劉桂麗，楊 帆，王亞萍

(青島理工大學 汽車與交通學院，山東 青島 266520)

基于城市道路設施的霧、霾凈化技術方案研究

劉桂麗，楊 帆，王亞萍

(青島理工大學 汽車與交通學院，山東 青島 266520)

分析霧和霾的氣象特征，結合冷、熱氣流運動規(guī)律，利用城市道路附屬設施，研究霧和霾凈化技術方案。霧凈化方案提出新型路緣石、新型中央及兩側帶護欄和新型路燈設計，在滿足自身原有功能的基礎上增加吸氣、排氣孔道和太陽能發(fā)電裝置，利用吸氣孔道吸入道路行車安全視距范圍內的霧氣，通過地下除霧裝置處理后的干燥氣體經過噴氣導管噴向道路上空，聚集的霧水及微塵經地下排水管道排出，達到凈化空氣的目的。霾凈化技術方案提出在分隔帶、路面板及人行道地下內埋設銅線圈，利用通電產生的弱靜電場吸附空氣中的懸浮顆粒物，實現道路行車視距范圍內的局部除霾效果。利用城市電網輔助太陽能儲電系統的模式為系統提供能源，以降低造價和提高適用性。

道路工程；霧霾凈化；技術方案；城市道路；靜電吸附

交通事故原因分析數據顯示，由災害性天氣直接或間接導致的交通事故約占事故總數的50%，因濃霧、霧霾等惡劣天氣造成的交通事故率更是呈顯著上升趨勢。據中國氣象局的數據顯示，2013年74個城市空氣質量總體超標天數比例為68.4%，平均超標率為68.9%[1]。2014年初，我國中東部大部分地區(qū)都出現了霧霾天氣，影響面積約為143萬平方公里，約占國土面積的15%，嚴重影響了人們的正常生活。據初步統計，汽車尾氣是霧和霾的重要成因之一，隨著城市道路建設的不斷發(fā)展和汽車保有量的與日俱增，霧、霾天氣對城市道路的影響范圍會進一步擴大，由霧、霾天氣導致的交通事故頻發(fā)、通行能力降低、交通擁堵等問題將日益嚴重[2]。

目前，為改善道路行車環(huán)境，國內外對霧、霾的處理基本上采用“控制行車”的措施，如交警現場指揮交通、封閉路段、限制車速、可變情報板、除霧車流動除霧等[3]。雖然在一定程度上降低了霧、霾天交通事故的發(fā)生，但都不能在“短時間”內有效改善城市道路的交通環(huán)境狀況；車速低、通行能力下降、運營效益降低等問題依然存在；且由于投資過高，現有霧、霾處理技術主要應用于高等級公路，對城市道路應用甚少。

因此，研究霧、霾天氣條件下城市道路安全、高效運營的先進技術，是道路科研人員的迫切任務；我國城市道路面積率達到20%～25%，城市道路的霧、霾凈化處理，必然為城市空氣污染的治理帶來積極影響。

1 方案總體設計

霧是近地面層空氣中水汽凝結或凝華的產物，是由大量懸浮在近地面空氣中的微小水滴或冰晶組成。霾是指大量煙、塵等微粒懸浮形成的渾濁現象，其核心物質是空氣中懸浮的灰塵顆粒，氣象學上稱之為氣溶膠顆粒[4]。霧和霾天氣特征的主要區(qū)別是相對濕度，相對濕度大于90%時的能見度惡化是霧造成；相對濕度介于80%～90%之間時的能見度惡化是霾和霧的混合物共同造成[5]。針對此特性，筆者分別對霧和霾凈化技術進行研究，提出霧、霾凈化技術方案。

如圖1，檢測模塊實時檢測道路能見度和大氣濕度等氣象參數，并將相關數據傳遞給控制中心，判斷霧、霾天氣是否發(fā)生。當檢測值達到預設值，控制中心在數據處理分析后，控制噴、吸氣裝置和除霧、霾裝置的工作狀態(tài)。當檢測到霧、霾天氣發(fā)生且大氣相對濕度大于90%時，系統啟動“霧凈化方案”；如大氣相對濕度小于90%，系統將同時啟動“霧凈化系統”和“霾凈化系統”。在霧、霾凈化過程中，道路能見度將逐漸提高，當檢測裝置檢測到氣象能見度大于1.5 km時，系統關閉。

