基于太陽能棚熱技術和煙囪效應的公路隧道自然風利用系統的制作方法
【專利摘要】本發明公開了一種基于太陽能輻射加熱棚和蓄熱技術的公路隧道自然風利用系統及控制方法，包括公路隧道，在公路隧道上方設置有與隧道平行的管道，管道上分布有與隧道連通的通風口，管道連通豎井，豎井上連接有檢查箱，檢查箱連接集熱棚，在集熱棚內部設有多根加熱管，所述集熱棚內放置有低溫潛熱蓄熱材料，多根加熱管的進風口位置低于加熱管的出風口位置，集熱棚上方出口處連接與大氣連通的煙囪。該系統將太陽能煙囪效應、太陽能集熱技術和蓄熱技術綜合應用，不用機械動力解決隧道運營通風問題。可節約能耗，安全可靠。
【專利說明】
基于太陽能棚熱技術和煙囪效應的公路隧道自然風利用系統
技術領域
[0001] 本發明涉及隧道通風技術，特別涉及一種基于太陽能輻射加熱棚和蓄熱技術的公 路隧道自然風利用系統。
【背景技術】
[0002] 20世紀60年代中期出現石油危機，豎井送排式縱向機械通風取代了設備規模大、 投資較高、耗能較多的全橫向通風方式與半橫向通風方式，如日本關越一線隧道(10926m)、 惠那山二線隧道(8649m)。豎井送排式縱向機械通風能夠快速的實現隧道全程通風，但其用 電量巨大，能源利用率相對低，且現今世界能源資源的日益匱乏，無動力通風方式的重要性 日益顯現，但現有的研究和實踐仍局限于煙囪效應的利用、自然通風與機械通風的配合應 用。
[0003]
【申請人】研究發現，在公路隧道內產生自然通風驅動力主要是風壓作用和熱壓作 用，因而在多數公路隧道內建有一定高度的豎井，利用豎井上下壓差及其溫差驅動隧道內 的空氣沿著有垂直坡度的豎井空間向上升或下降，從而加強空氣的對流運動，即所謂的"煙 囪效應"。在多個專業領域，人們提出了自然能源的利用。為此
【申請人】考慮利用煙囪效應結 合太陽能棚熱技術來實現對多種自然能源的利用，實現隧道通風。這幾種能源的組合利用 必將實現我國甚至于世界公路隧道界通風領域的創新，改變隧道通風技術的建設思路和模 式，實現公路隧道建設的節能環保的發展。
【發明內容】
[0004] 本發明的目的在于，提供一種基于太陽能輻射加熱棚和蓄熱技術的公路隧道自然 風利用系統，該系統將太陽能煙囪效應、太陽能集熱技術和蓄熱技術綜合應用，不用機械動 力解決隧道運營通風問題。可節約能耗，安全可靠。
[0005] 為了實現上述任務，本發明采用以下技術解決方案予以實現：
[0006] -種基于太陽能輻射加熱棚和蓄熱技術的公路隧道自然風利用系統，包括公路隧 道，其特征在于，在公路隧道上方設置有與隧道平行的管道，管道上分布有與隧道連通的通 風口，管道連通豎井，豎井上連接有檢查箱，檢查箱連接集熱棚，在集熱棚內部設有多根加 熱管，所述集熱棚內放置有低溫潛熱蓄熱材料，多根加熱管的進風口位置低于加熱管的出 風口位置，集熱棚上方出口處連接與大氣連通的煙囪。
[0007] 根據本發明，所述集熱棚產生的自然通風力大于豎井通風阻抗力。
[0008] 所述豎井直徑為100cm~200cm。
[0009] 所述多根加熱管的進風口均與檢查箱無縫相接，多根加熱管的出風口與煙囪無縫 相接。
[0010] 所述集熱棚選擇圓形鍍膜玻璃材質制成。
[0011] 所述的多根加熱管每根的直徑為0.2m。
[0012] 所述煙囪內部風阻小于集熱棚內部的加熱管道內部風阻。
[0013] 所述煙囪的高寬比大于2.5:1。
[0014] 本發明的基于太陽能輻射加熱棚和蓄熱技術的公路隧道自然風利用系統，區別于 已知的《基于煙囪效應的公路隧道自然通風方法及系統》（申請號:201610113102.3)，第一， 可以滿足全年300天以上的通風需求，包括夜間和陰雨天等無太陽照射情況。第二，受熱媒 介不為水而是采用更高蓄熱能力的新型相變蓄熱材料，利用太陽輻射加熱置于集熱棚中的 新型相變(低溫潛熱）蓄熱材料，使集熱棚內部溫度升高，和通過豎井連通的隧道內部產生 溫差，從而將熱能轉換成空氣流動的動能，達到通風換氣的作用。第三，在于無太陽能情況 下不需要開啟電力通風系統，通過蓄熱功能實現自然通風。
