CN104879839A - 一种特长公路隧道洞内值班室组合式空气净化系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种特长公路隧道洞内值班室组合式空气净化系统，包括设置于隧道车行横洞内的室外净化过滤机组，在室外净化过滤机组中设置有过滤装置、混流腔和送风装置，过滤装置设置于混流腔的两侧，从隧道中采集的空气经过混流腔一侧的过滤装置后进入混流腔，在混流腔中与值班室内导出的空气进行混合后经过混流腔另一侧的过滤装置，然后通过送风装置送入值班室中。本发明将空气净化与制氧技术结合，首次应用于特长公路隧道值班室空气质量改善，提出了一种可满足工作人员24小时工作所需的空气净化、循环和控制方法，可最大程度提高净化效率，减少维护频率，尤其是活性碳再生次数，降低运营成本。

Description

一种特长公路隧道洞内值班室组合式空气净化系统及方法

技术领域

本发明涉及一种特长公路隧道洞内值班室组合式空气净化系统及方法，具体是一种特长公路隧道洞内封闭专用值班室空气循环净化与制氧组合装置，及其监测控制系统与方法。

背景技术

随着我国公路运输行业的发展，公路隧道的数量和规模都在不断地增大。对于特长公路隧道，其隧道运营安全和防灾救援问题十分突出。为了火灾预防与快速处理，在隧道内部的车行横通道处设置专用值班室，消防人员24小时值班，极大地提高了隧道运营的安全。但是，随着车流量的增加，隧道内空气质量下降，而值班室一般处于隧道两主洞中间位置，空气难以流通，污染物易聚集于此，使得值班室工作环境恶化，对工作人员的身心造成不利的影响。

公路隧道内空气中污染物主要包含：颗粒物、一氧化碳、碳氢化合物和氮氧化合物等，污染物浓度一旦超过标准，会对人体产生巨大的危害。因此，应采取有效措施，净化值班室空气，提高空气质量，确保消防人员安全。

特长公路隧道均设有通风系统，是为满足主洞内行驶车辆短时需求的空气质量标准而设计，但无法满足洞内值班室的空气质量需求。此外，本发明有别于矿井、石化等行业所用的通风换气系统，由于隧道值班室距离新风源大于2公里；也有别于常规的医院、医药企业等空气净化系统，污染源主要由汽车排放所引起。

发明内容

本发明目的在于，提供一种特长公路隧道洞内值班室组合式空气净化系统，主要用于长度大于6km的特长公路隧道内，距离隧道洞口超过2km以上的洞内有人值班室空气质量改善，使值班室内空气质量达到《室内空气质量标准》GB/T18883-2002的要求。

为了实现上述目的，本发明采用如下的技术方案：

一种特长公路隧道洞内值班室组合式空气净化系统，包括设置于隧道车行横洞内的室外净化过滤机组，在室外净化过滤机组中设置有过滤装置、混流腔和送风装置，过滤装置设置于混流腔的两侧，从隧道中采集的空气经过混流腔一侧的 过滤装置后进入混流腔，在混流腔中与值班室内导出的空气进行混合后经过混流腔另一侧的过滤装置，然后通过送风装置送入值班室中。

进一步地，所述的室外净化过滤机组包括一个密封的矩形的安装箱，所述的过滤装置包括在安装箱内部沿长度方向从安装箱的后端至前端依次设置的过滤部件，这些部件包括第一初效过滤器、第一静电集尘器、第一活性炭层和第二活性炭层，每一个过滤部件均与安装箱的内壁紧密设置，使每个过滤部件与相邻的过滤部件以及安装箱内壁之间构成单独的腔体；所述的混流腔为第一静电集尘器与第一活性炭层之间的腔体。

进一步地，所述的送风装置设置于室外净化过滤机组内部的前端，送风装置包括第一风机和均流板，室外净化过滤机组的前端通过送新风管与值班室连接，室外净化过滤机组的后端通过进风管与设置在隧道中的取风口连接。

进一步地，所述的第一初效过滤器和进风管之间设置有水洗过滤器，水洗过滤器包括高压喷头，高压喷头设置在安装箱内顶面上，高压喷头下方设置有倾斜的集水槽，集水槽位置较低的一端通过排水管与隧道内的排污管连接，高压喷头靠近第一初效过滤器的一侧设置有挡水板；集水槽位置较高的一端与挡水板之间设置有过滤网；所述的高压喷头通过取水管与设置在安装箱一侧的水箱连接。

进一步地，所述的隧道车行横洞内设置有室外富氧机组，室外富氧机组包括矩形的过滤箱和富氧机，过滤箱的后端侧壁上安装有第一进气栅，过滤箱前端侧壁上设置有供气管，供气管与富氧机连接；在过滤箱内部沿后端至前端的方向依次设置有第二初效过滤器和第二静电集尘器；在富氧主机上设置有废气管和氧气管，空气经过滤箱过滤后进入富氧机，富氧机通过废气管排除氮气，并将氧气利用氧气管送入值班室中。

进一步地，所述的系统还包括设置在值班室内的室内柜机，室内柜机包括一个密封的矩形柜，矩形柜通过隔板分为上下两部分，隔板上设置有通气阀；所述的氧气管连接在矩形柜上部分的后端，矩形柜上部分的前端设置有出气栅；矩形柜的外侧设置有回风管，回风管连接室外净化过滤机组中的混流腔；所述的送新风管连接在矩形柜下部分后端；矩形柜下部分的前端设置有第二进气栅，在矩形柜下部分按照由下至上的方向依次设置有第二风机、第三初效过滤器、高压静电网和第三活性炭层。