圖1 方案工作流程Fig.1 Working process of scheme

通過對霧、霾天氣下道路行車條件的研究發(fā)現，只要能保證駕駛員視線空間范圍內有良好的能見度條件，車輛即可正常行駛。因此，本系統通過控制氣體流向，形成氣幕控制相對封閉的除霧空間，實現對道路上空駕駛員視線范圍內的局部空間的霧、霾凈化處理，從而降低除霧、霾總量，減少能源消耗。為了避免團霧現象或系統某個單元出錯而導致系統整體癱瘓，霧、霾凈化系統設計為由一個控制中心和多個獨立結構單元組成。各個結構單元之間獨立運行，由控制中心針對不同路段進行總體控制。

2 霧凈化技術方案

霧凈化方案組件由地上和地下兩部分組成，地上為吸、噴氣裝置及太陽能吸收裝置，地下主要包括除霧裝置、吸氣風機、加壓裝置。由吸氣裝置吸收潮濕霧氣，吸氣風機將霧氣流以一定壓力噴到除霧裝置上，由除霧裝置將水和微顆粒等雜質與空氣分離。除霧裝置底部與城市道路排水管道相連，將除霧產生的水分和雜質引入城市道路排水管道中，潔凈空氣經加壓裝置加壓后以一定壓力噴向道路上空。干熱潔凈氣流形成氣幕并逐漸上升，產生的空氣壓力可減緩濕冷空氣的下降，此時駕駛員視線內霧氣逐漸消減，最終形成冷氣流進入除霧系統，熱氣流噴出后上升的氣流循環(huán)路徑。系統總體布置效果圖如圖2。

圖2 方案總體布置效果Fig.2 Design sketch of general layout of scheme

2.1 吸、噴氣裝置

吸、噴氣裝置由新型路緣石、新型路燈、新型分隔帶護欄等組成。由吸氣口將駕駛員安全行車視線空間以內的霧氣吸入除霧裝置，經處理后由噴氣口噴出，形成動態(tài)除霧循環(huán)。

2.1.1 新型分隔帶護欄

新型分隔帶護欄為技術方案的主要噴氣裝置，設置于城市道路中央或兩側[5]。4 m×1.1 m高的新型防護欄內部為中空設計，下端通過連接管線與地下除霧裝置連接。噴氣口上端設有蓋板，系統啟動時方可打開，以防止雨雪水或其他雜物進入，如圖3。

圖3 新型防護欄Fig.3 New type of guardrail

2.1.2 新型路燈

未設置護欄或僅設有中央護欄的城市道路，其兩側的噴、吸氣功能由新型路燈枝干和新型路緣石來實現。

如圖4，新型路燈支桿為中空設計，設有噴氣孔和吸氣孔，橫截面圖中藍色圓圈代表吸氣管部分，在高度為2 m處分布噴氣孔。氣體從燈桿上的吸氣孔吸入，通過燈桿中的吸氣管到達地下除霧裝置，被除霧裝置處理后的干凈氣體經加壓裝置加壓后，經過管道從道路中間新型護欄和路燈支桿上布置的排氣孔中排出。新型路燈為鹵素路燈，由3個燈頭組成，在不同環(huán)境下，控制中心設定不同的亮燈數目，滿足道路交通對燈光的需求，實現節(jié)約能源的目的。路燈頂端設有太陽能電池板，非霧、霾天氣下吸收太陽能，并將太陽能轉化產生的電能存儲到埋置于地下的儲能裝置中，為除霧組件運行提供能源，如圖5。

