公路隧道太陽能自然通風(fēng)獨立系統(tǒng)的研究

寧 鐸，楊 婷，楊 杰，王康樂

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

公路隧道太陽能自然通風(fēng)獨立系統(tǒng)的研究

寧 鐸，楊 婷，楊 杰，王康樂

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

為了解決公路隧道通風(fēng)系統(tǒng)運營費用高昂的問題，通過對運行現(xiàn)狀及技術(shù)特點進行分析和研究，提出了太陽能自然通風(fēng)獨立系統(tǒng)，其在不需要電力驅(qū)動風(fēng)機的情況下，完全利用太陽能輻射，使光伏發(fā)電作為獨立電源提供系統(tǒng)閉環(huán)控制回路所需的電能；將水吸收的熱能轉(zhuǎn)化為空氣動能，保障了在避免電力消耗的條件下實現(xiàn)隧道自然通風(fēng)的理想效果，在實現(xiàn)了太陽能高效率利用的同時，有效降低了成本，達到了節(jié)能減排的目的。

公路隧道；太陽能；熱能轉(zhuǎn)換；基礎(chǔ)設(shè)施

近年來，我國公路隧道的發(fā)展取得了卓越的成就，公路基礎(chǔ)設(shè)施實施總體水平實現(xiàn)了歷史性的跨越。截至2015年年底，全國高速公路總里程已達125 373 km，其中，公路隧道為14 006處，長1.268 39×107m。而特長隧道744處，長3.299 8×106m ，長隧道3 138處，長5.376 8×106m，大大縮短了城市間的距離，加快了區(qū)域間人員、商品、技術(shù)、信息的交流速度，在更大空間上實現(xiàn)了資源的有效配置，對促進國民經(jīng)濟的發(fā)展起到了重要的作用。

但隨著公路網(wǎng)絡(luò)的不斷完善，公路隧道建成通車后的運營費用高昂。世界能源危機的產(chǎn)生，使人們都深刻認(rèn)識到節(jié)約能源、尋找新型能源的重要性。太陽能作為一種大自然的天然能源，既可免費使用，也無需運輸，對環(huán)境無任何污染，且蘊含巨大的能量。如果可使其充分應(yīng)用到生產(chǎn)生活中去，不僅響應(yīng)了國家節(jié)能的政策，且將帶來可觀的經(jīng)濟效益。因此，本設(shè)計將著手研究如何更好地將太陽能應(yīng)用到隧道通風(fēng)技術(shù)中。

1 系統(tǒng)的基本原理

1.1 熱交換原理

工程中，將某種流體的熱量以一定的傳熱方式傳遞給其他的流體設(shè)備，稱為熱交換器。這種設(shè)備易于滿足工藝過程，熱交換效率高、熱損失少，在溫度和壓力條件相適應(yīng)的情況下，制造簡單、裝修輕便、經(jīng)濟合理、運行可靠，同時，可以保證較低的流動阻力，以減少熱交換的動力消耗。本系統(tǒng)首先利用太陽能熱水器將太陽能轉(zhuǎn)化熱能后儲存到中間介質(zhì)水中，然后利用熱水傳輸至熱交換器管道時放出熱量，加熱處于煙囪內(nèi)的空氣，從而起到通風(fēng)換氣的作用。

1.2 負抽壓原理

利用煙囪效應(yīng)，通過空氣對流、負壓換氣的原理及相應(yīng)設(shè)施實現(xiàn)公路隧道的自然通風(fēng)。當(dāng)處于煙囪內(nèi)空氣被熱交換器加熱后自然上升從煙囪出口流出后，由于煙囪底部與豎井出口連接形成封閉空間，在豎井出口處產(chǎn)生動壓并對豎井形成負壓抽吸作用，使封閉式通風(fēng)豎井內(nèi)壓力降低，這種負壓一直傳遞到豎井入口處，從而將隧道中受到污染的氣體吸入豎井后從煙囪出口處排出，使隧道的出、入口端流入等量的新鮮空氣，周而復(fù)始，實現(xiàn)了隧道內(nèi)部自然通風(fēng)換氣的功能。

2 系統(tǒng)的設(shè)計方案

通過太陽能對公路隧道進行自然通風(fēng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1和圖2所示，該系統(tǒng)主要由分別是太陽能熱水器模塊、太陽能光伏發(fā)電模塊、熱交換模塊、控制模塊等部分構(gòu)成。

圖1 平板分立式系統(tǒng)的具體結(jié)構(gòu)示意圖

利用太陽能熱水器對水加熱，實現(xiàn)太陽能吸收儲能并把多余的熱水儲存到熱水罐中，再由熱水泵抽取熱水進入熱交換器管道中，加熱煙囪內(nèi)的空氣產(chǎn)生負壓，抽取通風(fēng)豎井入口處的污染空氣使其沿著煙囪上升至排氣井出口；水流入回水罐中，再由循環(huán)泵抽出回水罐的冷卻水再次利用，循環(huán)往復(fù)，最終達到公路隧道自然通風(fēng)的目的。利用貯水罐的保溫儲能功能確保在夜晚或陰雨等無光照的天氣提供熱能。供電力。

圖2 平板組合式系統(tǒng)的具體結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 離網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)

