寧 鐸，楊 婷，楊 杰，王康樂(lè)

（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(yáng)能自然通風(fēng)獨(dú)立系統(tǒng)的研究

寧 鐸，楊 婷，楊 杰，王康樂(lè)

（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(yùn)營(yíng)費(fèi)用高昂的問(wèn)題，通過(guò)對(duì)運(yùn)行現(xiàn)狀及技術(shù)特點(diǎn)進(jìn)行分析和研究，提出了太陽(yáng)能自然通風(fēng)獨(dú)立系統(tǒng)，其在不需要電力驅(qū)動(dòng)風(fēng)機(jī)的情況下，完全利用太陽(yáng)能輻射，使光伏發(fā)電作為獨(dú)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(dòng)能，保障了在避免電力消耗的條件下實(shí)現(xiàn)隧道自然通風(fēng)的理想效果，在實(shí)現(xiàn)了太陽(yáng)能高效率利用的同時(shí)，有效降低了成本，達(dá)到了節(jié)能減排的目的。

公路隧道；太陽(yáng)能；熱能轉(zhuǎn)換；基礎(chǔ)設(shè)施

近年來(lái)，我國(guó)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(shí)施總體水平實(shí)現(xiàn)了歷史性的跨越。截至2015年年底，全國(guó)高速公路總里程已達(dá)125 373 km，其中，公路隧道為14 006處，長(zhǎng)1.268 39×107m。而特長(zhǎng)隧道744處，長(zhǎng)3.299 8×106m ，長(zhǎng)隧道3 138處，長(zhǎng)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(shí)現(xiàn)了資源的有效配置，對(duì)促進(jìn)國(guó)民經(jīng)濟(jì)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(chē)后的運(yùn)營(yíng)費(fèi)用高昂。世界能源危機(jī)的產(chǎn)生，使人們都深刻認(rèn)識(shí)到節(jié)約能源、尋找新型能源的重要性。太陽(yáng)能作為一種大自然的天然能源，既可免費(fèi)使用，也無(wú)需運(yùn)輸，對(duì)環(huán)境無(wú)任何污染，且蘊(yùn)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(guó)家節(jié)能的政策，且將帶來(lái)可觀的經(jīng)濟(jì)效益。因此，本設(shè)計(jì)將著手研究如何更好地將太陽(yáng)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(chēng)為熱交換器。這種設(shè)備易于滿足工藝過(guò)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(jiǎn)單、裝修輕便、經(jīng)濟(jì)合理、運(yùn)行可靠，同時(shí)，可以保證較低的流動(dòng)阻力，以減少熱交換的動(dòng)力消耗。本系統(tǒng)首先利用太陽(yáng)能熱水器將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化熱能后儲(chǔ)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(shí)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(fù)抽壓原理

利用煙囪效應(yīng)，通過(guò)空氣對(duì)流、負(fù)壓換氣的原理及相應(yīng)設(shè)施實(shí)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(dòng)壓并對(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(shí)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(jì)方案

通過(guò)太陽(yáng)能對(duì)公路隧道進(jìn)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(yáng)能熱水器模塊、太陽(yáng)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(yáng)能熱水器對(duì)水加熱，實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能吸收儲(chǔ)能并把多余的熱水儲(chǔ)存到熱水罐中，再由熱水泵抽取熱水進(jìn)入熱交換器管道中，加熱煙囪內(nèi)的空氣產(chǎn)生負(fù)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(dá)到公路隧道自然通風(fēng)的目的。利用貯水罐的保溫儲(chǔ)能功能確保在夜晚或陰雨等無(wú)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(yáng)能熱水器模塊

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

在平板熱水器中，太陽(yáng)能輻射透過(guò)透明玻璃蓋板照射在涂有太陽(yáng)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(jiǎn)單，可承壓運(yùn)行，可靠性高，能與建筑以多種方式結(jié)合，也可被設(shè)計(jì)為多種形狀。本設(shè)計(jì)中將采用平板太陽(yáng)能熱水器，在通風(fēng)煙囪出口的周?chē)哂休^大平面的情況下，安裝為近似水平面的大面積太陽(yáng)能熱水器組，以便輸出大功率太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換為熱能太陽(yáng)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(yáng)能熱水器組吸收太陽(yáng)能輻射的技術(shù)和優(yōu)勢(shì)，把熱能以水的形式儲(chǔ)存在熱水罐中，彌補(bǔ)了陰雨天和夜晚沒(méi)有太陽(yáng)時(shí)系統(tǒng)對(duì)熱能的需求，達(dá)到了節(jié)約能源的目的。

2.2 太陽(yáng)能光伏發(fā)電模塊

太陽(yáng)能光伏發(fā)電是利用半導(dǎo)體的光伏特效應(yīng)將太陽(yáng)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(yáng)能光伏發(fā)電模塊的光伏電池板和蓄電池作為獨(dú)立電源確定驅(qū)動(dòng)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(yuǎn)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(yáng)光照射的地方就可以安裝使用，因此，非常適合于偏遠(yuǎn)無(wú)電網(wǎng)地區(qū)，不依賴電網(wǎng)而獨(dú)立運(yùn)行的發(fā)電系統(tǒng)。太陽(yáng)能電池板發(fā)出的電直接流入蓄電池并儲(chǔ)存起來(lái)，需要給電器供電時(shí)，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(gè)重復(fù)循環(huán)的充放電過(guò)程，不但避免了由山下把動(dòng)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(shí)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(gè)散熱片，使得熱水管道和周?chē)目諝饪梢愿玫亟佑|，從而達(dá)到很好的傳熱效果，空氣經(jīng)過(guò)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(huì)不斷補(bǔ)充，實(shí)現(xiàn)了利用太陽(yáng)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(yáng)能熱水器組的出口端與熱水罐的入口端之間設(shè)有檢測(cè)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。整個(gè)系統(tǒng)分為2個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)：①當(dāng)風(fēng)流量傳感器的測(cè)定值小于設(shè)計(jì)值時(shí)，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(bǔ)充到設(shè)計(jì)要求，保證車(chē)輛行駛的安全；當(dāng)風(fēng)流量傳感器的測(cè)定值大于設(shè)計(jì)值時(shí)，為了避免能源的浪費(fèi)，降低熱水泵的轉(zhuǎn)速。②當(dāng)熱水溫度傳感器的測(cè)定值高于設(shè)計(jì)值時(shí)，為了避免太陽(yáng)能的浪費(fèi)，開(kāi)啟或增加循環(huán)泵的轉(zhuǎn)速，將循環(huán)水抽入太陽(yáng)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(cè)定值低于設(shè)計(jì)值時(shí)，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(jìn)入太陽(yáng)能熱水器，避免影響公路隧道的正常通風(fēng)。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了公路隧道太陽(yáng)能自然通風(fēng)獨(dú)立系統(tǒng)，將太陽(yáng)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(jī)械通風(fēng)和互補(bǔ)型通風(fēng)方式，本系統(tǒng)不需要電力傳輸驅(qū)動(dòng)風(fēng)機(jī)通風(fēng)。通過(guò)系統(tǒng)的太陽(yáng)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(yáng)能增強(qiáng)負(fù)壓進(jìn)而強(qiáng)化自然通風(fēng)來(lái)實(shí)現(xiàn)公路隧道通風(fēng)，太陽(yáng)光加熱高比熱容系數(shù)的水，通過(guò)熱交換器高效率加熱煙囪內(nèi)的空氣，產(chǎn)生負(fù)壓，進(jìn)而抽出隧道中的污染空氣，實(shí)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(yùn)營(yíng)費(fèi)用，節(jié)約了能源，保護(hù)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