圖4 新型路燈示意Fig.4 Schematic diagram of novel street lamp

圖5 新型路燈與能源模塊示意Fig.5 Diagram sketch of novel street lamp and energy module

2.1.3 “R”型路緣石

由于路燈間距設置過大，為了保證除霧效率，方案對路緣石進行改造，實現除霧方案的吸氣裝置功能。新型路緣石吸氣孔高度接近設計車輛排氣孔口的近地高度，吸氣孔均勻布置，通過管線與地下除霧相連，如圖6。為了使其具有緩沖汽車撞擊作用，新型路緣石采用 “R”流線型設計[6]，建立如圖7所示拋物線模型，計算出流線型坡度為37°，其他設計參數為：底寬50 cm, 凈高27 cm, 出地高度22 cm, 出地寬度30 cm, 線角度21.7, 質量146.4 kg, 承受力5×105N, 吸氣孔傾斜角度53°。

圖6 新型路緣石效果Fig.6 Design sketch of novel curb

圖7 新型路緣石設計詳圖(單位：cm)Fig.7 Design details of novel curb

為了保證新型路緣石的穩(wěn)定性，本設計增大了其著地面積，形成了20 cm地埋區(qū)。汽車與路緣石撞擊為非彈性碰撞[7]，取大眾桑塔納車輛參數為例，假設汽車以時速60 km/h與路緣石呈30°角撞擊，汽車撞擊后運動0.5 m停止，即“R”型路緣石的曲面長度約為50 cm，根據動量公式(1)：

m×v=F×t

(1)

得m=1 500+60=1 560 kg

得t=0.061 2 s

則：

新型“R”路緣石防撞性能滿足要求。

2.2 除霧裝置

除霧裝置為地下空氣凈化裝置，實現空氣和雜質分離的功能。霧氣以一定的速度通過除霧裝置，與除霧裝置內絲網結構相撞，并依附在其表面上。在除霧器內部結構的表面上，霧滴經過擴散和重力的作用會逐步聚集，當重量達到一定水平后，就會從除霧器內部結構上分離下來[8]，如圖8。

圖8 除霧裝置工作原理Fig.8 Working principle of dehumidification device

除霧裝置與地下排水管道連接處設置單向彈簧擋片，防止地下排水倒流進入除霧裝置，如圖9。

圖9 地下結構連接效果Fig.9 Design sketch of underground structure connection

除霧裝置利用煙塵過濾理論分離廢氣中夾帶的液滴和微顆粒[9]。通過材料選擇、尺寸計算等，設計出適合城市道路的除霧裝置。在其規(guī)格設計中，運用除霧裝置間隔和所需除霧時間等因素來確定除霧裝置的工作效率以及通過裝置的空氣流速，確定除霧裝置的尺寸，具體設計規(guī)格見表1。

表1 除霧裝置設計規(guī)格

2.3 吸氣風機

如圖10，吸氣風機的主要作用為加快氣體流動，使道路上方的霧氣經吸氣管道通過吸氣風機后形成具有一定流速的氣流噴到除霧裝置上，為除霧裝置的工作提供氣流條件，提高除霧效率。

圖10 吸氣風機示意Fig.10 Diagram sketch of vent fan

為保證除霧裝置的工作效率，需要根據氣體流量選擇合適的吸氣風機。假設道路為雙向六車道，路幅總寬為30 m，照明路燈一般高度為8 m，兩路燈間的間隔30 m，為滿足安全行車視線要求，系統處理霧氣高度設定為路面以上2.5 m，求得吸氣風機功率。吸氣風機參數為：處理氣體體積1 125 m3, 絲網除霧裝置半徑0.5 m, 裝置面積0.785 m2, 處理能力0.312 5 m3/s, 電機容量安全系數1.1, 全壓P2.3 kpa, 輸出功率1.129 kw。

(2)

2.4 關鍵技術

2.4.1 噴氣孔口角度及高度設置

噴氣孔口角度和高度為保障系統運行效率的關鍵指標，該指標與噴出氣流壓力共同控制氣流運動軌跡，保障道路安全行車所需的消霧空間。

交通部《城市道路交通規(guī)劃設計規(guī)范》設計要求：駕駛員視線高度為1.5 m，載運集裝箱的車輛不得超過4.2 m[10]。根據上述要求建立數學模型，為了快速消除駕駛員視線前霧氣，本方案將噴氣孔高度設為2 m，假設在無大風、雨雪等惡劣天氣時，系統噴出的干燥熱氣以拋物線軌跡運行。以城市道路雙幅路為例，道路橫截面與道路中軸線的交點為原點，建立直角坐標系，見圖11。