2.1 太陽能熱水器模塊

太陽能熱水器是太陽能熱水系統(tǒng)最關(guān)鍵的部件，目前，市場常見的有3大類，平板太陽能熱水器、真空管太陽能熱水器、其他類型太陽能熱水器。

在平板熱水器中，太陽能輻射透過透明玻璃蓋板照射在涂有太陽輻射吸收率涂層的吸熱板上，吸熱板升溫并將熱量傳遞給吸熱板管內(nèi)傳熱工質(zhì)（平板熱水器用于間接系統(tǒng)，傳熱工質(zhì)一般為加有特殊材料的水，隔熱材料起到減少熱損的作用），其結(jié)構(gòu)簡單，可承壓運行，可靠性高，能與建筑以多種方式結(jié)合，也可被設(shè)計為多種形狀。本設(shè)計中將采用平板太陽能熱水器，在通風(fēng)煙囪出口的周圍具有較大平面的情況下，安裝為近似水平面的大面積太陽能熱水器組，以便輸出大功率太陽能轉(zhuǎn)換為熱能太陽能熱水器組，還配套了相應(yīng)的貯水罐（熱水罐和回水罐），充分利用了平板太陽能熱水器組吸收太陽能輻射的技術(shù)和優(yōu)勢，把熱能以水的形式儲存在熱水罐中，彌補了陰雨天和夜晚沒有太陽時系統(tǒng)對熱能的需求，達到了節(jié)約能源的目的。

2.2 太陽能光伏發(fā)電模塊

太陽能光伏發(fā)電是利用半導(dǎo)體的光伏特效應(yīng)將太陽輻射能直接轉(zhuǎn)換為電能而加以利用的一種發(fā)電方式。太陽能光伏發(fā)電模塊的光伏電池板和蓄電池作為獨立電源確定驅(qū)動熱水泵和循環(huán)泵及閉環(huán)控制回路正常工作，選擇離網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)可以很好地滿足系統(tǒng)的工作要求，離網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)如圖3所示。一般情況下，公路隧道都在較為偏遠的山區(qū)，這種發(fā)電系統(tǒng)不受地域的限制，使用范圍很廣，只要有陽光照射的地方就可以安裝使用，因此，非常適合于偏遠無電網(wǎng)地區(qū)，不依賴電網(wǎng)而獨立運行的發(fā)電系統(tǒng)。太陽能電池板發(fā)出的電直接流入蓄電池并儲存起來，需要給電器供電時，蓄電池里的直流電流經(jīng)逆變器并轉(zhuǎn)換成220 V的交流電，這是一個重復(fù)循環(huán)的充放電過程，不但避免了由山下把動力電源輸送到山上的資金投入，且保證了在夜間、多云、下雨時提

2.3 熱交換模塊

通風(fēng)煙囪中安裝有熱交換器，結(jié)構(gòu)布置如圖4所示，其中，熱水管道的表面均勻分布有多個散熱片，使得熱水管道和周圍的空氣可以更好地接觸，從而達到很好的傳熱效果，空氣經(jīng)過加熱密度變小而上升，而通風(fēng)豎井和公路隧道連接的入口處的密度較大的冷空氣便會不斷補充，實現(xiàn)了利用太陽能將隧道中的污染空氣抽出。

圖4 熱交換器在煙囪中的布置示意圖

2.4 控制模塊

控制系統(tǒng)框圖如圖5所示。

圖5 控制系統(tǒng)框圖

太陽能熱水器組的出口端與熱水罐的入口端之間設(shè)有檢測熱水溫度傳感器，通風(fēng)豎井的出口處設(shè)置有用于檢測空氣流量的風(fēng)流量傳感器。整個系統(tǒng)分為2個閉環(huán)控制系統(tǒng)：①當(dāng)風(fēng)流量傳感器的測定值小于設(shè)計值時，加快調(diào)節(jié)熱水泵的轉(zhuǎn)速，使得通風(fēng)煙囪內(nèi)的通風(fēng)量補充到設(shè)計要求，保證車輛行駛的安全；當(dāng)風(fēng)流量傳感器的測定值大于設(shè)計值時，為了避免能源的浪費，降低熱水泵的轉(zhuǎn)速。②當(dāng)熱水溫度傳感器的測定值高于設(shè)計值時，為了避免太陽能的浪費，開啟或增加循環(huán)泵的轉(zhuǎn)速，將循環(huán)水抽入太陽能熱水器，再將熱能貯存到熱水罐中；當(dāng)熱水溫度傳感器的測定值低于設(shè)計值時，關(guān)閉循環(huán)泵或降低循環(huán)泵的轉(zhuǎn)速，停止或減少循環(huán)水進入太陽能熱水器，避免影響公路隧道的正常通風(fēng)。

3 結(jié)束語

本文設(shè)計了公路隧道太陽能自然通風(fēng)獨立系統(tǒng)，將太陽能充分應(yīng)用到了公路隧道通風(fēng)系統(tǒng)中，相比傳統(tǒng)的機械通風(fēng)和互補型通風(fēng)方式，本系統(tǒng)不需要電力傳輸驅(qū)動風(fēng)機通風(fēng)。通過系統(tǒng)的太陽能光伏發(fā)電模塊滿足了系統(tǒng)的電力需求，創(chuàng)造性地利用太陽能增強負壓進而強化自然通風(fēng)來實現(xiàn)公路隧道通風(fēng)，太陽光加熱高比熱容系數(shù)的水，通過熱交換器高效率加熱煙囪內(nèi)的空氣，產(chǎn)生負壓，進而抽出隧道中的污染空氣，實現(xiàn)公路隧道自然通風(fēng)，在很大程度上降低了公路隧道通風(fēng)的運營費用，節(jié)約了能源，保護了環(huán)境。

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〔編輯：張思楠〕

U453.5

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2017.13.048

2095-6835（2017）13-0048-03