一種太陽能風(fēng)泵獨(dú)立型隧道自然通風(fēng)系統(tǒng)及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種隧道通風(fēng)系統(tǒng)，具體涉及一種太陽能風(fēng)栗獨(dú)立型隧道自然通風(fēng)系統(tǒng)及方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著國(guó)家經(jīng)濟(jì)發(fā)展，全國(guó)高速公路里程達(dá)11.19萬公里，居世界第一位。公路隧道作為重要的構(gòu)造物類型，既能縮短公路里程，保證最佳線形、提高技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，便利行車，又可有效防止惡劣天氣及不良地質(zhì)災(zāi)害，提高行車的安全性，同時(shí)能較好地與當(dāng)?shù)丨h(huán)境相協(xié)調(diào)，保全自然景觀，從而得到了廣泛應(yīng)用。據(jù)統(tǒng)計(jì)，截至2014年底，全國(guó)公路隧道12404處、1075.67萬米，其中特長(zhǎng)隧道626處、276.62萬米。目前，我國(guó)已成為世界上修建隧道數(shù)量最多、發(fā)展最快的國(guó)家。
[0003]近年來能源問題的日益突出，隧道通風(fēng)領(lǐng)域出現(xiàn)了豐富多樣的節(jié)能手段。1991年開始運(yùn)營(yíng)的日本關(guān)越隧道長(zhǎng)1km以上，采用兩直徑9.7m豎井+多臺(tái)靜電集塵器的組合通風(fēng)方案。日本學(xué)者證明靜電集塵器加送排式豎井的縱向通風(fēng)系統(tǒng)不僅可以應(yīng)用在關(guān)越隧道上，且不論交通方式如何、隧道長(zhǎng)短，均可采用該通風(fēng)方式。2000年底通車的挪威萊爾多隧道，采用了 “單斜井+煙塵及氮氧化物凈化器+射流風(fēng)機(jī)”組合的縱向通風(fēng)方式，空氣凈化器可以清除空氣中的煙塵顆粒和N02有害氣體。對(duì)于長(zhǎng)大公路隧道，我國(guó)現(xiàn)多采用縱向分段式通風(fēng)，但該方式仍然能耗高昂。
[0004]我國(guó)于2014年8月I日開始執(zhí)行的《公路隧道通風(fēng)設(shè)計(jì)細(xì)則》(JTG/T D70/2-02-2014)，行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)為其隧道通風(fēng)技術(shù)應(yīng)用鋪平了道路。為了節(jié)能減排，實(shí)際工程中希望盡量利用自然通風(fēng)來實(shí)現(xiàn)。因?yàn)檫@種自然通風(fēng)系統(tǒng)本身屬于大自然的綠色能源的合理利用，若根據(jù)隧址氣象條件對(duì)自然風(fēng)進(jìn)行研究，掌握其規(guī)律，并在運(yùn)營(yíng)通風(fēng)中加以利用，將起到明顯的節(jié)能的效果，而根據(jù)調(diào)研，目前對(duì)于公路隧道自然風(fēng)的利用研究還較少，因此研究成果相對(duì)還較少，但研究前景極為廣闊。
[0005]國(guó)內(nèi)對(duì)隧道的自然風(fēng)壓的研究不多。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)于短隧道采用自然通風(fēng)的方式既經(jīng)濟(jì)又實(shí)用；而對(duì)于長(zhǎng)大隧道而言，一般要采用機(jī)械通風(fēng)方式，但在特定條件下，自然風(fēng)的影響也會(huì)相當(dāng)明顯，若能認(rèn)識(shí)其規(guī)律并加以利用，將在節(jié)能減排方面發(fā)揮重要的作用。
