一种太阳能风泵独立型隧道自然通风系统及方法

摘要

本发明公开了一种太阳能风泵独立型隧道自然通风系统及方法，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系统；太阳能风泵系统包括设置在山体上的由若干并联的太阳能热水器组成的太阳能热水器组以及连接在通风竖井出口端的烟囱，烟囱中设有热交换器，太阳能热水器组的出口端连接热交换器的入口端，热交换器的出口端连接太阳能热水器组的入口端。本发明不需要电力驱动通风机配合，通过中间介质水的热能贮存保证了避免电力消耗条件下独立实现隧道自然通风的理想效果。

说明书

技术领域

本发明涉及一种隧道通风系统，具体涉及一种太阳能风泵独立型隧道自 然通风系统及方法。

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 纵向通风系统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/T D70/2-02-2014)，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。因为这种自然通风系统本身属于 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独立型隧道自然通风系统及方 法，以克服上述现有技术存在的缺陷，本发明不需要电力驱动通风机配合， 保证了避免电力消耗条件下实现隧道自然通风的理想效果。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种太阳能风泵独立型隧道自然通风系统，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 能风泵系统；太阳能风泵系统包括设置在山体上的由若干并联的太阳能热水 器组成的太阳能热水器组以及连接在通风竖井出口端的烟囱，烟囱中设有热 交换器，太阳能热水器组的出口端连接热交换器的入口端，热交换器的出口 端连接太阳能热水器组的入口端。

进一步地，太阳能热水器组的出口端与热交换器的入口端之间设有用于 贮存及保温热水的热水罐；热交换器的出口端和太阳能热水器组的入口端之 间设有用于贮存回流水的回水罐。

进一步地，热水罐的出口端与热交换器的入口端之间设有热水泵；回水 罐的出口端与太阳能热水器组的入口端之间设有循环泵。

进一步地，太阳能热水器组的出口端与热水罐的入口端之间设有用于检 测热水温度的热水温度传感器，通风竖井的出口处设置有用于检测空气流量 的风流量传感器。

进一步地，热水泵、循环泵、热水温度传感器以及风流量传感器均连接 至控制器；所述热水泵、风流量传感器以及控制器形成第一闭环控制回路， 其中控制器能够通过风流量传感器的检测数据控制热水泵的转速；所述循环 泵、热水温度传感器以及控制器形成第二闭环控制回路，其中控制器能够通 过热水温度传感器的检测数据控制循环泵的转速。

进一步地，所述的太阳能风泵独立型隧道自然通风系统还包括能够为第 一闭环控制回路和第二闭环控制回路供电的光伏电池板及蓄电池。

进一步地，热交换器的热水管道的圆周径向上均匀分布有若干散热片。

进一步地，烟囱的外侧设置有保温层，烟囱的顶部设置有防雨罩。

进一步地，太阳能热水器为平板太阳能热水器。

一种太阳能风泵独立型隧道自然通风方法，首先利用太阳能加热太阳能 热水器组中的水，利用被加热后的水作为中间介质通过热交换器再加热烟囱 中的空气，加热后的空气能够加速流出烟囱进而使通风竖井出口端形成负压， 最后通过负压抽出隧道内的污染空气。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明系统利用太阳能对太阳能热水器中的中间介质——水进行加热， 经过加热后的水通入设置在烟囱中的热交换器中，热交换器通过换热将从通 风竖井出口端流出的空气加热，空气受热后会加速从烟囱中流出，热空气加 速流出后形成的负压即能够抽出隧道内的污染空气，从而实现隧道内的自然 通风功能，因为不需要电力驱动通风机配合，保证了避免电力消耗条件下实 现隧道自然通风的理想效果。

进一步地，设置热水罐及回水罐，热水罐可以用于贮存太阳能热水器流 出的热水，并对热水保温，使自然通风系统在晚上等无太阳照射时段继续运 行，从而实现隧道内全天候24小时的自然通风功能；回水罐则是作为贮存回 流水以备重新被太阳光加热后把热能贮存于热水罐中。

进一步地，设置热水泵及循环泵、热水温度传感器及风流量传感器、控 制器，使热水泵、风流量传感器以及控制器形成第一闭环控制回路，控制器 能够通过风流量传感器的检测数据控制热水泵的转速；而循环泵、热水温度 传感器以及控制器形成第二闭环控制回路，控制器能够通过热水温度传感器 的检测数据控制循环泵的转速，实现整个系统的自动控制。

进一步地，设置有能够为第一闭环控制回路和第二闭环控制回路供电的 光伏电池板及蓄电池，避免由山下把动力电源输送到山上通风竖井出口处的 一次性投入资金，大幅度减少了系统成本。

