CN105156144A - 一种太阳能风泵互补型隧道自然通风***及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种太阳能风泵互补型隧道自然通风***及方法，包括贯穿设置在隧道上方的山体上的通风竖井，通风竖井的出口端设置有能够加热通风竖井出口端空气，并通过加热空气快速流出通风竖井后形成的负压抽出隧道内污染空气的太阳能风泵***，通风竖井的入口端设置有能够在通风量不足的情况下进行辅助通风的电力驱动通风***；太阳能风泵***包括连接在通风竖井出口端的太阳能受热器，太阳能受热器上设有与其连通的烟囱。本发明实现隧道在太阳光照射期间的自然通风功能，在无太阳光照射期间依靠电力驱动风机实现隧道通风功能，二者相互弥补，完成了在节能情况下隧道通风功能的基本要求。
Description
技术领域
本发明涉及一种隧道通风***，具体涉及一种太阳能风泵互补型隧道自然通风***及方法。
背景技术
随着国家经济发展，全国高速公路里程达11.19万公里，居世界第一位。公路隧道作为重要的构造物类型，既能缩短公路里程，保证最佳线形、提高技术标准，便利行车，又可有效防止恶劣天气及不良地质灾害，提高行车的安全性，同时能较好地与当地环境相协调，保全自然景观，从而得到了广泛应用。据统计，截至2014年底，全国公路隧道12404处、1075.67万米，其中特长隧道626处、276.62万米。目前，我国已成为世界上修建隧道数量最多、发展最快的国家。
近年来能源问题的日益突出，隧道通风领域出现了丰富多样的节能手段。1991年开始运营的日本关越隧道长10km以上，采用两直径9.7m竖井+多台静电集尘器的组合通风方案。日本学者证明静电集尘器加送排式竖井的纵向通风***不仅可以应用在关越隧道上，且不论交通方式如何、隧道长短，均可采用该通风方式。2000年底通车的挪威莱尔多隧道，采用了“单斜井+烟尘及氮氧化物净化器+射流风机”组合的纵向通风方式，空气净化器可以清除空气中的烟尘颗粒和NO2有害气体。对于长大公路隧道，我国现多采用纵向分段式通风，但该方式仍然能耗高昂。
我国于2014年8月1日开始执行的《公路隧道通风设计细则》(JTG/TD70/2-02-2014)，行业标准为其隧道通风技术应用铺平了道路。为了节能减排，实际工程中希望尽量利用自然通风来实现。因为这种自然通风***本身属于大自然的绿色能源的合理利用，若根据隧址气象条件对自然风进行研究，掌握其规律，并在运营通风中加以利用，将起到明显的节能的效果，而根据调研，目前对于公路隧道自然风的利用研究还较少，因此研究成果相对还较少，但研究前景极为广阔。
国内对隧道的自然风压的研究不多。根据经验，对于短隧道采用自然通风的方式既经济又实用；而对于长大隧道而言，一般要采用机械通风方式，但在特定条件下，自然风的影响也会相当明显，若能认识其规律并加以利用，将在节能减排方面发挥重要的作用。
负压抽风技术正是利用烟囱效应。当自然风从竖井上方经过，在竖井出口处产生动压对竖井形成负压抽吸作用，使封闭式通风竖井内压力降低，这种负压一直传输到入口处，从而把隧道中受到污染的气体吸入后从出口处排出，而从隧道的出入口端流入等量的新鲜空气，周而复始，起到了对隧道进行通风换气的作用。
国内先后依托陕西秦岭终南山特长隧道(通风竖井直径9.5米)、宁夏六盘山隧道通过通风竖井实现部分自然通风进行了应用研究并取得了一些进展，主要思路是有效利用负压抽风技术--烟囱效应结合机械排风机一起完成隧道通风功能。当自然风从竖井上方经过，在竖井出口处产生动压对竖井形成负压抽吸作用，使竖井内压力降低，从而形成对隧道内通风换气的作用。但是实际使用过程中由于受到地理位置和自然风稳定性限制其效果甚微，目前仍然还是主要依靠排风机机械通风，从而加大了耗能同时造成运行成本的增加。所以如何有效利用一次能源增加自然通风分量来实现节能减排同时降低运行成本，已经成为其推广应用的技术瓶颈。
目前直接利用风能或者地热能在通风竖井中形成负压增加自然通风量的方案由于其获取困难或者效率太低无法实施，那么有效利用太阳能作为一种能够增强负压进而强化自然通风来实现节能减排就成为其唯一的选择。