进一步地，所述的值班室的顶面上安装有排风百叶窗，排风百叶窗上连接有排风管，排风管延伸至隧道车行横洞中。

进一步地，所述的值班室内设置有监控系统，监控系统包括处理器、连接在处理器上的触摸式显示屏、气体检测器、温度传感器，其中处理器与第一风机、第二风机、富氧机、通气阀连接，而在进风管、取水管、氧气管、送新风管、回风管上均安装有电磁阀，这些电磁阀通过处理器控制。

一种特长公路隧道内值班室组合式空气净化方法，包括以下步骤：

步骤一，设置工作模式切换阈值参数t₁和t₂，工作模式包括室内循环模式、室内外混合循环模式、室外循环模式；设定系统初始状态时，第一风机、第二风机、富氧机、通气阀和所有电磁阀均处于关闭状态；

步骤二，监控系统判定当前值班室内的空气参数值t，如室内空气参数值t≤t₁，则控制系统工作在室内循环模式；如t₁＜t≤t₂，则控制系统工作在室内外混合循环模式；如t＞t₂，则控制系统工作在室外循环模式；

室内循环模式时，系统首先恢复初始状态，然后打开富氧机、氧气管、第二风机和通气阀，值班室内的空气由第二风机驱动，依次经过第二进气栅、第三初效过滤器、高压静电网、第三活性炭层和通气阀后进入矩形柜的上部分，与氧气管输送来的经由富氧机产生的氧气混合后，从出气栅进入到值班室中；

室内外混合循环模式时，系统首先恢复初始状态，然后打开富氧机、氧气管、第一风机、进风管、取水管、送新风管、回风管和通气阀，此时隧道中的空气依次经过进风管、水洗过滤器、第一初效过滤器、第一静电集尘器进入到混流腔中，与经过回风管从值班室中导入到混流腔中的空气以一定比例混合后，经过均流板、送新风管进入矩形柜的下部分，依次经过第三初效过滤器、高压静电网、第三活性炭层和通气阀后进入矩形柜的上部分，与氧气管输送来的经由富氧机产生的氧气混合后，从出气栅进入到值班室中；

室外循环模式时，系统首先恢复初始状态，然后打开富氧机、氧气管、第一风机、进风管、取水管、送新风管和通气阀，此时隧道中的空气依次经过进风管、水洗过滤器、第一初效过滤器、第一静电集尘器、混流腔、均流板、送新风管进入矩形柜的下部分，依次经过第三初效过滤器、高压静电网、第三活性炭层和通 气阀后进入矩形柜的上部分，与氧气管输送来的经由富氧机产生的氧气混合后，从出气栅进入到值班室中。

进一步地，所述的空气参数值是由值班室内有害气体浓度、氧气浓度和温度以不同的权重计算出的综合值，t＝aρ₀+bρ₁+cρ₂，其中ρ₀为值班室内有害气体浓度，ρ₁为氧气浓度，ρ₃为温度，a、b、c为权重系数，由用户设定。

本发明与现有技术相比具有以下技术特点：

(1)将空气净化与制氧技术结合，首次应用于特长公路隧道值班室空气质量改善，提出了一种可满足工作人员24小时工作所需的空气净化、循环和控制方法。

(2)专门针对特长公路隧道内汽车排放污染，对距离洞口取风点大于两公里的值班室，提出了主洞内取风净化方法；提出了取风点设置方法；提出了系统设备规格的计算方法；同时解决了双洞双向特长公路隧道中，由于车行横洞零风压，值班室空气难以流通导致的污染物聚集问题。

(3)本发明系统中，提出了三种循环工作模式，给出了三种工作模式切换的条件和流程，优先工作顺序为：室内循环、室内外混合循环，室外循环。可缓解设备压力，有效延长设备寿命。

(4)本发明提出了系统工作的风量平衡关系，可以此关系为基础，得出应用于特长公路隧道有人值班室换气通风系统的设计方法。

(5)设计了5种控制流程，实现了三种循环工作模式，将空气净化、制氧和监控功能有机结合，有效地实现公路隧道内的应用。

(6)针对公路隧道值班室主要污染物成份，经反复实验，设计了一种净化过滤段顺序。采用多目金属过滤网、水洗净化段、静电集尘段、第一活性碳过滤段和第二活性碳过滤段的过滤净化顺序，可最大程度提高净化效率，减少维护频率，尤其是活性碳再生次数，降低运营成本。

附图说明

图1为本发明的平面俯视图；

图2为室外净化过滤机组的A向剖视图；

图3为室内柜机后端面的纵向剖视示意图(图1中B向)；

图4为室内柜机前端面的示意图(图1中C向)

图中标号代表：I—室外净化过滤机组，II—室内柜机，III—室外富氧机组，1—废气管，2—第一进气栅，3—第二初效过滤器，4—第二静电集尘器，5—第一压差计，6—过滤箱，7—供气管，8—富氧机，9—氧气管，10—排风管，11—排风百叶窗，12—进风管，13—第一压差计，14—取风口，15—第一静电集尘器，16—混流腔，17—第一活性炭层，18—第二活性炭层，19—送新风管，20—均流板，21—水洗过滤器，211—水箱，212—高压喷头，213—集水槽，214—排水管，22—挡水板，23—第一初效过滤器，24—第一风机，25—回风管，26—隔板，27—通气阀，28—第三活性炭层，29—高压静电网，30—第三初效过滤器，31—第二风机，32—出气栅，33—第二进气栅。

具体实施方式

国际隧道协会(ITA)按照隧道的长度将隧道分为短隧道、中长隧道、长隧道和特长隧道。长度大于3km的隧道为特长隧道。一般情况下，长度大于6km公路隧道会设置有人消防值班室，值班室开凿设置于特长公路隧道车行横洞的侧壁中。因此，本发明所涉及的系统与方法适用于长度大于6km的特长公路隧道，针对这种设置于隧道的横通道中的值班室，给出了一种净化系统和方法。

