一種太陽能風泵獨立型隧道自然通風系統及方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種隧道通風系統，具體涉及一種太陽能風栗獨立型隧道自然通風系統及方法。
【背景技術】
[0002]隨著國家經濟發展，全國高速公路里程達11.19萬公里，居世界第一位。公路隧道作為重要的構造物類型，既能縮短公路里程，保證最佳線形、提高技術標準，便利行車，又可有效防止惡劣天氣及不良地質災害，提高行車的安全性，同時能較好地與當地環境相協調，保全自然景觀，從而得到了廣泛應用。據統計，截至2014年底，全國公路隧道12404處、1075.67萬米，其中特長隧道626處、276.62萬米。目前，我國已成為世界上修建隧道數量最多、發展最快的國家。
[0003]近年來能源問題的日益突出，隧道通風領域出現了豐富多樣的節能手段。1991年開始運營的日本關越隧道長1km以上，采用兩直徑9.7m豎井+多臺靜電集塵器的組合通風方案。日本學者證明靜電集塵器加送排式豎井的縱向通風系統不僅可以應用在關越隧道上，且不論交通方式如何、隧道長短，均可采用該通風方式。2000年底通車的挪威萊爾多隧道，采用了 “單斜井+煙塵及氮氧化物凈化器+射流風機”組合的縱向通風方式，空氣凈化器可以清除空氣中的煙塵顆粒和N02有害氣體。對于長大公路隧道，我國現多采用縱向分段式通風，但該方式仍然能耗高昂。
[0004]我國于2014年8月I日開始執行的《公路隧道通風設計細則》(JTG/T D70/2-02-2014)，行業標準為其隧道通風技術應用鋪平了道路。為了節能減排，實際工程中希望盡量利用自然通風來實現。因為這種自然通風系統本身屬于大自然的綠色能源的合理利用，若根據隧址氣象條件對自然風進行研究，掌握其規律，并在運營通風中加以利用，將起到明顯的節能的效果，而根據調研，目前對于公路隧道自然風的利用研究還較少，因此研究成果相對還較少，但研究前景極為廣闊。
[0005]國內對隧道的自然風壓的研究不多。根據經驗，對于短隧道采用自然通風的方式既經濟又實用；而對于長大隧道而言，一般要采用機械通風方式，但在特定條件下，自然風的影響也會相當明顯，若能認識其規律并加以利用，將在節能減排方面發揮重要的作用。
[0006]負壓抽風技術正是利用煙囪效應。當自然風從豎井上方經過，在豎井出口處產生動壓對豎井形成負壓抽吸作用，使封閉式通風豎井內壓力降低，這種負壓一直傳輸到入口處，從而把隧道中受到污染的氣體吸入后從出口處排出，而從隧道的出入口端流入等量的新鮮空氣，周而復始，起到了對隧道進行通風換氣的作用。
[0007]國內先后依托陜西秦嶺終南山特長隧道(通風豎井直徑9.5米)、寧夏六盤山隧道通過通風豎井實現部分自然通風進行了應用研究并取得了一些進展，主要思路是有效利用負壓抽風技術一煙囪效應結合機械排風機一起完成隧道通風功能。當自然風從豎井上方經過，在豎井出口處產生動壓對豎井形成負壓抽吸作用，使豎井內壓力降低，從而形成對隧道內通風換氣的作用。但是實際使用過程中由于受到地理位置和自然風穩定性限制其效果甚微，目前仍然還是主要依靠排風機機械通風，從而加大了耗能同時造成運行成本的增加。所以如何有效利用一次能源增加自然通風分量來實現節能減排同時降低運行成本，已經成為其推廣應用的技術瓶頸。