进一步地，热交换器的热水管道的周向上均匀分布有若干散热片，从而 实现大面积与经过的空气直接接触而达到很好的传热效果。

进一步地，烟囱的外侧设置有保温层，能够有效的保证烟囱中换热的高 效进行，烟囱的顶部设置有防雨罩，避免阴雨天气对系统稳定性的影响。

进一步地，采用平板太阳能热水器并联安装方便，简单，占地面积小， 不受安装环境限制，而且采热率高，非常节能。

本发明方法中太阳能热水器把水介质加热后贮存于热水罐中，再由热水 泵根据需要自动输送到安装于烟囱内的热交换器，通过加热空气后加速从烟 囱流出后在通风竖井出口处形成的强大负压抽出隧道内的污染空气，从而在 不消耗电能情况下独立实现隧道内全天候24小时的自然通风功能，太阳能利 用率高，由于采用比热系数很大的水作为太阳热能贮存介质，实现了在晚上 等没有太阳光的情况下太阳能风泵仍然能够正常工作。

附图说明

图1为本发明的超长隧道自然通风示意图；

图2为本发明的系统的简易结构示意图；

图3为本发明的平板分立式系统的具体结构示意图；

图4为本发明的平板组合式系统的具体结构示意图；

图5为本发明的热交换器在烟囱中的布置示意图；

图6为本发明的图3和图5中A处的横截面放大示意图。

其中，1、山体；2、太阳能风泵系统；3、通风竖井；4、太阳能热水器； 5、热水温度传感器；6、热水罐；7、热水泵；8、防雨罩；9、烟囱；10热 交换器；11、保温层；12、风流量传感器；13、控制器；14、回水罐；15、 循环泵；16、光伏电池板及蓄电池；17、热水管道；18、散热片；19、隧道。

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6，一种太阳能风泵独立型隧道自然通风系统，主要由太 阳能热水器4，贮水罐、循环泵15、热交换器10和烟囱9以及控制回路等组 成。其中固定于通风竖井3出口地面的若干并联的太阳能热水器4组成平板 太阳能热水器组(如图3所示分立式或者图4所示组合式所示，图4中的太 阳能热水器4仅为太阳能热水器组的一个单元，以此表明太阳能热水器与前 后设备部件的连接关系)，具体形式取决于通风竖井3出口地面的位置以及需 要功率大小等因素；贮水罐中的热水罐6用来贮存热量以备晚上等无太阳照 射时段继续提供能量保证自然通风系统继续运行；而回水罐14则是作为系统 中贮存回流水以备重新被太阳光加热后把热能贮存于热水罐6中待用。风流 量传感器12、热水泵7和控制器13组成第一闭环控制回路，根据检测的通 风竖井3出口处风流量与设计流量比较结果自动调节热水泵7转速，保证通 风量达到设计要求；而热水温度传感器5、循环泵15和控制器13组成第二 闭环控制回路保证进入热水罐的水温达到设计要求，由于太阳光强弱连续变 化引起照射功率大小不断变化，所以通过太阳能热水器组出口的热水温度传 感器5检测温度是否达到设定值而自动调节循环泵15的转速，以保证把获得 太阳能热量以水温形式最大限度贮存起来。热交换器10通过热水加热烟囱9 中的气体，加热后的气体加速流出烟囱9，且在通风竖井3出口处形成强大 负压，通过负压抽出隧道19内的污染空气，从而实现隧道内全天候二十四小 时的自然通风功能。为了提高热交换效率，宜采用带有散热片18的热水管道 17直接安装于烟囱9内部，从而实现大面积与经过的空气直接接触而达到很 好的效果。另外，由于通风竖井3通常情况下高度超过100米，所以直接在 通风竖井3出口处安装一套带有蓄电池的太阳能光伏发电系统——光伏电池 板及蓄电池16作为独立电源驱动第一闭环控制回路和第二闭环控制回路，从 而避免由山下把动力电源输送到山上的一次性投入资金，降低工程投资。

一种太阳能风泵独立型隧道自然通风方法，首先利用平板太阳能热水器 组把水介质加热后贮存于热水罐6中，再由热水泵7根据需要自动输送到安 装于烟囱9内的热交换器10，烟囱9内的空气通过加热后，加速从烟囱9流 出后在通风竖井3出口处形成强大负压，通过负压抽出隧道19内的污染空气， 从而在不直接消耗电能情况下独立实现隧道内全天候24小时的自然通风功 能。