本发明的整体系统结构如图1所示。一种特长公路隧道洞内值班室组合式空气净化系统，包括设置于隧道车行横洞内的室外净化过滤机组I，在室外净化过滤机组I中设置有过滤装置、混流腔16和送风装置，过滤装置设置于混流腔16的两侧，从隧道中采集的空气经过混流腔16一侧的过滤装置后进入混流腔16，在混流腔16中与值班室内导出的空气进行混合后经过混流腔16另一侧的过滤装置，然后通过送风装置送入值班室中。

由于特长公路隧道中值班室的位置较深，空气质量差，而且长隧道内部汽车尾气含有的一氧化碳、氮氧化物、颗粒物等，在隧道中难以消散，因此导致隧道中整体空气中氧气含量较外部低。那么本发明的思路就是要合理全面利用横通道和值班室中的氧气，确保氧气含量能达到使用要求。本方案中最主要的结构是位于隧道车行横洞内的室外净化过滤机组I，该机组为值班室中提供充足的空气供应。公路隧道的车行横洞一般用来在隧道塌方、火灾等事故时方便车辆和人员的逃生。而对于特长隧道，一般会将值班室这在隧道车行横洞中，一般开设于横洞侧壁中，其位置如图1所示。由于车行横洞连接公路隧道，其中空气流动较隧道 中好，空气质量也相对较好，而且空间也较为充足，因此选择将室外净化过滤机组I设置在车行横洞内。对于横洞内采集的空气进行净化，主要是过滤空气中的杂质颗粒、一氧化碳和氮氧化物，因此在机组中设置了过滤装置。机组中的混流腔16，其设置目的是为了充分利用值班室中已经用过的空气。因为值班室中在净化过程中也是流动的，如直接将值班室中的空气排除，会非常浪费，因为在长隧道内部净化空气的成本是比较高的。值班室中的人员呼吸消耗了一部分氧气，而排出值班室的空气中有害气体、杂质的含量会远较值班室外的低。因此在混流腔16中可以将值班室回流的空气充分利用起来，与经过过滤装置的空气进行一定比例的混合，再经过混流腔16另一侧的过滤装置，这样就减小了空气净化成本，有利于室外净化过滤机组I长期稳定运行。

室外净化过滤机组I

室外净化过滤机组I包括一个密封的矩形的安装箱，所述的过滤装置包括在安装箱内部沿长度方向从安装箱的后端至前端依次设置的过滤部件，这些部件包括第一初效过滤器23、第一静电集尘器15、第一活性炭层17和第二活性炭层18，每一个过滤部件均与安装箱的内壁紧密设置，使每个过滤部件与相邻的过滤部件以及安装箱内壁之间构成单独的腔体；所述的混流腔16为第一静电集尘器15与第一活性炭层17之间的腔体。

过滤装置分为两部分，其中第一部分为第一初效过滤器23和第一静电集尘器15，主要用来去除空气中的杂物、烟气；空气经初步处理后，进入到混流腔16中，可根据值班室内空气质量参数选择是否与值班室内的回流空气进行混流。混流腔16中经过混流或未经混流的空气，经过另一部分过滤装置，主要由第一活性炭层17和第二活性炭层18构成。第一活性炭层17主要过滤空气中的CO、CmHn，NOx、硫化物等有害成份，第二活性炭层18为CO专用活性炭层，主要消除值班室中危害最大的CO。

第一初效过滤器23采用网状的长效无纺布，其作用是吸附过滤隧道空气污染物中的颗粒物等。在第一初效过滤器23上安装有第一压差计135，其采集第一初效过滤器23的工作数据，用于提醒更换该第一初效过滤器23。第一压差计135采用电子压差计，具有灯光报警功能，当初效过滤器过滤能力不合格时，压差计报警提醒更换第一初效过滤器23。第一初效过滤器23需要定时更换清洗， 维护频率不低于1月/次。第一静电集尘器15采用双电压平板静电集尘器，其利用高压直流不均匀电场吸附污染物，通过振打装置使粉尘等污染物落入灰斗而使烟气净化，需要定时清洗，维护频率不低于1月/次；第一活性炭层17采用蜂窝式活性炭，可吸附混流后的剩余污染物，需要定期再生，其维护频率不低于1月/次；CO消除专用活性碳针对对值班室人员危害最大，常规方法不易消除的CO成份专用吸附，CO消除专用活性碳采用圆柱形活性炭，通过深度活化和孔径调节工艺，使活性炭有丰富的微孔孔径，专用活性炭为小分子孔隙结构，半径<150nm。有别于普通活性炭半径>20000nm的大分子孔隙结构；活性碳需要定期再生，其维护频率不低于1月/次；均流板20采用不锈钢材质。

送风装置设置于室外净化过滤机组I内部的前端，送风装置包括第一风机24和均流板20，室外净化过滤机组I的前端通过送新风管19与值班室连接，室外净化过滤机组I的后端通过进风管12与设置在隧道中的取风口14连接。

第一风机24是室外净化过滤机组I的动力源，第一风机24运行后在安装箱中产生气压差，促使空气流动，将净化后的空气输送到值班室中。优选的，风机功率大小为2～5kw，变频控制，宜采用一主一备，便于系统24小时稳定工作。由于值班室位于隧道深处，对于新风的采集，是通过设置在公路隧道主洞的取风口14完成的，取风口14的设置应尽量远离车行横洞，经实际测量，公路隧道内距离车行横洞越远空气质量越好，但采风用的进风管12的成本就越高；综合考虑进风管12的成本和取风质量，取风口14一般设置在沿隧道行车方向距离横通道不少于10m处。