[0008]目前直接利用風能或者地熱能在通風豎井中形成負壓增加自然通風量的方案由于其獲取困難或者效率太低無法實施，那么有效利用太陽能作為一種能夠增強負壓進而強化自然通風來實現節能減排就成為其唯一的選擇。
【發明內容】
[0009]本發明的目的在于提供一種太陽能風栗獨立型隧道自然通風系統及方法，以克服上述現有技術存在的缺陷，本發明不需要電力驅動通風機配合，保證了避免電力消耗條件下實現隧道自然通風的理想效果。
[0010]為達到上述目的，本發明采用如下技術方案:
[0011]—種太陽能風栗獨立型隧道自然通風系統，包括貫穿設置在隧道上方的山體上的通風豎井，通風豎井的出口端設置有能夠加熱通風豎井出口端空氣，并通過加熱空氣快速流出通風豎井后形成的負壓抽出隧道內污染空氣的太陽能風栗系統;太陽能風栗系統包括設置在山體上的由若干并聯的太陽能熱水器組成的太陽能熱水器組以及連接在通風豎井出口端的煙囪，煙囪中設有熱交換器，太陽能熱水器組的出口端連接熱交換器的入口端，熱交換器的出口端連接太陽能熱水器組的入口端。
[0012]進一步地，太陽能熱水器組的出口端與熱交換器的入口端之間設有用于貯存及保溫熱水的熱水罐;熱交換器的出口端和太陽能熱水器組的入口端之間設有用于貯存回流水的回水罐。
[0013]進一步地，熱水罐的出口端與熱交換器的入口端之間設有熱水栗；回水罐的出口端與太陽能熱水器組的入口端之間設有循環栗。
[0014]進一步地，太陽能熱水器組的出口端與熱水罐的入口端之間設有用于檢測熱水溫度的熱水溫度傳感器，通風豎井的出口處設置有用于檢測空氣流量的風流量傳感器。
[0015]進一步地，熱水栗、循環栗、熱水溫度傳感器以及風流量傳感器均連接至控制器；所述熱水栗、風流量傳感器以及控制器形成第一閉環控制回路，其中控制器能夠通過風流量傳感器的檢測數據控制熱水栗的轉速;所述循環栗、熱水溫度傳感器以及控制器形成第二閉環控制回路，其中控制器能夠通過熱水溫度傳感器的檢測數據控制循環栗的轉速。
[0016]進一步地，所述的太陽能風栗獨立型隧道自然通風系統還包括能夠為第一閉環控制回路和第二閉環控制回路供電的光伏電池板及蓄電池。
[0017]進一步地，熱交換器的熱水管道的圓周徑向上均勻分布有若干散熱片。
[0018]進一步地，煙囪的外側設置有保溫層，煙囪的頂部設置有防雨罩。
[0019]進一步地，太陽能熱水器為平板太陽能熱水器。
[0020]—種太陽能風栗獨立型隧道自然通風方法，首先利用太陽能加熱太陽能熱水器組中的水，利用被加熱后的水作為中間介質通過熱交換器再加熱煙囪中的空氣，加熱后的空氣能夠加速流出煙囪進而使通風豎井出口端形成負壓，最后通過負壓抽出隧道內的污染空氣。
[0021]與現有技術相比，本發明具有以下有益的技術效果:
[0022]本發明系統利用太陽能對太陽能熱水器中的中間介質一一水進行加熱，經過加熱后的水通入設置在煙囪中的熱交換器中，熱交換器通過換熱將從通風豎井出口端流出的空氣加熱，空氣受熱后會加速從煙囪中流出，熱空氣加速流出后形成的負壓即能夠抽出隧道內的污染空氣，從而實現隧道內的自然通風功能，因為不需要電力驅動通風機配合，保證了避免電力消耗條件下實現隧道自然通風的理想效果。
[0023]進一步地，設置熱水罐及回水罐，熱水罐可以用于貯存太陽能熱水器流出的熱水，并對熱水保溫，使自然通風系統在晚上等無太陽照射時段繼續運行，從而實現隧道內全天候24小時的自然通風功能；回水罐則是作為貯存回流水以備重新被太陽光加熱后把熱能貯存于熱水罐中。