圖11 吸、噴氣角度計算模型Fig.11 Calculation model of air spray and suction angle

由上述可知，關鍵點的坐標以次為：A(0, 110)；B(187.5, 420)；C(750, 200)；D(187.5, 150)；E(750,110)(單位為cm)，根據拋物線的性質，利用MATLAB計算軟件可求得噴氣口噴出熱氣軌跡方程y1即：

y1=-0.002 73×x2+2.164 4×x+110

(3)

y1′=-0.005 45×x+2.164 4

(4)

則tanθ1=2.164 4，tanθ1=1.923 1

θ1=55.80°，θ1=54.90°

式中：θ1為新型中央分隔帶護欄噴氣角度；θ2為新型路燈噴氣角度；即護欄噴氣導管角度為55.80°，路燈噴氣導管角度為54.90°。

2.4.2 地下結構設計

地下核心結構的絲網除霧裝置具有除濕及過濾凈化功能，由于道路運行環(huán)境中的氣液固三相組分存在差異，因此其氣溶膠粒子與粒子群具有特殊性，利用煙塵過濾理論進行分析時，需綜合常規(guī)袋式除塵、靜電增強纖維過濾等方式的特點，進行絲網過濾除塵系統的設計[11]。道路系統運行環(huán)境具有特殊性，需要對過濾凈化和除濕設備進行技術改造，達到適合道路運行環(huán)境的目的。

2.4.3 連接設計

該部分包括地上地下設施的連接和地上管線之間的連接。防護欄受到運行車輛等外力撞擊時會發(fā)生變形和移位，為了避免或減少該破壞對地下設施的影響，地上噴吸氣裝置與地下管線的連接考慮采用柔性接頭連接。結合目前現有的柔性連接材料和工藝進行設計，使其可產生橫向、軸向、角向位移，避免管道不通心、法蘭不平行的限制[12]，滿足道路運行環(huán)境的需要。為了后期維護和破壞后維修方便，地上管線之間需采用拆裝靈活的連接形式，并在連接部位進行柔性處理，滿足防撞效果的同時，提高吸振能力，減少管線彼此之間的影響。

2.5 實驗模擬

為了驗證系統效率，筆者使用Gambit軟件建立高速路面及上部區(qū)域網格模型并做離散化處理，導入Fluent，根據霧、霾天氣大氣指標、系統熱功率系數進行計算和統計。模擬實驗設定初始環(huán)境溫度285.15 K，空氣含水量6.251 g/kg，噴氣溫度320 K，噴氣角度43°，噴氣速度1.5 m/s；模擬單向三車道高速路面總寬12.5 m，最高點4.2 m，吸、噴氣口高度各為0.5和1 m；進行噴、吸氣流模擬，比對濕度變化，記錄模擬次數為50、100、150、350次的特征點溫度過程值、最終值和模擬效果圖，如圖12。

圖12 道路視線空間溫度分布Fig.12 Distribution sketch of spacial temperature in driving area

由數據和模擬圖可知，路面上空最終形成溫度穩(wěn)定在297.15 K，含水量2.923 g/kg的局部空氣幕，在駕駛員安全視距內開辟出能見度良好的通道。

3 霾凈化技術方案

3.1 設計原理

霾是正電性顆粒物質，平流層正電性對霾正電性顆粒產生斥力，從而使霾在大氣對流層中聚積。霾在空氣中分布較為均勻，具有呈酸性、呈正電性、范圍廣、密度小、顆粒較小、不分解、不沉降、消解速度慢等特點。根據這些特點，本設計的除霾原理是：在分隔帶、路面板或人行道地下埋置銅線圈，與供能系統連接，通過變壓轉換器等設備進行通電，在其上方產生一定范圍的負靜電場(稱為負極板裝置)，根據電力學原理，道路上空部分范圍的正電性霾顆粒能夠在電場的作用下，由空中降至地面。從而使路面上空一定范圍內呈現出清晰、可視性強的范圍，開闊駕駛員視野，保證行駛安全。