[0015] 經現場觀測、試驗及仿真證明，本發明的太陽能輻射加熱棚和蓄熱技術的公路隧 道自然風利用系統，對溫差、通風阻力、超靜壓差等影響隧道自然風通風的因素進行綜合判 斷分析，給出豎井的長度和直徑影響因素下隧道通風阻力的計算公式以及溫差對隧道通風 的影響計算公式。所帶來的技術創新點是：
[0016] (1)提出了隧道內部通風阻力的計算方法。
[0017] (2)在現有定性分析溫度影響風速的基礎上，通過建立回歸模型，定量的給出了溫 差和風速之間的關系。
[0018] (3)定量分析得到了集熱棚的具體集熱總量以及集熱效率。
[0019] (4)定量分析得到煙囪的高度，直徑等因素對自然通風的風速影響
[0020] (5)給出隧道口與豎井口的壓強差的計算公式，并定性分析壓強差對通風效果的 影響。
[0021] (6)通過建立真實的試驗系統證明該方案可以節省80 %隧道風機的開啟數量。
【附圖說明】
[0022] 圖1是本發明的基于太陽能輻射加熱棚和蓄熱技術的公路隧道自然風利用系統結 構示意圖。
[0023] 圖2是應用實驗例1的小型系統結構示意圖。
[0024] 圖3是應用實施例2的大型系統洞外工程設施布置示意圖。
[0025]下面結合附圖和實施例對本發明作進一步詳細說明。
【具體實施方式】
[0026]參照圖1，本實施例給出一種基于太陽能棚熱技術和煙囪效應的公路隧道自然風 利用系統，包括公路隧道，在公路隧道上方設置有與隧道平行的管道6,管道6上分布有與隧 道連通的通風口，管道6連通豎井1，豎井1上連接有檢查箱2，檢查箱2連接集熱棚4，在集熱 棚4內部設有多根加熱管3,所述集熱棚4內放置有低溫潛熱蓄熱材料，多根加熱管3的進風 口位置低于加熱管3的出風口位置，集熱棚4上方出口處連接與大氣連通的煙囪5。
[0027]本實施例中，所述集熱棚4產生的自然通風力大于管道6的通風阻抗力。
[0028] 豎井1直徑為100cm~200cm。
[0029] 多根加熱管3的進風口均與檢查箱2無縫相接，多根加熱管3的出風口與煙囪5無縫 相接。這樣有利于加熱管3內的熱空氣從加熱管3的頂部通過煙囪5輸送到大氣中。
[0030] 集熱棚4設于隧道外的山坡面上，集熱棚4選擇圓形鍍膜玻璃材質制成。
[0031] 多根加熱管3每根直徑為0.2m。
[0032] 煙囪5內部風阻小于集熱棚4內部的加熱管道3內部風阻。煙囪5的高寬比大于2.5: 1〇
[0033]加熱管3多個;并且所有加熱管兩端管口均與檢查箱2無縫相接，加熱管3的進風口 位置低于加熱管3的出風口位置，
[0034]工作時，加熱管3內部的低溫潛熱蓄熱材料與空氣進行熱交換，使加熱管3內的空 氣溫度升高，受熱空氣由于密度下降而上升，通過加熱管3的上部進而從煙囪5排出去，從而 使得加熱管3的下部空氣壓力變小，使得隧道內的空氣通過豎井1進入加熱管3,形成了隧道 內空氣通過加熱管3到煙囟5輸送到大氣中的循環通風系統。
[0035] 1、通風阻抗力&?1滿足公式：
[0039] 式中：APr:管道通風阻力；
[0040] 程摩擦阻力；
[0041 ] A Ρα:局部阻力；
[0043] L:管道長度；
[0044] D:管道直徑；
[0045] p:空氣密度；
[0046] Vr:管道內風速；
[0047] ζ?:局部阻力系數；
[0048] Δ:平均壁面粗糙度；
[0049] 2、溫度與風速之間存在著一定的函數關系，但是由于不同管徑下通風阻力不同， 擬合關系也并不相同。由經驗公式可以看出，當集熱棚4內溫度與室外溫度的溫差越大時， 產生的風速越大，當通風阻力越小時，相同情況下，產生的風速越大。溫差的大小與通風風 速滿足以下公式：
[0050] y = ax2+bx+c，其中：
[0051 ]當 X取0 · 5m時，a取 23 · 556，b取-3 · 6325，c取0 · 048;