取风口14可采用多目金属过滤网，取风方向与车流方向相反，可初步过滤树叶、塑料等隧道主洞内大颗粒异物，斜向地面倾斜30～45度角，便于在隧道地面使用高压水冲洗维护取风口14。可在进风管12上安装手动进风调节阀或进风百叶，调节进风进气量。均流板20设置在第二活性炭层18之后，使空气充分与CO接触，提高净化效率。在图1的示例中，气体流动方向是从安装箱的左侧至右侧。而本文中所提及的安装箱的前端和后端，其中后端是指安装箱远离值班室的一端，前端是靠近的一端。

上述各过滤段规格，由设备处理风量决定，而设备处理风量，由值班室的换气次数和污染物浓度决定。其中，机组管道内风速宜大于2m/s,且小于8m/s。风 机规格根据系统阻力及处理风量进行计算，满足以下计算公式：

Q_max＝V_indoor×N_max  (1) 

其中，Q_max为值班室最大换气量，V_indoor为值班室内体积，N_max为值班室最大换气次数；常规的值班室面积为20～50m²，换气次数可选2～16次/小时，常规选用4～8次/小时。

V_system＝V_indoor×(1+γ) γ∈[0.3,1]  (2)

其中，V_system为系统最大处理风量，Q_max为值班室最大换气量，γ为系统处理冗余系数；

对于公路隧道值班室每种污染物，主要成份如CO、矽尘、以及氮氧化物，每段过滤净化能力与系统风量满足如下关系：

$V_{\mathrm{system}}\&times;(d_p-d_a)=\underset{i=1}{\overset{k}{\mathrm{\&Sigma;}}}(c_k\&times;t_k)---\left(3\right)$

其中，V_system为系统最大处理风量，d_p为取风点处污染物浓度，d_a为国家标准污染物浓度值，c_k为各净化处段单位处理能，t_k为第i段污染物，k为过滤净化段个数。

利用公式(1)(2)(3)，针对不同值班室需求，结合成本分析，确定各过滤净化段规格尺寸。

为了使机组有着更好的过滤效果：

第一初效过滤器23和进风管12之间设置有水洗过滤器21，如图2所示，水洗过滤器21包括高压喷头212，高压喷头212设置在安装箱内顶面上，高压喷头212下方设置有倾斜的集水槽213，集水槽213位置较低的一端通过排水管214与隧道内的排污管连接，高压喷头212靠近第一初效过滤器23的一侧设置有挡水板22；集水槽213位置较高的一端与挡水板22之间设置有过滤网；所述的高压喷头212通过取水管与设置在安装箱一侧的水箱211连接。

水洗过滤器21主要由水箱211、高压喷头212和高效过滤网、集水槽213等构成，其作用是利用水喷淋的方法，专门水洗消除公路隧道汽车排放物中未完全燃烧的油性物质，水喷淋频率根据实际污染程度确定；可根据空气质量调节喷 淋的频率，有电控或手控两种方式。从新风管中采集的隧道中的空气，其中包含大量汽车尾气，而当这些气体进入到安装箱后端后，通过水喷淋使空气湿度增大，空气中的水分子对油性物质进行吸附，继而被过滤网阻挡；过滤网呈倾斜设置，在不断冲洗过程中油性物质被冲到集水槽213中继而被排除，而通过过滤网过滤后的空气，经过挡水板22的底部继续向安装箱的前端行进。挡水板22安装在安装箱内顶部，在挡水板22与安装箱底部之间留有充足空间供空气通过。

净化过滤方案运用了多次过滤和空气净化技术，设置原则主要根据公路隧道气体污染物成份，有针对性地消除矽尘、汽车尾气油烟、CO。汽车尾气油烟主要用水洗段和挡水段解决，经过多层过滤吸附有害气体后，针对危害最严重最难于消除的CO采用专用消除活性碳完成。本发明有别于矿井、石化等行业所用的通风换气系统，由于隧道值班室距离新风源大于2公里；也有别于常规的医院、医药企业等空气净化系统，污染源主要由汽车排放所引起。

室外富氧机组III

隧道内空气质量差，而空气中氧气的百分含量也较平均水平低，因此可选则在净化空气的同时提供更多的氧气供应，保持值班室内的氧气达到正常标准之上。隧道车行横洞内设置有室外富氧机组III，室外富氧机组III包括矩形的过滤箱6和富氧机8，过滤箱6的后端侧壁上安装有第一进气栅2，过滤箱6前端侧壁上设置有供气管7，供气管7与富氧机8连接；在过滤箱6内部沿后端至前端的方向依次设置有第二初效过滤器3和第二静电集尘器4；在富氧主机上设置有废气管1和氧气管9，空气经过滤箱6过滤后进入富氧机8，富氧机8通过废气管1排除氮气，并将氧气利用氧气管9送入值班室中。

室外富氧机组III主要包含过滤系统和制氧装置。过滤装置中处理的空气来自于车行横洞内，车行横洞内的空气较主隧道内清洁，但流动性与新风供给较主隧道差。过滤箱6能对横洞内的空气进行过滤，防止污染物堵塞富氧机8；而富氧机8通过分子筛原理分离经过处理的洁净空气中的N₂和O₂，然后通过废气管1将氮气排放到公路隧道中。废气管1的排气口设置在距离车行横洞不少于10米处，并且与取风口14分别位于车行横洞的两侧，方向相反；在第二静初效过滤器上安装有第二压差计，用于监控第二静电集尘器4的工作情况。富氧机8可增加值班室内的氧气含量，当值班室氧气浓度大于23％时，集成于室内柜机II中 的氧气含量监测控制系统控制制氧设备关闭，同样地，当氧气浓度小于21％时，控制制氧设备开启，以此保证室内氧气充足但不过高。