3.2 技術方案

在城市道路分隔帶、路面板或兩旁人行道地下鋪設銅線，每間隔500 m形成一個閉合線圈[13]。閉合線圈開關接到控制模塊，若經系統檢測裝置檢測霧、霾濃度超標且空氣相對濕度小于90%，控制模塊自動發(fā)出指令，啟動霾凈化系統，地下埋置線圈通入較弱直流電產生靜電場。在其上空形成一個靜電場，吸附空氣中的霾顆粒，落至綠化帶內的微顆粒隨著雨水或人工澆水自然融入大地，散落到路面的微顆?？赏ㄟ^新型路緣石上安裝的吸氣系統或除塵車進行收集處理，以防止二次霾現象發(fā)生。系統工作流程如圖13。

圖13 霾凈化系統工作流程Fig.13 Working process of haze purification system

3.3 硬件布置

霾凈化系統包括檢測裝置、控制中心、由絕緣外殼構成的外部結構和銅線圈(負極板裝置)、微塵回收裝置、靜電調節(jié)器以及靜電發(fā)生器等內部結構構成。供電裝置與太陽能板結合，使其成為一個擁有正負極的電源。負極板裝置為用銅線卷成的銅線圈，當銅線圈與電源負極相連接時，銅線圈與道路上空的正電性霾層產生吸引作用[14]。

圖14為城市二塊板道路靜電除塵系統布置圖，主要分成左側線圈和右側線圈兩類，左側線圈埋置于左側人行道、左側路面板和中央分隔帶的左側防護欄的下方，右側線圈埋置于中央分隔帶右側防護欄、右側路面板和右側人行道下方。把銅線卷成銅線圈，線圈與線圈間隔一定距離埋置于此，將太陽能板所儲存的電能經過電能轉換器形成一個直流電源，然后將電源與銅線圈相連，從而銅線圈變成一個有大量負電荷聚集的負極板，而道路上空的霾顆粒層相當于有大量正電荷聚集的正極板[15]，在類似電容的環(huán)境下，霧霾微顆粒慢慢在路面集聚，達到除霾效果。

圖14 靜電除塵橫斷面布置Fig.14 Cross-section profile of electrostatic precipitation

4 可行性分析

4.1 交通影響分析

本方案通過合理設計噴、吸氣導管端部角度、孔口高度和氣流壓力，以確保氣流運行軌跡覆蓋目前車輛高度極限值，由此避免具有一定壓力和溫度的干燥潔凈氣體直接噴向道路空間內運行車輛和行人，從而消除系統運行對交通產生的影響。

道路行車視線空間內的霧、霾凈化使能見度不斷提高，由此，道路沿線行車道以外區(qū)域的能見度與行車道范圍內的能見度會產生差異，這種能見度的變化會對駕駛員的心理產生不利影響，因此，和良好天氣條件下的道路行車相比，該條件下的車速依然會有所降低，但和霧、霾天氣條件下的車速相比依然有很大提高，有效改善行車條件。為了保證安全，系統運行時，可考慮采用電子信息技術給予駕駛員充分提示。

霾凈化系統主要吸附粒徑為2.5 μm以下的霾顆粒，因此所需靜電場的電流微小，不會對人體造成傷害，也不會吸附行人毛發(fā)等物質；且靜電場中的電流為直流電，不會對手機信號造成干擾，具有較高的安全性。

4.2 經濟效益分析

依據2013年山東省道路交通事故賠償標準，考慮系統前期費用、設施費用及其他費用，估計每百公里費用見表2。

表2 系統經濟效益分析

青島市開發(fā)區(qū)嘉陵江東路全長4.8 km，是青島開發(fā)區(qū)重要的運輸干道，同時也是霧霾天氣頻繁發(fā)生的道路。經濟分析如下：系統建設費用180.8×4.8%=8.68萬元，霧、霾天氣導致交通事故年平均數量12起，事故直接經濟損失15.6萬元，可獲收益6.92萬元。