[0052] 當 X取0 · 75m時，a取6 · 877，b取-2 · 4218，c取0 · 2101;
[0053] 當 X取 1 · 〇m時，a取 3 · 5854，b取-1 · 8013，c取0 · 1432。
[0054] 上述公式在僅適用于溫差0~20°C，室外氣溫在零下45°C~100°C之間進行使用計 算。
[0055] 3、太陽能蓄熱系統的研究是保證太陽能煙囪熱氣流通風系統可持續性工作的重 要環節。集熱棚4中的低溫潛熱蓄熱材料吸收太陽輻射后加熱空氣，使得隧道內空氣在集熱 棚4內的環境溫度??增高到出口溫度Tout。設空氣的質量流率為m，定比熱容為CP，則單位時 間內空氣吸收的熱能為：
[0056] Q=mcP(T〇ut-T〇〇) =mcP Δ Τ (4)
[0057] 公式（4)中，m = p · · S
[0058] 其中P為溫度1^時的空氣密度，Vcmt為集熱棚，4出口（煙肉入口處）的空氣流速，S 為煙囪5入口處的橫截面積。
[0059] 設太陽輻射密度為G，集熱棚采光面積為S。，集熱棚總共采熱能總量為：
[0060] Qc〇ii = GSc (5)
[0061 ]因此集熱棚4的熱轉換效率η為：
[0063] 集熱棚4的效率涉及到的參數很多，除了受熱面積、體積之外，還有入口處的雷諾 數、對流換熱系數等，其中
[0064] (1)對流換熱系數先在進口處逐漸減小，隨后，沿半徑方向慢慢增大，在接近中心 處，達到最大值，然后急劇減小。
[0065] (2)在進口處，溫度升高很快，之后，溫度繼續升高，但是變化越來越緩慢，最后趨 于一定值。
[0066] (3)氣流穩定后，隨著半徑的增加，效率逐漸減小的。接近中心(煙囪）位置處，效率 趨于定值(低于1 %)。
[0067] 4、在長隧道的兩個洞口，或是隧道口與豎井口的壓強差卻往往與計算當中的靜壓 差不相等。這時，有Δ P = P1-P2_Pgh乒0
[0068] 其中Pi、P2:表示相近但不等高的兩點壓強；
[0069] pgh:靜壓差；
[0070] ΔΡ:超靜壓差；
[0071 ]得風速與超靜壓差的關系為：
[0073] 其中，CD:流量系數，取0.6;
[0074] Δρ:出入口空氣密度差；
[0075] Αο:煙囪的橫截面面積；
[0076] F:空氣密度；
[0077]當超靜壓差產生的氣流與太陽能煙囪產生的氣流方向一致時，超靜壓差對太陽能 煙囪的效果有加強作用，反之有削減作用。
[0078] 5、風速與煙囪垂直高度的開方成正比。即，當煙囪高度增加了X倍，通風速率也將 增加倍，另外，在忽略通風阻力變化的情況下，按氣體密度p=l .〇kg/m3計算，將出口面 積擴大y倍，風速將變為原先的
[0079]本實施例給出的基于太陽能輻射加熱棚和蓄熱技術的公路隧道自然風利用系統， 利用太陽能加熱管技術和煙囪效應，加熱管內被加熱的空氣之間的對流換熱使加熱管內的 空氣溫度升高，受熱空氣由于密度下降而上升，通過加熱管上部的出風口進入熱流煙囪將 空氣輸送出去，同時隧道內的空氣通過通風連接管進入加熱管，形成了隧道內空氣通過加 熱管從熱流煙囪輸送到大氣中的循環通風系統。適合于任何有太陽照射地方的隧道，無需 消耗其他能量。集熱棚4白天能吸收利用并存儲一部分能量在蓄熱層，使得通風系統不但白 天能夠持續工作，而且晚上蓄熱層也能持續釋放能量，保證此在夜間沒有太陽的情況下也 可持續運行，加熱管3的大小等根據實際需要的通風量來確定。另外，在發生火災時，該基于 太陽能輻射加熱棚和蓄熱技術的公路隧道自然風利用系統能夠將隧道內的煙塵抽出，而且 不會因為火災而影響隧道內的通風換氣，值得推廣應用。如果連續多日為陰雨天，使加熱管 3不能進行加熱的，可以另外在熱流的煙囪5上安裝換氣風機，在需要時進行輔助通風換氣。
[0080] 應用實驗例1:小型系統