在室外富氧机组III中，第二初效过滤器3采用双层初效过滤海绵制成，其作用是吸附过滤隧道空气污染物中的颗粒等，需要定时更换清洗，维护频率不低于1月/次；第二静电集尘器4采用双电压平板静电集尘器，其利用高压直流不均匀电场吸附污染物，通过振打装置使粉尘等污染物落入灰斗中而使烟气净化，需要定时清洗，维护频率不低于1月/次；第二压差计为电子压差计，具有灯光报警功能，当第二初效过滤器3的处理能力不合格时，压差计监控到压力超出设定阈值，报警提醒更换初效过滤器。室外富氧机组III需设置备件箱，备用第二初效过滤器3和第二静电集尘器4各一件。

室内柜机II

为了使室内的空气净化过程更加顺利，也使空气能更好地达到使用标准，在值班室中可设置室内柜机II：

本系统还包括设置在值班室内的室内柜机II，室内柜机II包括一个密封的矩形柜，矩形柜通过隔板26分为上下两部分，隔板26上设置有通气阀27；所述的氧气管9连接在矩形柜上部分的后端，矩形柜上部分的前端设置有出气栅32；矩形柜的外侧设置有回风管25，回风管25连接室外净化过滤机组I中的混流腔16；所述的送新风管19连接在矩形柜下部分后端；矩形柜下部分的前端设置有第二进气栅33，在矩形柜下部分按照由下至上的方向依次设置有第二风机31、第三初效过滤器30、高压静电网29和第三活性炭层28。

如图1至图4所示，室内柜机II为立式结构，类似于立式冰箱。室内柜机II内部分为上下两部分，其中上部分用来进行空气的混合，下部分能对空气进行再次过滤。图3、图4给出的分别是室内柜机II的后端面、前端面的示意图；其中后端面的示意图为了清楚表现其结构，做了剖视处理。

共在室内柜机II上以及周边设置了三个管道：其中氧气管9一端和富氧机8连接，另一端连接在室内柜机II的上部分；送新风管19的一端连接在室外净化过滤机组I的前端，另一端连接在室内柜机II下端，具体可连接在第三初效过滤器30与室内柜机II底面之间的侧壁上；这样经过室外净化过滤机组I过滤处理后的空气，在进入到室内柜机II后，可以依次经过第三初效过滤器30、高 压静电网29、第三活性炭层28对气体进行再次的过滤处理，然后气体进入到室内柜机II的上部分中，和氧气管9供给的氧气进行混合，增加氧气含量，再通过出气栅32输送到值班室中。

室内柜机II中设置的第二风机31，是整个系统的另外一个动力源，与第一风机24可交错使用在不同的模式下。为了提高能源利用率，降低室外净化过滤机组I的使用频率，可利用室内柜机II与富氧机8配合，完成值班室内的空气自循环过程。由于值班室内的空气都是经过室外净化过滤机组I和室内柜机II过滤后的气体，其中有害物质、杂物颗粒等含量低，符合使用标准，只是经过室内值班人员消耗后，使氧气含量有所降低，那么就不需要室外净化过滤机组I对这些空气进行再次处理，仅需在空气中添加氧气，增加氧气含量后即可再次使用。如室内空气一直能达标，尤其是有害颗粒物，如粉尘、一氧化碳等，那么可以一直维持室内柜机II与富氧机8协同工作的配合方式，能有效降低系统能源消耗。隔板26上的通气阀27打开后，可使空气从下部分输送到上部分，便于控制过程。

利用室内柜机II与室外净化过滤机组I、富氧机组配合，能完成多种循环模式；例如前述的室内自净化的过程为室内循环模式，这个过程中，整个系统的动力源是第二风机31，此时第一风机24和室外净化过滤机组I整体不工作，室内空气经过第二进气栅33进入到室内柜机II中，然后在第二风机31的驱动下，经过过滤，通过通气阀27进入室内柜机II的上部分中，在这里和氧气混合，继而再通过出气栅32进入值班室中。

室内循环模式是一种优选推荐模式，节省能源。然而当室内空气质量下降，例如在循环过程中室内由于粉尘、一氧化碳浓度增高，而使室内循环模式不能再维持控制质量时，需要利用室外净化过滤机组I，对室内空气进行净化，即室内外混合循环模式：

室内外混合循环模式中，室外净化过滤机组I工作，而室内空气经过回风管25导入混流腔16中，在混流腔16中与室外净化过滤机组I中初步净化的空气进行混流，可以根据空气质量调节混流比例，然后再经过送新风管19进入室内柜机II，经再次过滤后与氧气混合，进入室内。这种模式可利用室外净化过滤机组I对室内空气进行粉尘、氮氧化物、一氧化碳进行过滤净化，提升空气质量。 由于整个系统的整体空气供给一部分是由室内提供的，因此降低了室外净化过滤机组I的处理功率，降低了能源消耗。在这种循环模式下，仅需要开启第一风机24，即可维持整个系统中空气流动。

如室内外混合循环模式经过一段时间运行后，仍达不到标准空气质量，则可切换为另一个模式，即室外循环模式。

在这种循环模式中，不采用混流模式，即关闭回风管25，室外净化过滤机组I和富氧机组协同工作，利用室外净化过滤机组I，对空气中各种有害物质进行净化，提升空气质量。这种模式中，只需要第一风机24工作。

值班室的顶面上安装有排风百叶窗11，排风百叶窗11上连接有排风管10，排风管10延伸至隧道车行横洞中。在上述的循环中，如值班室内气压过大，可通过排风管10排除部分室内空气，消除多余压力，形成气流组织。推荐值班室顶部排风百叶窗11尺寸为200mm*200mm，材质采用镀锌钢板；排风管10直径为100mm，材质采用镀锌钢板，壁厚大于1.5mm。

