺（26英尺）；b是一個混凝土碗，從碗的管道底部離開收集點；c是地面水平；d是天然石灰岩基地^[11]。

1900年，林務工程師弗里德里希·齊波爾德在古代拜占庭城市提奧多西亞遺址附近發現了13塊大石頭^[12]。每塊石頭的面積超過900平方公尺（9,700平方英尺）、高約10公尺（33英尺）。這些顯然導致了城市的水井和噴泉，發現與直徑75公釐（3.0英寸）的紅陶遺體有關。弗里德里希·齊波爾德認為石堆是用供水給提奧多西亞的通風井，並計算出每個通風井每天生產超過55,400公升（12,200英制加侖；14,600美制加侖）^[10]。

為了驗證他的假設，弗里德里希·齊波爾德在提奧多西亞遺址附近的奧巴山丘建造了一個高達288公尺（945英尺）的凝固器並收集區域排水，其面積圍繞成1公尺（3英尺3英寸）高、20公尺（66英尺）寬的牆壁。他用海石堆放在10—40公分（3.9—15.7英寸）的直徑6公尺（20英尺）、高8公尺（26英尺）的截頂錐體上。石頭的形狀之間，只允許最小的良好氣流接觸^[3]。

弗里德里希·齊波爾德的收集器在1912年開始運作，最大的日產量估計為360公升（79英制加侖；95美制加侖），他當時沒有公佈自己的成績。1915年基地洩漏，在成為遺址之前被部份拆除^{[註 2]}。弗里德里希·齊波爾德的收集器已經發現與古代的石樁大致相同。雖然遠低於弗里德里希·齊波爾德的估計產量，但後來還是受開發商的啟發^[3]。

沙普塔收集器

1929年，萊昂·沙普塔受弗里德里希·齊波爾德的工作啟發，在蒙彼利埃附近建了一個小通風井，其收集器結構是3公尺（9.8英尺）平方、2.5公尺（8英尺2英寸）高；石灰岩的填充面積為8立方公尺（280立方英尺）、直徑約7.5公分（3.0英寸），並在塔頂端和底部圍繞小通風孔，可根據風的流動控制開關。該裝置可以讓白天進來的暖濕空氣到了晚上在石灰石塊上冷凝成露水，然後存儲在地下的貯水層中。取決於大氣條件，每天收集的水量從1升到2.5升不等^[13]。

萊昂·沙普塔自認為沒有任何實驗是成功的。當他在1946年退休時，他將自己的收集器停止運作，可能是因為他不想留下一個錯誤的設施來誤導那些想繼續研究通風井的人^[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學家，當時他在南斯拉夫和亞得里亞海的維斯島測試了幾種形式的通風井，該收集器受到弗里德里希·齊波爾德和邁蒙尼德的啟發^[3]。

暫時確定狼克·拉克的收集器痕跡^[14]。

狼克·拉克當時渴望開發收集器，1935年和其妻子瑪麗亞（Maria）搬至澳洲居住，其決定主要原因可能是妻子遇到納粹德國^[15][16]。

克納彭的通風井

通風井外觀

通風井內部

阿基歐·克納彭的通風井

國際露水利用組織

通風井類型

設計通風井用於收集水分的收集器有三種主要方式：高質量、低質量的輻射收集器和主動式收集器。在20世紀初，那邊的人對高質量通風井較感興趣^[17]。

高質量

高質量通風井（high-mass air well）的設計試圖利用夜間涼爽空氣透過微風或自然對流進入結構內，以冷卻大量的石材砌體。白天時，陽光加熱使大氣濕度增加，當潮濕的日間空氣進入通風井，可能在冷卻的石材表面凝結。然而，所有高質量集水器的效能均不佳，其中克納彭（Knapen）的「空中井」尤為典型。

這類集水器的主要問題在於無法於夜間充分散熱，即使設計上包含了為此目的而設定的特徵。雖然部分研究者仍認為齊博爾德（Zibold）的假設可能正確，《乾旱環境期刊》（Journal of Arid Environments）的一篇文章指出，這類高質量冷凝器設計無法產生實用數量的水分：

文中強調，若要發生凝結，冷凝器（石材）的溫度必須低於露點溫度。當無霧時，露點溫度通常低於氣溫。氣象資料顯示，在天氣穩定時，露點溫度（作為空氣含水量的指標）變化不大。因此，風最終僅會使冷凝器溫度趨近氣溫，而無法令其冷卻至可發揮作用。必須依靠另一種冷卻現象——輻射冷卻——才能使冷凝器於夜間從空氣中萃取液態水。露點溫度顯著高於石材溫度的情況極為少見，僅在偶爾出現時可於短時間內產生較多露水。這亦解釋了夏普塔爾（L. Chaptal）與克納彭（A. Knapen）後續建造的大型露水冷凝器僅能在少數情況下取得顯著產量的原因。

雖然部分資料提及古代通風井，但缺乏充分證據，其存在的持續信念被認為更接近現代神話。

低質量的輻射收集器

輻射式通風井（radiative air well）透過向夜空輻射熱量來冷卻基底。基底質量低，因此不易儲存熱量，並且與任何其他質量（包括地面）保持熱隔離。一般的輻射式集水器會將冷凝表面以 30° 傾角設置，冷凝表面後方為厚層絕緣材料（如聚苯乙烯泡沫），並支撐於地面上方 2–3 公尺（約 7–10 英尺）。此類冷凝器可安裝於低矮建築的屋脊，或由簡單框架支撐。雖然其他高度的效能通常不如上述配置，但若考量成本或安裝便利性，亦可能設置於接近地面的高度或兩層樓建築之上。