特点：太阳能利用率高，由于采用比热系数很大的水作为太阳热能贮存 介质，实现了在晚上等没有太阳光的情况下太阳能风泵系统仍然能够正常工 作，系统工作稳定性得到很大改善，因为不需要电力驱动通风机配合，保证 了避免电力消耗条件下实现隧道自然通风的理想效果。

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，通过利用太阳能首先加热中间介质水，再利用安 装于通风竖井3出口处的热交换器10加热排出的气体，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自动排出，实现了隧道部分或完全自然通 风功能。又因为系统中热水罐6贮存热量功能，使得晚上等无太阳光照射时 段内仍然能够连续正常运行，从而不需要电力驱动风机配合情况下，独立以 自然通风方式达到隧道通风技术要求。

1)独立型太阳能风泵系统的选择

独立型太阳能风泵系统的结构形式选择及安装与通风竖井3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，宜采用分离的太阳能热水器组结构，顺 着山坡走势依次高密度安装并以并联方式相连接，即每一个太阳能热水器4 入水口接循环泵出水口，而出水口直接连接到热水罐6的入水口，循环泵15 根据检测太阳能热水器组出口处的温度来自动调整其流量；热水泵7则根据 通风竖井3出口处风流量传感器12检测数据自动控制进入热交换器10的热 水流量，加热空气以加速从烟囱9流出而形成负压，进而通过负压带动隧道 里空气排出来而形成自然通风功能。而对于通风竖井3出口面周围具有较大 平面的情况，则把平板太阳能热水器组合安装成为近似水平面的大面积太阳 能热水器组，以便输出大功率太阳能转换为热能。另外，依靠循环泵15完成 水介质从太阳能热水器4入口流入热水罐6中，依靠循环泵15抽吸作用完成 回水罐14的水进入循环泵15；依靠热水泵7把热水罐6的热水加压后流经 热交换器10后再流入回水罐14。分别采用热水泵7和循环泵15各自通过风 流量传感器12和热水温度传感器5构成独立的闭环控制回路外，还带来了的 好处是热水罐6允许安装在稍高于太阳能热水器的位置即可，降低了太阳能 热水器的压力负荷，有效延长了使用寿命，从而提高了系统运行的可靠性。

为了在隧道通风系统中获得更好的节能效果，采用水既作为中间介质把 太阳能以热能形式贮存来弥补没有太阳光时提供热能保证自然通风系统正常 工作，本身又以大的比热系数和方便的交换方式传输给通风竖井3排出来的 空气产生负压进而形成自然通风功能。其中平板太阳能热水器作为成熟的太 阳能低温段使用产品根据需要组成分立式或者组合式太阳能热水器组，再配 套相应的贮水罐(热水罐6和回水罐14)以及闭环控制回路，即可实现全天 候情况下完全由太阳能风泵装置完成隧道自然通风功能而免用风机系统，实 现节能减排的目标。

另外，由于通风竖井3通常情况下高度超过100米，所以直接在通风竖 井3出口处安装一套带有蓄电池的太阳能光伏发电系统——光伏电池板及蓄 电池16作为独立电源驱动热水泵7和循环泵15及闭环控制回路正常运行， 从而避免由山下把动力电源输送到山上的一次性投入资金。

2)工作过程

以光伏电池板及蓄电池16作为电源驱动循环泵15根据热水温度传感器 5检测数据将水按照自动控制的温度输送给平板太阳能热水器组，在把太阳 光能转换为热能并贮存在热水罐6中后，根据风流量传感器12检测数据，热 水泵7再按照设计的流量以自动控制方式输送给热交换器10，把热量传输给 流经的空气后流入回水罐14。装置中二套独立的闭环控制回路通过对于中间 介质——水的流量在实现其连续不断的按照要求循环流动的同时，利用二个 贮水罐的缓冲作用，实现了太阳能最大化接收、转换、贮存环节有效调节和 充分利用。

充分利用平板太阳能热水器太阳能利用率高的优势和成熟技术，一方面 因为其高比热系数把吸收的热能贮存起来以弥补晚上没有太阳能时系统对于 热能的需求；另一方面又能够方便的通过热交换器高效率传输给流经的气流， 导致其加速从烟囱9排出而在通风竖井3上出口处形成负压，而由于通风竖 井3本身是一个不可变形的密闭空间，所以这种负压将依次传输到通风竖井 3下入口，从而把隧道19中的污染空气以抽吸的方式连续不断的从烟囱9排 出，而因此在隧道中形成的负压引起隧道口新鲜空气源源不断补充进入隧道 内部，即形成隧道自然通风系统。本发明中太阳光首先加热中间介质水，然 后再通过热交换器加热空气流，实现了公路隧道自然通风功能而不再消耗电 能。