本发明中室内柜机II出风栅风速不应大于2.5m/s。通风管道直径200mm，排风管10和送风管直径100mm，采用镀锌钢板，壁厚大于1.5mm；厚度及加工方法按《通风与空调工程施工质量验收规范》(GB50243-2002)执行。其中室外净化过滤装置和室外富氧装置安装在横通道内，室内柜机II安装在值班室内。

为了对室内空气质量有着直观的了解，同时便于系统的控制：

值班室内设置有监控系统，监控系统包括处理器、连接在处理器上的触摸式显示屏、气体检测器、温度传感器，其中处理器与第一风机24、第二风机31、富氧机8、通气阀27连接，而在进风管12、取水管、氧气管9、送新风管19、回风管25上均安装有电磁阀，这些电磁阀通过处理器控制。

气体检测器采用CO、NOx综合空气质量监测系统，可将当前空气质量信息通过显示屏显示出来。显示屏为触摸屏，可调节系统参数。整个系统的风机、管道开启等，均由处理器来调配控制。可针对不同的循环模式，提前植入写定的程序，使调控更加方便。为了便于控制各管道开启，在每个管道上均安装有电磁阀。电磁阀接受处理器的指令，进行打开、关闭或控制打开程度。该电磁阀为双模式的，也可以通过手动驱动电磁阀，以防止系统断电的情况。

本发明进一步提供了一种利用上述系统进行室内净化过滤的方法：

一种特长公路隧道内值班室组合式空气净化方法，包括以下步骤：

步骤一，设置工作模式切换阈值参数t₁和t₂，工作模式包括室内循环模式、室内外混合循环模式、室外循环模式；设定系统初始状态时，第一风机24、第二风机31、富氧机8、通气阀27和所有电磁阀均处于关闭状态；

工作模式切换阈值参数，是用于使系统判定进入哪一种模式。阈值参数值可以通过触摸屏手动输入，也可以在系统中预制多个数值，通过选择来确定。由于不同的模式时，系统各部分的工作状态不同，主要体现在不同模式下是不同的风机在工作，同时各管道的开闭也不相同，因此在模式切换前，可先使系统恢复初始状态。初始状态即所有电器设备关闭，同时各管道关闭。为了方便叙述，本文中涉及关闭管道的表述，均是表示通过电磁阀或手动阀来关闭该管道，使管道内的流体不能再流动。

步骤二，监控系统判定当前值班室内的空气参数值t，如室内空气参数值t≤t₁，则控制系统工作在室内循环模式；如t₁＜t≤t₂，则控制系统工作在室内外混合循环模式；如t＞t₂，则控制系统工作在室外循环模式；

值班室内的空气参数值，可利用气体检测器、温度传感器等来测定。空气参数值可以是一个具体的数值，也可以是一个逻辑关系。例如是具体数值时，系统根据当前空气中有害气体浓度：CO浓度、氮氧化物浓度、固体颗粒物浓度，和氧气浓度、温度以不同的权重，综合计算出一个数值：t＝aρ₀+bρ₁+cρ₂，其中ρ₀为值班室内有害气体浓度，ρ₁为氧气浓度，ρ₃为温度，a、b、c为权重系数，由用户设定；这些系数可以是经验值，也可以是经过多次试验后确定的比较合理的值；或者根据某一项有害物质的浓度来当做数值，与阈值参数t₁和t₂(根据国家标准确定的值)进行比较，以选择进入哪种模式。

而如果是逻辑关系时，例如当空气中CO浓度大于一定程度时，不管空气中其他组分浓度如何，系统都将判定t＞t₂，使系统工作在室外循环模式，加速值班室内空气循环过程。

整个系统控制过程都可以通过处理器来完成。处理器采集气体检测器、温度传感器信息，进行判断，并对应开启风机和控制不同管道的电磁阀。当某个部件 未按照要求开启时，或系统出现异常情况，例如经过一段时间的循环过程室内空气质量参数没有明显改观，则通过声光报警的方式提醒值班室内的工作人员。

本方案中的三种模式如下：

室内循环模式时，系统首先恢复初始状态，然后打开富氧机8、氧气管9、第二风机31和通气阀27，值班室内的空气由第二风机31驱动，依次经过第二进气栅33、第三初效过滤器30、高压静电网29、第三活性炭层28和通气阀27后进入矩形柜的上部分，与氧气管9输送来的经由富氧机8产生的氧气混合后，从出气栅32进入到值班室中；

室内外混合循环模式时，系统首先恢复初始状态，然后打开富氧机8、氧气管9、第一风机24、进风管12、取水管、送新风管19、回风管25和通气阀27，此时隧道中的空气依次经过进风管12、水洗过滤器21、第一初效过滤器23、第一静电集尘器15进入到混流腔16中，与经过回风管25从值班室中导入到混流腔16中的空气以一定比例混合后，经过均流板20、送新风管19进入矩形柜的下部分，依次经过第三初效过滤器30、高压静电网29、第三活性炭层28和通气阀27后进入矩形柜的上部分，与氧气管9输送来的经由富氧机8产生的氧气混合后，从出气栅32进入到值班室中；

室外循环模式时，系统首先恢复初始状态，然后打开富氧机8、氧气管9、第一风机24、进风管12、取水管、送新风管19和通气阀27，此时隧道中的空气依次经过进风管12、水洗过滤器21、第一初效过滤器23、第一静电集尘器15、混流腔16、均流板20、送新风管19进入矩形柜的下部分，依次经过第三初效过滤器30、高压静电网29、第三活性炭层28和通气阀27后进入矩形柜的上部分，与氧气管9输送来的经由富氧机8产生的氧气混合后，从出气栅32进入到值班室中。