发明内容
本发明的目的在于提供一种太阳能风泵互补型隧道自然通风***及方法，以克服上述现有技术存在的缺陷，本发明实现隧道在太阳光照射期间的自然通风功能，在无太阳光照射期间依靠电力驱动实现隧道通风功能，二者相互弥补，完成了在节能情况下隧道通风功能的基本要求。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种太阳能风泵互补型隧道自然通风***，包括贯穿设置在隧道上方的山体上的通风竖井，通风竖井的出口端设置有能够加热通风竖井出口端空气，并通过加热空气快速流出通风竖井后形成的负压抽出隧道内污染空气的太阳能风泵***，通风竖井的入口端设置有能够在通风量不足的情况下进行辅助通风的电力驱动通风***；太阳能风泵***包括连接在通风竖井出口端的太阳能受热器，太阳能受热器上设有与其连通的烟囱。
进一步地，电力驱动通风***包括设置在通风竖井入口处的风机和用于检测隧道通风量的风流量传感器，风流量传感器和风机之间连接有能够通过风流量传感器检测数据控制风机启动、停止或调速的控制器。
进一步地，太阳能受热器包括设置在外侧的透光层以及设置在透光层下方的吸热层，吸热层能够吸收通过透光层的太阳光产生热量并对经过其表面的空气进行加热。
进一步地，吸热层的下方设置有保温层。
进一步地，透光层采用钢化玻璃材料。
进一步地，吸热层的正面上设有若干散热齿，透光层支撑在所述散热齿上。
进一步地，所述的散热齿均顺着空气流动方向设置。
进一步地，烟囱的顶部设置有防雨罩。
一种太阳能风泵互补型隧道自然通风方法，通过太阳能受热器加热由通风竖井出口端流出的空气，使加热后的空气快速流出通风竖井后形成负压，利用负压将隧道内污染空气抽出，实现隧道自然通风，当隧道自然方式的通风量不足时，利用电力驱动通风***进行辅助通风作为弥补来达到设定通风量。
进一步地，电力驱动通风***包括设置在通风竖井入口处的风机和用于检测隧道通风量的风流量传感器，风流量传感器和风机之间连接有控制器，控制器能够通过风流量传感器检测数据控制风机启动、停止或调速。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明***通过太阳能风泵***加热由通风竖井流入太阳能受热器的空气，空气受热后会加速从烟囱中流出，热空气由于体积膨胀引起比重下降使其加速上升，即产生定向流动，热空气加速流出后形成的负压通过通风竖井传输到入口处，即能够抽出隧道内的污染空气，从而实现隧道在太阳光照射期间的自然通风功能，同时设置电力驱动通风***作为其补充工作模式，在无太阳光照射期间依靠电力驱动实现隧道通风功能，二者相互弥补，完成了在节能情况下隧道通风功能的要求。
进一步地，电力驱动通风***包括设置在通风竖井中的风流量传感器以及设置在通风竖井入口处的风机，风流量传感器和风机之间连接有控制器，控制器能够通过风流量传感器检测数据控制风机启动、停止或调速，采用现代驱动技术中的无级调速运行方式，节能效果更好。
进一步地，太阳能受热器的吸热层能够吸收通过透光层的太阳光产生热量并对空气进行加热，高效利用太阳能进行通风。
进一步地，吸热层的下方设置有保温层，能够防止太阳能受热器对其外侧的空气或地面进行传热，降低传热效率。
进一步地，吸热层的正面上设有若干散热齿，透光层设置在所述散热齿上，散热齿均顺着空气流动方向设置，可以在风阻最小情况下达到最好热交换效果。
进一步地，烟囱的顶部设置有防雨罩，避免阴雨天气对***稳定性的影响。
本发明方法通过太阳能受热器加热由通风竖井出口端流出的空气，使加热后的空气快速流出通风竖井后在出口处形成负压，再利用传输到入口处的负压将隧道内污染空气抽出，实现隧道自然通风，当隧道通风量不足时，利用电力驱动通风***进行辅助通风，二者相互弥补，完成了在节能情况下隧道通风功能的要求。
附图说明
图1为本发明的超长隧道自然通风示意图；
图2为本发明的一体式太阳能风泵***及电力驱动通风***主视图；
图3为本发明的一体式太阳能风泵***侧视图；
图4为本发明的一体式太阳能风泵***安装示意图；