由上述可知，霧、霾凈化技術方案建設初期具有良好的經濟效益，在后續(xù)的運行中，隨著基礎設施投入的降低，效益將更加明顯，因此該系統具有良好的經濟性。

5 創(chuàng)新特色

1) 本技術方案對防護欄、路燈支桿、路緣石等道路原有附屬設施進行改進，在原有功能基礎上實現系統吸、噴氣和太陽能發(fā)電等功能，以減少新增設施的投入和能源消耗，降低系統投入，提高系統的適應性和經濟性。

2) 檢測模塊實時檢測霧、霾的濃度，第一時間反映天氣變化情況，控制模塊適時開啟系統進行霧、霾凈化處理；吸入道路上空的潮濕霧、霾氣體，通過凈化裝置噴出干燥潔凈氣體，快速實現氣體凈化，與傳統的霧、霾處理技術相比，本系統更加及時、高效。

3) 技術方案把除霧裝置產生的水和顆粒物直接排入地下排水管道中，和原有除霧方法相比不會導致水在路面沉積而造成的因路面附著系數減小而使車速降低、冬天路面結冰等問題，增加了行車安全性。

4) 技術方案是由多個獨立結構單元組成，每個結構單元負責相應路段，各部分構造連接拆裝靈活方便，便于后期維護和更新；可根據實際需求接入沿線城市電網；不同天氣條件分別啟動霧凈化系統或霧、霾凈化系統，有針對性的治理霧、霾天氣；具有良好的可控性。

6 結 語

隨著經濟發(fā)展，煙塵懸浮物和汽車尾氣等污染物不斷增加，導致霧、霾問題將更加突出。據有關資料顯示，今后霧、霾天的頻率和等級會不斷地增加。霧、霾將會嚴重威脅人們的出行安全?！俺鞘械缆缝F、霾凈化系統”適應時代發(fā)展的需求，借助于感應技術和新能源轉化技術，突破了除霧、霾過程中及時性與經濟性的限制，適應當今時代可持續(xù)發(fā)展的主題，可實現改善交通狀況和保護環(huán)境的雙重目的。

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Technology Scheme of Fog and Haze Purification Based on City Road Facilities

LIU Guili, YANG Fan, WANG Yaping

(School of Automobile & Transportation Engineering, Qingdao Technological University, Qingdao 266520, Shandong,P.R.China)

The characteristics of the fog and haze were analyzed and the fog and haze purification technology scheme was also researched, combining with the movement regularity of cold and hot air and using subsidiary facilities of city road. The fog purification technology scheme proposed a new design of the curb, the guardrail at central and both sides as well as the street lamp, in which the air spray, suction pipe and solar power generation device were added on the base of their original functions; the fog was inhaled by the suction pipes within safely driving visual space; the air was dehumidified and purified through dehumidification device installed in the underground space of city road, the mist and small particles were leaded into the drainage pipeline and the processed dry gas with high pressure was sprayed on the city road through the spray pipes; so the purpose of air purification for improving air visibility in driving area was achieved. The haze purification technology scheme proposed that copper coils were set up under the separator, pavement and sidewalk, and the suspended particulate matter in air was absorbed by weak electrostatic fields of copper coils when they were electrified, which realized the purpose of eliminating haze partly in driving area. The energy of the system used the city power network and assisted solar electricity storage system, which reduced costs and improved applicability.

highway engineering; fog and haze purification; technology scheme; city road; electrostatic adsorption

2014-11-07；

2015-04-09

國家自然科學基金項目(51178231)；國家高技術(863)研究計劃課題項目(2007AA11Z219)

劉桂麗(1976—)，女，山東安丘人，副教授，碩士，主要從事道路工程設計和交通環(huán)境控制技術的研究。E-mail：guili4301@163.com。

10.3969/j.issn.1674-0696.2016.01.07

U121

A

1674-0696(2016)01-033-07