三种循环模式中，最优选的是使系统工作在室内循环模式下。这种模式下最节省能耗；然而当室内循环模式达不到空气净化要求时，开启室内外混合循环模式。这种模式中，由于采用混流的方式，使室内一部分经过室外净化过滤机组I处理过的空气再次利用，以一定的比例与新风混流，这样可以使室外净化过滤机组I的使用能耗降低，有利于长时间循环过程。当室内外循环模式也不能满足要求时，则开启室外循环模式，加速室内循环过程。然而当室内空气质量达标后， 系统再次切换到室内循环模式。这三种模式给出了一种以空气质量为指标进行空气自动调节的方法，能在节省能耗的前提下，有效地完成室内控制质量的调控过程。

实施例：

以某一特长公路隧道为实施例。该公路隧道为世界级的特长隧道，运营安全问题十分突出，为了隧道行车安全，在隧道内部设置了两个24小时有人消防值班室。北口值班室位于8#车行横洞内，桩号为K70+785.08，南口值班室位于17#车行横洞内，桩号为K76+785.08。每个消防值班室长5m，宽6m，高3m。值班室容积为90m³，面积约为30m²，人数为2人，换气次数取6次/h，需风量为L＝90*6＝540m³/h＝0.15m³/s。

以8号值班室为例，系统设备按照本方案图1的格式进行布设。

值班室面积30平米，新风取风点位置位于主洞内垂直距离值班室10米。室外净化过滤机组中矩形箱体大小为3000*1200*800mm；水洗过滤器规格为655*655*200mm，采用优质钢材，针对公路隧道汽车尾气中的油性成份净化效率可达85％；挡水板规格为655*655*50mm，采用PVC材料；第一初效过滤器的规格为655*655*45mm，采用专用集尘长效网状无纺布，可以捕集1-5μm的颗粒灰尘及各种悬浮物，具有价格便宜，结构稳定，阻力小、容尘量高等优点，净化效率可达60％～95％，可重复清洁使用；第一静电集尘器的规格为655*655*150mm，第一活性碳规格为655*655*150mm，CO专用活性碳规格为655*655*150mm；均流板的规格为655*655mm。第一风机采用2kw变频风机。本实施例的室外净化过滤机组的处理能力可达每小时1500立方。室外净化过滤机组需要设置备件箱，备用第一初效过滤器、第一静电集尘器和第一活性炭层各一件。

过滤箱的规格为785*410*656mm，第二初效过滤器的规格为600*400*50mm，第二静电集尘器的规格为600*400*500mm。

室内柜机中，第三初效过滤器规格为700*320mm，高压静电网规格为550*280mm，其作用是产生大量的带有正负电荷的气流，消除静电；活性炭层规格为350*220mm，其作用是过滤室内回风中的污染物；出风栅规格为400*280mm，其作用是直接向值班室内排放洁净空气。室内柜机内各个设备可根据柜机具体大小调整。

本发明中室内柜机出风栅风速不应大于2.5m/s。通风管道直径200mm，排风管和送风管直径100mm，采用镀锌钢板，壁厚大于1.5mm；厚度及加工方法按《通风与空调工程施工质量验收规范》(GB50243-2002)执行。

本例中系统设备性能参数如下：

循环净化风量(m³):540m³/h,900m³/h,1350m³/h三档可调

功率：3.5kw，电压：AC 220V±20％

值班室室内柜机出风栅风速：≤2.5m/s

噪音：室外设备≤55dBA，室内设备≤35dBA

制氧能力：30L/min、制氧浓度:50％±3％、氧气压力:0.06～0.1MPa、

室内空气质量检测报警设备响应时间：≤100ms

氧气含量检测精度：±0.5％

CO含量检测精度：1ppm

烟尘检测精度：0.1mg/m³

值班室在采用本发明设计系统以后，对值班室空气质量和值班室附近点空气质量监测及系统运行后对比结果如表1所示。

表1 系统运行结果及对比表

Claims (10)

1.一种特长公路隧道洞内值班室组合式空气净化系统，其特征在于，包括设置于隧道车行横洞内的室外净化过滤机组(I)，在室外净化过滤机组(I)中设置有过滤装置、混流腔(16)和送风装置，过滤装置设置于混流腔(16)的两侧，从隧道中采集的空气经过混流腔(16)一侧的过滤装置后进入混流腔(16)，在混流腔(16)中与值班室内导出的空气进行混合后经过混流腔(16)另一侧的过滤装置，然后通过送风装置送入值班室中。

2.如权利要求1所述的特长公路隧道洞内值班室组合式空气净化系统，其特征在于，所述的室外净化过滤机组(I)包括一个密封的矩形的安装箱，所述的过滤装置包括在安装箱内部沿长度方向从安装箱的后端至前端依次设置的过滤部件，这些部件包括第一初效过滤器(23)、第一静电集尘器(15)、第一活性炭层(17)和第二活性炭层(18)，每一个过滤部件均与安装箱的内壁紧密设置，使每个过滤部件与相邻的过滤部件以及安装箱内壁之间构成单独的腔体；所述的混流腔(16)为第一静电集尘器(15)与第一活性炭层(17)之间的腔体。

3.如权利要求2所述的特长公路隧道洞内值班室组合式空气净化系统，其特征在于，所述的送风装置设置于室外净化过滤机组(I)内部的前端，送风装置包括第一风机(24)和均流板(20)，室外净化过滤机组(I)的前端通过送新风管(19)与值班室连接，室外净化过滤机组(I)的后端通过进风管(12)与设置在隧道中的取风口(14)连接。