图5为本发明的分离式的太阳能风泵***示意图；
图6为本发明的分离式的太阳能风泵***剖视图。
其中，1、山体；2、太阳能风泵***；3、通风竖井；4、隧道；5、烟囱；6、太阳能受热器；7、风机；8、控制器；9、风流量传感器；10、透光层；11、吸热层；12、保温层；13、防雨罩；14、通风管道。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细描述：
参见图1至图6，一种太阳能风泵互补型隧道自然通风***，根据超长公路隧道通风竖井洞顶的场地环境及太阳光照射方向等因素，采用对应的太阳能风泵***实现其自然通风与电力驱动通风***补充运行的二种方式相互结合达到隧道通风技术要求，以获得最大性价比。该***主要由太阳能受热器6、烟囱5和电力驱动通风***三部分组成，具体如图2所示。其中由太阳能受热器6和烟囱5组成的太阳能风泵***2实现隧道在太阳光照射期间的自然通风功能，而由风机7、控制器8和风流量传感器9组成的电力驱动通风***作为其补充工作模式，在无太阳光照射期间依靠电力驱动实现隧道通风功能，二者相互弥补，完成了在节能情况下隧道通风功能的要求。
其中太阳能受热器6固定于通风竖井3出口处地面，且其轮廓与水平面夹角为其所在地的纬度，以保证最大限度接收太阳光照射能量。具体由钢化玻璃制备的透光层10、黑色平面状的金属材料吸热层11以及保温层12组成的扇形，而排气烟囱5处于最高处，根据要求和通风竖井3出口处地面情况可以独立建设在地面上或者直接与太阳能受热器6集成于一体。太阳能受热器6还可以根据通风竖井3出口处地面具体情况设计成图5所示的圆形结构，从而可以得到更大的太阳光受热面积，以满足大功率需求。安装于通风竖井3入口处的风流量传感器9与控制器8以及风机7组成电力驱动通风***。一旦晚上或者阴天情况下自然通风流量达不到设计要求时(风流量传感器自动检测)，***将启动风机7开始工作，以保证隧道空气质量达到技术要求。
一种太阳能风泵互补型隧道自然通风方法，通过太阳能受热器6加热由通风竖井3出口端流出的空气，使加热后的空气快速流出通风竖井3后形成负压，利用负压将隧道4内污染空气抽出，实现隧道自然通风，当隧道通风量不足时，利用电力驱动通风***进行辅助通风。
下面对本发明的操作过程作进一步详细描述：
根据《公路隧道通风设计细则》，对于超长公路隧道，目前普遍都是利用电力驱动风机(送风机和排风机)通风竖井实现隧道通风功能，而本发明则是在此建筑结构的基础上，通过利用太阳能加热通风竖井3出口处排出的气体进而形成负压并传输至入口处连续不断的抽吸出隧道内的气体而由隧道进出口源源不断的补充新鲜空气，从而形成隧道内污染空气在完全(全天候)或者与太阳光同步自动排出，实现隧道部分或完全自然通风功能。
对于互补型太阳能风泵***的结构形式选择及安装与通风竖井出口面的采光方向、山坡走向与坡度和平面面积大小等因素密切相关。例如对于出口位于南面山坡且其周围平面比较小时，宜采用扇形太阳能受热器结构，具体如图2、3及4所示。顺着山坡走势依次安装保温层12、吸热层11以及钢化玻璃制备的透明层10而接收太阳光能，其中保温层12直接安装于山坡水泥面上，黑色金属制备的吸热层11放置在保温层12上，而钢化玻璃则直接放置在吸热层11正面的散热齿上，且散热齿等走向顺着空气流动方向，以便在风阻最小情况下达到最好热交换效果；最后的烟囱5可以与其集成在一起，但是如果要求一定高度，也可以直接建筑在山坡上，这种结构形式太阳光能接收效率高，安装方便、防风效果好，风流通路上阻力小，***性价比高。
但是如果要求采用***转换太阳能功率很大，而且通风竖井出口山坡处周围又有很大的地理平面来足以安装平面型吸热层，则宜采用圆平面型的分离式太阳能风泵***，如图5、6所示。这时候为了减少风阻，应该通过几条通风管道14把通风竖井3出口的空气流输送到圆形太阳能受热器6的最大环路上后再均匀流出，而整个受热面和上面的钢化玻璃形成的竖截面是一个近似圆锥体。这种大功率的分离式是相对于前面比较小型简单的一体式来说，其烟囱通常是独立建筑在地面上而非受热器上端，二者处于分离结构，因为实际工程建设时太阳能受热器上无法承担如此重量的。
