基于太陽(yáng)能風(fēng)泵的隧道通風(fēng)節(jié)能系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

寧 鐸，劉 昕，李 玨

（陜西科技大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院，陜西 西安 710021）

隨著我國(guó)公路隧道里程的迅速增加，隧道通風(fēng)方式隨之不斷更新，良好的通風(fēng)方式不但滿足正常運(yùn)營(yíng)時(shí)的安全性、舒適性需求，而且運(yùn)營(yíng)成本低、能耗小。目前，我國(guó)大多數(shù)公路隧道采用豎井與機(jī)械通風(fēng)相結(jié)合的方式[1]，這種方式通風(fēng)質(zhì)量好、效率高，但是耗電量巨大，給隧道的運(yùn)營(yíng)和管理帶來了沉重的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)。

本文所提出的隧道通風(fēng)節(jié)能系統(tǒng)，在有太陽(yáng)光照射期間，利用太陽(yáng)輻射的熱能加熱風(fēng)泵系統(tǒng)內(nèi)的空氣，通過“煙囪效應(yīng)”使隧道內(nèi)空氣不斷向上流動(dòng)，從而達(dá)到隧道通風(fēng)換氣的目的；在無太陽(yáng)光或太陽(yáng)光照不足時(shí)，采用電力驅(qū)動(dòng)的通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行補(bǔ)償通風(fēng)，兩者相互彌補(bǔ)，實(shí)現(xiàn)隧道全天候的通風(fēng)功能。此外，利用渦輪發(fā)電機(jī)將同步通風(fēng)后剩余的風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能并儲(chǔ)存，在實(shí)現(xiàn)能源循環(huán)利用的同時(shí)達(dá)到節(jié)能減排的目標(biāo)。

1 系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。隧道通風(fēng)節(jié)能系統(tǒng)主要由太陽(yáng)能風(fēng)泵系統(tǒng)、電力驅(qū)動(dòng)的機(jī)械通風(fēng)系統(tǒng)和風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)組成。在太陽(yáng)光照充足時(shí)，利用太陽(yáng)能風(fēng)泵系統(tǒng)強(qiáng)化自然通風(fēng)；在光照不足或無太陽(yáng)光時(shí)，風(fēng)流量傳感器將檢測(cè)信號(hào)傳至控制器，控制器根據(jù)信號(hào)的變化控制風(fēng)機(jī)的啟、停以及調(diào)速，對(duì)隧道進(jìn)行補(bǔ)償通風(fēng)，二者相互彌補(bǔ)，實(shí)現(xiàn)隧道全天候的通風(fēng)功能。此外，在滿足通風(fēng)條件的基礎(chǔ)上，將同步通風(fēng)后剩余的風(fēng)能轉(zhuǎn)換為電能并網(wǎng)或存儲(chǔ)，在無太陽(yáng)光照射時(shí)，驅(qū)動(dòng)風(fēng)機(jī)進(jìn)行隧道通風(fēng)，從而實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的目標(biāo)。

2 太陽(yáng)能風(fēng)泵系統(tǒng)設(shè)計(jì)及原理

太陽(yáng)能風(fēng)泵系統(tǒng)主要由太陽(yáng)能集熱器和煙囪構(gòu)成，為了盡可能地利用太陽(yáng)能加大集熱器內(nèi)外空氣溫差[2]，增加豎井負(fù)壓，本系統(tǒng)采用圓平面型集熱器。太陽(yáng)能集熱器主要由透光層、吸熱層和保溫層3部分構(gòu)成。太陽(yáng)能經(jīng)過透光層進(jìn)入集熱器；吸熱層吸收太陽(yáng)輻射的熱能并且對(duì)流過其表面的空氣進(jìn)行加熱，為了提高太陽(yáng)能熱利用效率，在其上方加裝散熱齒，便于熱交換；為了降低風(fēng)阻，利用通風(fēng)管道將豎井出口處空氣輸送到集熱器后再均勻流出。圖2為太陽(yáng)能風(fēng)泵系統(tǒng)簡(jiǎn)圖。