4.如权利要求3所述的特长公路隧道洞内值班室组合式空气净化系统，其特征在于，所述的第一初效过滤器(23)和进风管(12)之间设置有水洗过滤器(21)，水洗过滤器(21)包括高压喷头(212)，高压喷头(212)设置在安装箱内顶面上，高压喷头(212)下方设置有倾斜的集水槽(213)，集水槽(213)位置较低的一端通过排水管(214)与隧道内的排污管连接，高压喷头(212)靠近第一初效过滤器(23)的一侧设置有挡水板(22)；集水槽(213)位置较高的一端与挡水板(22)之间设置有过滤网；所述的高压喷头(212)通过取水管与设置在安装箱一侧的水箱(211)连接。

5.如权利要求4所述的特长公路隧道洞内值班室组合式空气净化系统，其特征在于，所述的隧道车行横洞内设置有室外富氧机组(III)，室外富氧机组(III)包括矩形的过滤箱(6)和富氧机(8)，过滤箱(6)的后端侧壁上安装有第一进气栅(2)，过滤箱(6)前端侧壁上设置有供气管(7)，供气管(7)与富氧机(8)连接；在过滤箱(6)内部沿后端至前端的方向依次设置有第二初效过滤器(3)和第二静电集尘器(4)；在富氧主机上设置有废气管(1)和氧气管(9)，空气经过滤箱(6)过滤后进入富氧机(8)，富氧机(8)通过废气管(1)排除氮气，并将氧气利用氧气管(9)送入值班室中。

6.如权利要求5所述的特长公路隧道洞内值班室组合式空气净化系统，其特征在于，所述的系统还包括设置在值班室内的室内柜机(II)，室内柜机(II)包括一个密封的矩形柜，矩形柜通过隔板(26)分为上下两部分，隔板(26)上设置有通气阀(27)；所述的氧气管(9)连接在矩形柜上部分的后端，矩形柜上部分的前端设置有出气栅(32)；矩形柜的外侧设置有回风管(25)，回风管(25)连接室外净化过滤机组(I)中的混流腔(16)；所述的送新风管(19)连接在矩形柜下部分后端；矩形柜下部分的前端设置有第二进气栅(33)，在矩形柜下部分按照由下至上的方向依次设置有第二风机(31)、第三初效过滤器(30)、高压静电网(29)和第三活性炭层(28)。

7.如权利要求1至6中任一权利要求所述的特长公路隧道洞内值班室组合式空气净化系统，其特征在于，所述的值班室的顶面上安装有排风百叶窗(11)，排风百叶窗(11)上连接有排风管(10)，排风管(10)延伸至隧道车行横洞中。

8.如权利要求6所述的特长公路隧道洞内值班室组合式空气净化系统，其特征在于，所述的值班室内设置有监控系统，监控系统包括处理器、连接在处理器上的触摸式显示屏、气体检测器、温度传感器，其中处理器与第一风机(24)、第二风机(31)、富氧机(8)、通气阀(27)连接，而在进风管(12)、取水管、氧气管(9)、送新风管(19)、回风管(25)上均安装有电磁阀，这些电磁阀通过处理器控制。

9.一种利用如权利要求8所述的系统进行空气净化的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一，设置工作模式切换阈值参数t₁和t₂，工作模式包括室内循环模式、室内外混合循环模式、室外循环模式；设定系统初始状态时，第一风机(24)、第二风机(31)、富氧机(8)、通气阀(27)和所有电磁阀均处于关闭状态；

步骤二，监控系统判定当前值班室内的空气参数值t，如室内空气参数值t≤t₁，则控制系统工作在室内循环模式；如t₁＜t≤t₂，则控制系统工作在室内外混合循环模式；如t＞t₂，则控制系统工作在室外循环模式；

室内循环模式时，系统首先恢复初始状态，然后打开富氧机(8)、氧气管(9)、第二风机(31)和通气阀(27)，值班室内的空气由第二风机(31)驱动，依次经过第二进气栅(33)、第三初效过滤器(30)、高压静电网(29)、第三活性炭层(28)和通气阀(27)后进入矩形柜的上部分，与氧气管(9)输送来的经由富氧机(8)产生的氧气混合后，从出气栅(32)进入到值班室中；

室内外混合循环模式时，系统首先恢复初始状态，然后打开富氧机(8)、氧气管(9)、第一风机(24)、进风管(12)、取水管、送新风管(19)、回风管(25)和通气阀(27)，此时隧道中的空气依次经过进风管(12)、水洗过滤器(21)、第一初效过滤器(23)、第一静电集尘器(15)进入到混流腔(16)中，与经过回风管(25)从值班室中导入到混流腔(16)中的空气以一定比例混合后，经过均流板(20)、送新风管(19)进入矩形柜的下部分，依次经过第三初效过滤器(30)、高压静电网(29)、第三活性炭层(28)和通气阀(27)后进入矩形柜的上部分，与氧气管(9)输送来的经由富氧机(8)产生的氧气混合后，从出气栅(32)进入到值班室中；

室外循环模式时，系统首先恢复初始状态，然后打开富氧机(8)、氧气管(9)、第一风机(24)、进风管(12)、取水管、送新风管(19)和通气阀(27)，此时隧道中的空气依次经过进风管(12)、水洗过滤器(21)、第一初效过滤器(23)、第一静电集尘器(15)、混流腔(16)、均流板(20)、送新风管(19)进入矩形柜的下部分，依次经过第三初效过滤器(30)、高压静电网(29)、第三活性炭层(28)和通气阀(27)后进入矩形柜的上部分，与氧气管(9)输送来的经由富氧机(8)产生的氧气混合后，从出气栅(32)进入到值班室中。

10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，所述的空气参数值是由值班室内有害气体浓度、氧气浓度和温度以不同的权重计算出的综合值，t＝aρ₀+bρ₁+cρ₂，其中ρ₀为值班室内有害气体浓度，ρ₁为氧气浓度，ρ₃为温度，a、b、c为权重系数，由用户设定。