[0006]負(fù)壓抽風(fēng)技術(shù)正是利用煙囪效應(yīng)。當(dāng)自然風(fēng)從豎井上方經(jīng)過，在豎井出口處產(chǎn)生動(dòng)壓對(duì)豎井形成負(fù)壓抽吸作用，使封閉式通風(fēng)豎井內(nèi)壓力降低，這種負(fù)壓一直傳輸?shù)饺肟谔?，從而把隧道中受到污染的氣體吸入后從出口處排出，而從隧道的出入口端流入等量的新鮮空氣，周而復(fù)始，起到了對(duì)隧道進(jìn)行通風(fēng)換氣的作用。
[0007]國(guó)內(nèi)先后依托陜西秦嶺終南山特長(zhǎng)隧道(通風(fēng)豎井直徑9.5米)、寧夏六盤山隧道通過通風(fēng)豎井實(shí)現(xiàn)部分自然通風(fēng)進(jìn)行了應(yīng)用研究并取得了一些進(jìn)展，主要思路是有效利用負(fù)壓抽風(fēng)技術(shù)一煙囪效應(yīng)結(jié)合機(jī)械排風(fēng)機(jī)一起完成隧道通風(fēng)功能。當(dāng)自然風(fēng)從豎井上方經(jīng)過，在豎井出口處產(chǎn)生動(dòng)壓對(duì)豎井形成負(fù)壓抽吸作用，使豎井內(nèi)壓力降低，從而形成對(duì)隧道內(nèi)通風(fēng)換氣的作用。但是實(shí)際使用過程中由于受到地理位置和自然風(fēng)穩(wěn)定性限制其效果甚微，目前仍然還是主要依靠排風(fēng)機(jī)機(jī)械通風(fēng)，從而加大了耗能同時(shí)造成運(yùn)行成本的增加。所以如何有效利用一次能源增加自然通風(fēng)分量來實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排同時(shí)降低運(yùn)行成本，已經(jīng)成為其推廣應(yīng)用的技術(shù)瓶頸。
[0008]目前直接利用風(fēng)能或者地?zé)崮茉谕L(fēng)豎井中形成負(fù)壓增加自然通風(fēng)量的方案由于其獲取困難或者效率太低無法實(shí)施，那么有效利用太陽能作為一種能夠增強(qiáng)負(fù)壓進(jìn)而強(qiáng)化自然通風(fēng)來實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排就成為其唯一的選擇。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]本發(fā)明的目的在于提供一種太陽能風(fēng)栗獨(dú)立型隧道自然通風(fēng)系統(tǒng)及方法，以克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷，本發(fā)明不需要電力驅(qū)動(dòng)通風(fēng)機(jī)配合，保證了避免電力消耗條件下實(shí)現(xiàn)隧道自然通風(fēng)的理想效果。
[0010]為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案:
[0011]—種太陽能風(fēng)栗獨(dú)立型隧道自然通風(fēng)系統(tǒng)，包括貫穿設(shè)置在隧道上方的山體上的通風(fēng)豎井，通風(fēng)豎井的出口端設(shè)置有能夠加熱通風(fēng)豎井出口端空氣，并通過加熱空氣快速流出通風(fēng)豎井后形成的負(fù)壓抽出隧道內(nèi)污染空氣的太陽能風(fēng)栗系統(tǒng);太陽能風(fēng)栗系統(tǒng)包括設(shè)置在山體上的由若干并聯(lián)的太陽能熱水器組成的太陽能熱水器組以及連接在通風(fēng)豎井出口端的煙囪，煙囪中設(shè)有熱交換器，太陽能熱水器組的出口端連接熱交換器的入口端，熱交換器的出口端連接太陽能熱水器組的入口端。
[0012]進(jìn)一步地，太陽能熱水器組的出口端與熱交換器的入口端之間設(shè)有用于貯存及保溫?zé)崴臒崴?熱交換器的出口端和太陽能熱水器組的入口端之間設(shè)有用于貯存回流水的回水罐。