圖2 太陽(yáng)能風(fēng)泵系統(tǒng)簡(jiǎn)圖

3 機(jī)械通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)了太陽(yáng)光照不足或無太陽(yáng)光時(shí)補(bǔ)償通風(fēng)的機(jī)械通風(fēng)系統(tǒng)。該系統(tǒng)硬件部分主要包括傳感器、控制器、變頻器等器件。由于PLC在工業(yè)控制中具有安全、可靠的優(yōu)勢(shì)，本系統(tǒng)采用S7-200PLC作為控制器[3]。通過設(shè)置在通風(fēng)豎井中的傳感器檢測(cè)風(fēng)速情況，然后通過PLC進(jìn)行分析處理，最后通過輸出量來控制變頻器，進(jìn)而控制風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，最終實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)隧道通風(fēng)量的目標(biāo)。圖3為系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖。

圖3 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

3.1 系統(tǒng)的I/O分配

系統(tǒng)I/O分配是系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)的主要依據(jù)，控制系統(tǒng)中地址分配[4]及功能說明如表1所示。

表1 I/O地址分配表

3.2 PLC原理接線圖

PLC原理接線圖如圖4所示。

圖4 PLC接線原理圖

3.3 系統(tǒng)流程

根據(jù)《公路隧道通風(fēng)設(shè)計(jì)細(xì)則》的要求，通風(fēng)豎井內(nèi)風(fēng)速宜設(shè)計(jì)在13～20 m/s范圍內(nèi)；當(dāng)隧道內(nèi)車流量密度達(dá)到210輛/km[5]時(shí)，將造成堵塞；當(dāng)隧道內(nèi)由于火災(zāi)等情況引起溫度升高且達(dá)到45℃時(shí)，啟動(dòng)所有變頻器。按照系統(tǒng)的控制要求，電力通風(fēng)系統(tǒng)的流程圖如圖5所示。

圖5 電力通風(fēng)系統(tǒng)流程圖

4 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)

根據(jù)實(shí)際工程條件，在方便設(shè)置太陽(yáng)能風(fēng)泵的時(shí)候，將同步通風(fēng)后剩余的風(fēng)能轉(zhuǎn)換為電能并網(wǎng)或者存儲(chǔ)在蓄電池中，以便在無太陽(yáng)光照射時(shí)為風(fēng)機(jī)提供電能，從而在降低隧道通風(fēng)運(yùn)營(yíng)成本的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的目的。風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)硬件部分主要包括風(fēng)輪機(jī)、發(fā)電機(jī)、控制器、逆變器等器件[6]；通過設(shè)置在通風(fēng)豎井中的傳感器檢測(cè)風(fēng)速情況，在滿足隧道通風(fēng)基本要求的條件下通過風(fēng)輪機(jī)將剩余的風(fēng)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，然后利用發(fā)電機(jī)將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，在無太陽(yáng)光照射期間驅(qū)動(dòng)風(fēng)機(jī)實(shí)現(xiàn)通風(fēng)功能。圖6為風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖。

圖6 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

5 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的隧道通風(fēng)節(jié)能系統(tǒng)，利用太陽(yáng)能熱效率高、綠色節(jié)能的特點(diǎn)強(qiáng)化自然通風(fēng)，解決了傳統(tǒng)通風(fēng)系統(tǒng)利用自然風(fēng)通風(fēng)負(fù)壓不足的問題，大幅度降低了隧道通風(fēng)的能源消耗，同時(shí)對(duì)同步通風(fēng)后剩余的風(fēng)能加以利用，將其轉(zhuǎn)化為電能，在無太陽(yáng)光時(shí)為風(fēng)機(jī)提供電能，達(dá)到了節(jié)能減排的目的。

參考文獻(xiàn)：

［1］楊超，王志偉.公路隧道通風(fēng)技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)［J］.地下空間與工程學(xué)報(bào)，2011（04）：819-824.

［2］寧鐸，楊杰，王旭，等.公路隧道太陽(yáng)能自然通風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)［J］.福建電腦，2017（01）：138-141.

［3］楊東，雷勇，涂國(guó)強(qiáng)，等.基于西門子PLC控制的隧道通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.自動(dòng)化儀表，2015（09）：65-68.

［4］蔡建剛，盧世忠.基于MCGS聚丙烯裝置催化劑攪拌器控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.工業(yè)儀表與自動(dòng)化裝置，2015（01）：21-27.

［5］中華人民共和國(guó)交通運(yùn)輸部.JTG/TD 70/2-02—2014公路隧道通風(fēng)設(shè)計(jì)細(xì)則［S］.北京：人民交通出版社，2014.

［6］任永峰，安中全，李靜立，等.雙饋式風(fēng)力發(fā)電機(jī)組柔性并網(wǎng)運(yùn)行與控制［M］.北京：北京工業(yè)出版社，2011.