位於印度薩塔帕爾（Satapar）的冷凝器由十一條屋脊構成。每條屋脊為梯形斷面（頂寬 50 公分、底寬 200 公分、兩側自水平面傾斜 30°、高 100 公分），長度為 20 公尺。屋脊設於緩坡地面之上，並共同排入一條管線，導入地下儲水槽。使用者可透過手動幫浦取水。該系統於 2007 年 4 月初啟用，總造價為 117,000 盧比。

印度西北部另有一座面積 550 平方公尺（約 660 平方碼，5,900 平方英尺）的輻射式冷凝器，建於接近地面的位置。該地區一年約有八個月出現露水，安裝裝置可於近百個露水夜間收集約 15 毫米（0.59 英寸）的露水。全年總收集量約為 9,000 公升（2,000 英制加侖；2,400 美制加侖），由當地一所學校持有並運作，提供飲用水來源。

具金屬屋頂的建築亦可用於集露，只需加裝排水溝，並於屋頂下方增加一層隔熱層即可提升效率。若無隔熱層，產量僅為塑膠冷凝器的一半左右。平面式設計雖具簡單優勢，但倒金字塔或錐形設計往往更有效率。推測原因是這些結構可遮蔽冷凝表面避免下層大氣的熱輻射，同時因具對稱性而不受風向影響。

新材料的應用可能進一步改善集水器效能。其中一種材料靈感來自納米布沙漠甲蟲（Namib Desert beetle），該物種完全依靠自大氣中萃取的水分存活。研究發現其背部具有微米級突起：突起頂端具親水性，而凹槽則具疏水性。麻省理工學院研究人員已模仿此特性，製作出兼具疏水與親水材質的紋理表面。

主動式收集器

主動式大氣集水器自從機械製冷商業化以來就已經投入使用。基本上，只要將熱交換器冷卻至露點以下，就會產生水分。這種產水過程有時會作為除濕的副產品出現，甚至可能是不需要的。例如，杜拜的哈利法塔空調系統每年估計產生一千五百萬美制加侖（57,000 立方公尺）的水，用於灌溉塔樓周邊的綠化植栽。

由於機械製冷耗能極高，主動式集水器通常僅限於無法以更低成本淡化或淨化水源、且距離淡水來源足夠遙遠以致運輸不合算的地點。在這類情況並不常見的條件下，即使如此，大型裝置也常以失敗告終，例如 1930 年代在南澳洲庫克所嘗試的設施，因為運行成本過高，運水反而更便宜。

對於小型裝置而言，便利性有時會超越成本考量。市面上有各種設計用於辦公室的小型機器，可以每天從大氣中產出數公升飲用水。然而，也有一些情境下，大氣確實是唯一水源。舉例來說，1930 年代美國設計師在飛艇上加裝冷凝系統——此時空氣來自引擎排氣，其中包含燃燒產生的額外水分。這些水分被收集後用作額外壓艙物，以補償燃料消耗所造成的重量減少。透過這種方式，飛艇的浮力能保持相對穩定，而無需釋放昂貴且供應有限的氦氣。

近年來，在國際太空站，曙光號模組配備濕度控制系統。收集到的水通常用於供應 Elektron 系統，該系統將水電解為氫氣和氧氣，但在緊急情況下也可作為飲用水。

有若干設計能降低主動式冷凝器的能耗：

一種方法是利用地下作為熱匯，透過地下管道引導空氣。這種方式常用於建築降溫，原理是地下耦合熱交換器（又稱地管），其中冷凝通常被視為主要問題之一。這類設計的主要困難在於地下管道容易受到污染且難以清潔。此種系統需要風扇將空氣抽過管道，但動力也可能由風力渦輪機提供或補充。

冷海水被應用於「海水溫室」，用來冷卻並加濕類似溫室的結構內部。冷卻效果有時極佳，不僅使植物因蒸散作用減少而受益，結構外表還能凝結露水，並可透過排水溝輕易收集。

另一類大氣集水器使用乾燥劑，能在常溫下吸附空氣中的水分，甚至在相對濕度低至 14% 時仍能萃取水分。這種系統在緊急安全飲水供應上非常有用。乾燥劑的再生需要加熱。在某些設計中，再生能量由太陽供應；夜間通風讓乾燥劑床吸附水汽，白天則封閉空間，溫室效應升高溫度，使部分水汽解吸並在冷表面上凝結，再收集起來。奈米技術也在改良這類裝置。例如，一種基於吸附的設備在美國亞利桑那州坦佩這樣極度乾燥且露點低於零度的環境中，能以每公斤金屬有機框架收集 0.25 公升的水。

一家法國公司近期設計了一種小型風力渦輪機，利用 30 千瓦的發電機驅動機械製冷系統，以冷凝大氣水分。

註釋

1. 有時作為弗里德里希·西博爾德（Friedrich Siebold）給出^[10]。
2. 該位置在1993年重組^[3]。