[0013]進(jìn)一步地，熱水罐的出口端與熱交換器的入口端之間設(shè)有熱水栗；回水罐的出口端與太陽能熱水器組的入口端之間設(shè)有循環(huán)栗。
[0014]進(jìn)一步地，太陽能熱水器組的出口端與熱水罐的入口端之間設(shè)有用于檢測(cè)熱水溫度的熱水溫度傳感器，通風(fēng)豎井的出口處設(shè)置有用于檢測(cè)空氣流量的風(fēng)流量傳感器。
[0015]進(jìn)一步地，熱水栗、循環(huán)栗、熱水溫度傳感器以及風(fēng)流量傳感器均連接至控制器；所述熱水栗、風(fēng)流量傳感器以及控制器形成第一閉環(huán)控制回路，其中控制器能夠通過風(fēng)流量傳感器的檢測(cè)數(shù)據(jù)控制熱水栗的轉(zhuǎn)速;所述循環(huán)栗、熱水溫度傳感器以及控制器形成第二閉環(huán)控制回路，其中控制器能夠通過熱水溫度傳感器的檢測(cè)數(shù)據(jù)控制循環(huán)栗的轉(zhuǎn)速。
[0016]進(jìn)一步地，所述的太陽能風(fēng)栗獨(dú)立型隧道自然通風(fēng)系統(tǒng)還包括能夠?yàn)榈谝婚]環(huán)控制回路和第二閉環(huán)控制回路供電的光伏電池板及蓄電池。
[0017]進(jìn)一步地，熱交換器的熱水管道的圓周徑向上均勻分布有若干散熱片。
[0018]進(jìn)一步地，煙囪的外側(cè)設(shè)置有保溫層，煙囪的頂部設(shè)置有防雨罩。
[0019]進(jìn)一步地，太陽能熱水器為平板太陽能熱水器。
[0020]—種太陽能風(fēng)栗獨(dú)立型隧道自然通風(fēng)方法，首先利用太陽能加熱太陽能熱水器組中的水，利用被加熱后的水作為中間介質(zhì)通過熱交換器再加熱煙囪中的空氣，加熱后的空氣能夠加速流出煙囪進(jìn)而使通風(fēng)豎井出口端形成負(fù)壓，最后通過負(fù)壓抽出隧道內(nèi)的污染空氣。
[0021]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益的技術(shù)效果:
[0022]本發(fā)明系統(tǒng)利用太陽能對(duì)太陽能熱水器中的中間介質(zhì)一一水進(jìn)行加熱，經(jīng)過加熱后的水通入設(shè)置在煙囪中的熱交換器中，熱交換器通過換熱將從通風(fēng)豎井出口端流出的空氣加熱，空氣受熱后會(huì)加速?gòu)臒焽柚辛鞒?，熱空氣加速流出后形成的?fù)壓即能夠抽出隧道內(nèi)的污染空氣，從而實(shí)現(xiàn)隧道內(nèi)的自然通風(fēng)功能，因?yàn)椴恍枰娏︱?qū)動(dòng)通風(fēng)機(jī)配合，保證了避免電力消耗條件下實(shí)現(xiàn)隧道自然通風(fēng)的理想效果。
[0023]進(jìn)一步地，設(shè)置熱水罐及回水罐，熱水罐可以用于貯存太陽能熱水器流出的熱水，并對(duì)熱水保溫，使自然通風(fēng)系統(tǒng)在晚上等無太陽照射時(shí)段繼續(xù)運(yùn)行，從而實(shí)現(xiàn)隧道內(nèi)全天候24小時(shí)的自然通風(fēng)功能；回水罐則是作為貯存回流水以備重新被太陽光加熱后把熱能貯存于熱水罐中。
[0024]進(jìn)一步地，設(shè)置熱水栗及循環(huán)栗、熱水溫度傳感器及風(fēng)流量傳感器、控制器，使熱水栗、風(fēng)流量傳感器以及控制器形成第一閉環(huán)控制回路，控制器能夠通過風(fēng)流量傳感器的檢測(cè)數(shù)據(jù)控制熱水栗的轉(zhuǎn)速；而循環(huán)栗、熱水溫度傳感器以及控制器形成第二閉環(huán)控制回路，控制器能夠通過熱水溫度傳感器的檢測(cè)數(shù)據(jù)控制循環(huán)栗的轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的自動(dòng)控制。
[0025]進(jìn)一步地，設(shè)置有能夠?yàn)榈谝婚]環(huán)控制回路和第二閉環(huán)控制回路供電的光伏電池板及蓄電池，避免由山下把動(dòng)力電源輸送到山上通風(fēng)豎井出口處的一次性投入資金，大幅度減少了系統(tǒng)成本。