太阳光穿过透明的钢化玻璃直接照射在黑色的吸热层11上，将太阳能转换为热能而使其温度升高，在利用其本身及安装的散热齿加热流过的空气。而高温度的空气由于体积膨胀引起比重下降使其加速上升，即产生定向流动，从而在通风竖井3出口处产生负压并等效的传输到入口处，导致以吸抽方式连续不断的把隧道内的污染空气通过通风竖井3后最后从烟囱5排出；同时新鲜空气源源不断的从隧道进、出口处补充进来；从而在免用风机条件下实现了隧道内的自然通风功能。
具体根据通风竖井3出口处山坡地理周围环境可采用扇形或者具有更大采热面积的平面圆形结构。但是这种装置仅能够在太阳光照射下才能形成自然通风，且其太阳光强弱不同将引起自然通风流量的大小变化，甚至晚上完全没有太阳光而导致自然通风停止。所以本***还设有辅助通风的电力驱动通风***，一旦当安装于通风竖井3入口处的风流量传感器9检测到自然通风流量不满足技术要求情况下，将通过控制器8自动启动风机7(送风机和排风机)补充至完全满负荷工作状态，以保证隧道通风功能在利用太阳能节能条件下的正常实现，这种情况下采用无级调速控制方式比原始的开关式节能效果更好。
Claims (10)
1.一种太阳能风泵互补型隧道自然通风***，其特征在于，包括贯穿设置在隧道(4)上方的山体(3)上的通风竖井(3)，通风竖井(3)的出口端设置有能够加热通风竖井(3)出口端空气，并通过加热空气快速流出通风竖井(3)后形成的负压抽出隧道(4)内污染空气的太阳能风泵***(2)，通风竖井(3)的入口端设置有能够在通风量不足的情况下进行辅助通风的电力驱动通风***；太阳能风泵***(2)包括连接在通风竖井(3)出口端的太阳能受热器(6)，太阳能受热器(6)上设有与其连通的烟囱(5)。
2.根据权利要求1所述的一种太阳能风泵互补型隧道自然通风***，其特征在于，电力驱动通风***包括设置在通风竖井(3)入口处的风机(7)和用于检测隧道通风量的风流量传感器(9)，风流量传感器(9)和风机(7)之间连接有能够通过风流量传感器(9)检测数据控制风机(7)启动、停止或调速的控制器(8)。
3.根据权利要求1所述的一种太阳能风泵互补型隧道自然通风***，其特征在于，太阳能受热器(6)包括设置在外侧的透光层(10)以及设置在透光层(10)下方的吸热层(11)，吸热层(11)能够吸收通过透光层(10)的太阳光产生热量并对经过其表面的空气进行加热。
4.根据权利要求3所述的一种太阳能风泵互补型隧道自然通风***，其特征在于，吸热层(11)的下方设置有保温层(12)。
5.根据权利要求3所述的一种太阳能风泵互补型隧道自然通风***，其特征在于，透光层(10)采用钢化玻璃材料。
6.根据权利要求3所述的一种太阳能风泵互补型隧道自然通风***，其特征在于，吸热层(11)的正面上设有若干散热齿，透光层(10)支撑在所述散热齿上。
7.根据权利要求6所述的一种太阳能风泵互补型隧道自然通风***，其特征在于，所述的散热齿均顺着空气流动方向设置。
8.根据权利要求1所述的一种太阳能风泵互补型隧道自然通风***，其特征在于，烟囱(9)的顶部设置有防雨罩(8)。
9.一种采用权利要求1所述***的太阳能风泵互补型隧道自然通风方法，其特征在于，通过太阳能受热器(6)加热由通风竖井(3)出口端流出的空气，使加热后的空气快速流出通风竖井(3)后形成负压，利用负压将隧道(4)内污染空气抽出，实现隧道自然通风，当隧道自然方式的通风量不足时，利用电力驱动通风***进行辅助通风作为弥补来达到设定通风量。
10.根据权利要求9所述的一种太阳能风泵互补型隧道自然通风方法，其特征在于，电力驱动通风***包括设置在通风竖井(3)入口处的风机(7)和用于检测隧道通风量的风流量传感器(9)，风流量传感器(9)和风机(7)之间连接有控制器(8)，控制器(8)能够通过风流量传感器(9)检测数据控制风机(7)启动、停止或调速。
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