[0024]進一步地，設置熱水栗及循環栗、熱水溫度傳感器及風流量傳感器、控制器，使熱水栗、風流量傳感器以及控制器形成第一閉環控制回路，控制器能夠通過風流量傳感器的檢測數據控制熱水栗的轉速；而循環栗、熱水溫度傳感器以及控制器形成第二閉環控制回路，控制器能夠通過熱水溫度傳感器的檢測數據控制循環栗的轉速，實現整個系統的自動控制。
[0025]進一步地，設置有能夠為第一閉環控制回路和第二閉環控制回路供電的光伏電池板及蓄電池，避免由山下把動力電源輸送到山上通風豎井出口處的一次性投入資金，大幅度減少了系統成本。
[0026]進一步地，熱交換器的熱水管道的周向上均勻分布有若干散熱片，從而實現大面積與經過的空氣直接接觸而達到很好的傳熱效果。
[0027]進一步地，煙囪的外側設置有保溫層，能夠有效的保證煙囪中換熱的高效進行，煙囪的頂部設置有防雨罩，避免陰雨天氣對系統穩定性的影響。
[0028]進一步地，采用平板太陽能熱水器并聯安裝方便，簡單，占地面積小，不受安裝環境限制，而且采熱率高，非常節能。
[0029]本發明方法中太陽能熱水器把水介質加熱后貯存于熱水罐中，再由熱水栗根據需要自動輸送到安裝于煙囪內的熱交換器，通過加熱空氣后加速從煙囪流出后在通風豎井出口處形成的強大負壓抽出隧道內的污染空氣，從而在不消耗電能情況下獨立實現隧道內全天候24小時的自然通風功能，太陽能利用率高，由于采用比熱系數很大的水作為太陽熱能貯存介質，實現了在晚上等沒有太陽光的情況下太陽能風栗仍然能夠正常工作。
【附圖說明】
[0030]圖1為本發明的超長隧道自然通風示意圖；
[0031]圖2為本發明的系統的簡易結構示意圖；
[0032]圖3為本發明的平板分立式系統的具體結構示意圖；
[0033]圖4為本發明的平板組合式系統的具體結構示意圖；
[0034]圖5為本發明的熱交換器在煙囪中的布置示意圖；
[0035]圖6為本發明的圖3和圖5中A處的橫截面放大示意圖。
[0036]其中，1、山體;2、太陽能風栗系統;3、通風豎井;4、太陽能熱水器;5、熱水溫度傳感器;6、熱水罐;7、熱水栗;8、防雨罩;9、煙囪；10熱交換器；11、保溫層；12、風流量傳感器；13、控制器；14、回水罐；15、循環栗；16、光伏電池板及蓄電池；17、熱水管道；18、散熱片；19、隧道。
【具體實施方式】
[0037]下面結合附圖對本發明作進一步詳細描述:
[0038]參見圖1至圖6，一種太陽能風栗獨立型隧道自然通風系統，主要由太陽能熱水器4，貯水罐、循環栗15、熱交換器10和煙囪9以及控制回路等組成。其中固定于通風豎井3出口地面的若干并聯的太陽能熱水器4組成平板太陽能熱水器組(如圖3所示分立式或者圖4所示組合式所示，圖4中的太陽能熱水器4僅為太陽能熱水器組的一個單元，以此表明太陽能熱水器與前后設備部件的連接關系)，具體形式取決于通風豎井3出口地面的位置以及需要功率大小等因素;貯水罐中的熱水罐6用來貯存熱量以備晚上等無太陽照射時段繼續提供能量保證自然通風系統繼續運行;而回水罐14則是作為系統中貯存回流水以備重新被太陽光加熱后把熱能貯存于熱水罐6中待用。風流量傳感器12、熱水栗7和控制器13組成第一閉環控制回路，根據檢測的通風豎井3出口處風流量與設計流量比較結果自動調節熱水栗7轉速，保證通風量達到設計要求;而熱水溫