[0081] 參見圖2,小型系統制作一個簡易的集熱棚4,實驗平臺設有兩個進風口和一個排 風煙囪5。并在簡易集熱4內部放置一個溫度計，煙囪5的出風口高度高于兩個進風口的高 度，實驗平臺置于太陽光線條件良好的區域。實物實驗平臺尺寸如表1所示。
[0082]表1:簡易集熱棚實驗平臺尺寸
[0084]本實驗通過人工采集記錄的方法分別對不同工況、不同管徑下的實驗數據進行采 集記錄，采集的數據主要包括：當天氣候、實驗平臺進出口風速、實驗平臺進出口風向、集熱 棚4內溫度、室外溫度。通過對實驗平臺集熱棚4內溫度與室外溫度溫差和出口風速進行分 析，最終，得出溫差與自然風速以及通風阻力與自然風速之間的關系，驗證了本發明在隧道 中應用的可行性。應用實施例2:大型系統
[0085]大型系統為某2000m隧道通風工程，洞外工程按圖3進行布設，包括豎井1，豎井1出 口通過第一檢查箱2接多跟加熱管3，多跟加熱管3位于集熱棚4中，集熱棚4設于隧道外的山 坡面上，集熱棚4中有低溫潛熱蓄熱材料，為了方便起見，加熱管3的另一端出口也用第二檢 查箱2無縫隙連接起來，加熱管3出口通過通風管道連接煙囪5。
[0086] 施工主要是山頂的煙囪5設置、集熱棚4建造與安裝，兩個檢測箱3與多跟加熱管3 的連接(如圖3)。另外，為了保證集熱棚4的穩定性，每個集熱棚4的基礎基座與坡面基巖采 用植筋連接。
[0087] 該大型系統的應用效果如下表所示。
[0088] 應用效果表(采集集熱棚內四月整月數據平均）：
【主權項】
1. 一種基于太陽能輻射加熱棚和蓄熱技術的公路隧道自然風利用系統，包括公路隧 道，其特征在于，在公路隧道上方設置有與隧道平行的管道(6)，管道(6)上分布有與隧道連 通的通風口，管道(6)連通豎井（1)，豎井（1)上連接有檢查箱（2)，檢查箱（2)連接集熱棚 (4)，在集熱棚(4)內部設有多根加熱管(3)，所述集熱棚(4)內放置有低溫潛熱蓄熱材料，多 根加熱管(3)的進風口位置低于加熱管（3)的出風口位置，集熱棚(4)上方出口處連接與大 氣連通的煙囪（5)。2. 如權利要求1所述的基于太陽能輻射加熱棚和蓄熱技術的公路隧道自然風利用系 統，其特征在于，所述集熱棚(4)產生的自然通風力大于管道(6)的通風阻抗力。3. 如權利要求1所述的基于太陽能輻射加熱棚和蓄熱技術的公路隧道自然風利用系 統，其特征在于，所述豎井（1)直徑為l〇〇cm~200cm〇4. 如權利要求1所述的基于太陽能輻射加熱棚和蓄熱技術的公路隧道自然風利用系 統，其特征在于，所述多根加熱管(3)的進風口均與檢查箱(2)無縫相接，多根加熱管(3)的 出風口與煙囪（5)無縫相接。5. 如權利要求1所述的基于太陽能輻射加熱棚和蓄熱技術的公路隧道自然風利用系 統，其特征在于，所述集熱棚(4)選擇圓形鍍膜玻璃材質制成。6. 如權利要求1所述的基于太陽能輻射加熱棚和蓄熱技術的公路隧道自然風利用系 統，其特征在于，所述的多根加熱管(3)每根直徑為0.2m。7. 如權利要求1所述的基于太陽能輻射加熱棚和蓄熱技術的公路隧道自然風利用系 統，其特征在于，所述煙囪（5)內部風阻小于集熱棚(4)內部的加熱管道(3)內部風阻。8. 如權利要求1所述的基于太陽能輻射加熱棚和蓄熱技術的公路隧道自然風利用系 統，其特征在于，所述煙囪（5)的高寬比大于2.5:1。
【文檔編號】E21F1/18GK106089282SQ201610607526
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2016年7月28日 公開號201610607526.5, CN 106089282 A, CN 106089282A, CN 201610607526, CN-A-106089282, CN106089282 A, CN106089282A, CN201610607526, CN201610607526.5
【發明人】鄭晅, 李雪, 洪盛
【申請人】長安大學