[0026]進(jìn)一步地，熱交換器的熱水管道的周向上均勻分布有若干散熱片，從而實(shí)現(xiàn)大面積與經(jīng)過的空氣直接接觸而達(dá)到很好的傳熱效果。
[0027]進(jìn)一步地，煙囪的外側(cè)設(shè)置有保溫層，能夠有效的保證煙囪中換熱的高效進(jìn)行，煙囪的頂部設(shè)置有防雨罩，避免陰雨天氣對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響。
[0028]進(jìn)一步地，采用平板太陽能熱水器并聯(lián)安裝方便，簡(jiǎn)單，占地面積小，不受安裝環(huán)境限制，而且采熱率高，非常節(jié)能。
[0029]本發(fā)明方法中太陽能熱水器把水介質(zhì)加熱后貯存于熱水罐中，再由熱水栗根據(jù)需要自動(dòng)輸送到安裝于煙囪內(nèi)的熱交換器，通過加熱空氣后加速?gòu)臒焽枇鞒龊笤谕L(fēng)豎井出口處形成的強(qiáng)大負(fù)壓抽出隧道內(nèi)的污染空氣，從而在不消耗電能情況下獨(dú)立實(shí)現(xiàn)隧道內(nèi)全天候24小時(shí)的自然通風(fēng)功能，太陽能利用率高，由于采用比熱系數(shù)很大的水作為太陽熱能貯存介質(zhì)，實(shí)現(xiàn)了在晚上等沒有太陽光的情況下太陽能風(fēng)栗仍然能夠正常工作。
【附圖說明】
[0030]圖1為本發(fā)明的超長(zhǎng)隧道自然通風(fēng)示意圖；
[0031]圖2為本發(fā)明的系統(tǒng)的簡(jiǎn)易結(jié)構(gòu)示意圖；
[0032]圖3為本發(fā)明的平板分立式系統(tǒng)的具體結(jié)構(gòu)示意圖；
[0033]圖4為本發(fā)明的平板組合式系統(tǒng)的具體結(jié)構(gòu)示意圖；
[0034]圖5為本發(fā)明的熱交換器在煙囪中的布置示意圖；
[0035]圖6為本發(fā)明的圖3和圖5中A處的橫截面放大示意圖。
[0036]其中，1、山體;2、太陽能風(fēng)栗系統(tǒng);3、通風(fēng)豎井;4、太陽能熱水器;5、熱水溫度傳感器;6、熱水罐;7、熱水栗;8、防雨罩;9、煙囪；10熱交換器；11、保溫層；12、風(fēng)流量傳感器；13、控制器；14、回水罐；15、循環(huán)栗；16、光伏電池板及蓄電池；17、熱水管道；18、散熱片；19、隧道。
【具體實(shí)施方式】
[0037]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述:
[0038]參見圖1至圖6，一種太陽能風(fēng)栗獨(dú)立型隧道自然通風(fēng)系統(tǒng)，主要由太陽能熱水器4，貯水罐、循環(huán)栗15、熱交換器10和煙囪9以及控制回路等組成。其中固定于通風(fēng)豎井3出口地面的若干并聯(lián)的太陽能熱水器4組成平板太陽能熱水器組(如圖3所示分立式或者圖4所示組合式所示，圖4中的太陽能熱水器4僅為太陽能熱水器組的一個(gè)單元，以此表明太陽能熱水器與前后設(shè)備部件的連接關(guān)系)，具體形式取決于通風(fēng)豎井3出口地面的位置以及需要功率大小等因素;貯水罐中的熱水罐6用來貯存熱量以備晚上等無太陽照射時(shí)段繼續(xù)提供能量保證自然通風(fēng)系統(tǒng)繼續(xù)運(yùn)行;而回水罐14則是作為系統(tǒng)中貯存回流水以備重新被太陽光加熱后把熱能貯存于熱水罐6中待用。風(fēng)流量傳感器12、熱水栗7和控制器13組成第一閉環(huán)控制回路，根據(jù)檢測(cè)的通風(fēng)豎井3出口處風(fēng)流量與設(shè)計(jì)流量比較結(jié)果自動(dòng)調(diào)節(jié)熱水栗7轉(zhuǎn)速，保證通風(fēng)量達(dá)到設(shè)計(jì)要求;而熱水溫