CN106089282A - 基于太阳能棚热技术和烟囱效应的公路隧道自然风利用系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于太阳能辐射加热棚和蓄热技术的公路隧道自然风利用系统及控制方法，包括公路隧道，在公路隧道上方设置有与隧道平行的管道，管道上分布有与隧道连通的通风口，管道连通竖井，竖井上连接有检查箱，检查箱连接集热棚，在集热棚内部设有多根加热管，所述集热棚内放置有低温潜热蓄热材料，多根加热管的进风口位置低于加热管的出风口位置，集热棚上方出口处连接与大气连通的烟囱。该系统将太阳能烟囱效应、太阳能集热技术和蓄热技术综合应用，不用机械动力解决隧道运营通风问题。可节约能耗，安全可靠。

Description

基于太阳能棚热技术和烟囱效应的公路隧道自然风利用系统

技术领域

本发明涉及隧道通风技术，特别涉及一种基于太阳能辐射加热棚和蓄热技术的公路隧道自然风利用系统。

背景技术

20世纪60年代中期出现石油危机，竖井送排式纵向机械通风取代了设备规模大、投资较高、耗能较多的全横向通风方式与半横向通风方式，如日本关越一线隧道(10926m)、惠那山二线隧道(8649m)。竖井送排式纵向机械通风能够快速的实现隧道全程通风，但其用电量巨大，能源利用率相对低，且现今世界能源资源的日益匮乏，无动力通风方式的重要性日益显现，但现有的研究和实践仍局限于烟囱效应的利用、自然通风与机械通风的配合应用。

申请人研究发现，在公路隧道内产生自然通风驱动力主要是风压作用和热压作用，因而在多数公路隧道内建有一定高度的竖井，利用竖井上下压差及其温差驱动隧道内的空气沿着有垂直坡度的竖井空间向上升或下降，从而加强空气的对流运动，即所谓的“烟囱效应”。在多个专业领域，人们提出了自然能源的利用。为此申请人考虑利用烟囱效应结合太阳能棚热技术来实现对多种自然能源的利用，实现隧道通风。这几种能源的组合利用必将实现我国甚至于世界公路隧道界通风领域的创新，改变隧道通风技术的建设思路和模式，实现公路隧道建设的节能环保的发展。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种基于太阳能辐射加热棚和蓄热技术的公路隧道自然风利用系统，该系统将太阳能烟囱效应、太阳能集热技术和蓄热技术综合应用，不用机械动力解决隧道运营通风问题。可节约能耗，安全可靠。

为了实现上述任务，本发明采用以下技术解决方案予以实现：

一种基于太阳能辐射加热棚和蓄热技术的公路隧道自然风利用系统，包括公路隧道，其特征在于，在公路隧道上方设置有与隧道平行的管道，管道上分布有与隧道连通的通风口，管道连通竖井，竖井上连接有检查箱，检查箱连接集热棚，在集热棚内部设有多根加热管，所述集热棚内放置有低温潜热蓄热材料，多根加热管的进风口位置低于加热管的出风口位置，集热棚上方出口处连接与大气连通的烟囱。

根据本发明，所述集热棚产生的自然通风力大于竖井通风阻抗力。

所述竖井直径为100cm～200cm。

所述多根加热管的进风口均与检查箱无缝相接，多根加热管的出风口与烟囱无缝相接。

所述集热棚选择圆形镀膜玻璃材质制成。

所述的多根加热管每根的直径为0.2m。

所述烟囱内部风阻小于集热棚内部的加热管道内部风阻。

所述烟囱的高宽比大于2.5:1。

本发明的基于太阳能辐射加热棚和蓄热技术的公路隧道自然风利用系统，区别于已知的《基于烟囱效应的公路隧道自然通风方法及系统》(申请号：201610113102.3)，第一，可以满足全年300天以上的通风需求，包括夜间和阴雨天等无太阳照射情况。第二，受热媒介不为水而是采用更高蓄热能力的新型相变蓄热材料，利用太阳辐射加热置于集热棚中的新型相变(低温潜热)蓄热材料，使集热棚内部温度升高，和通过竖井连通的隧道内部产生温差，从而将热能转换成空气流动的动能，达到通风换气的作用。第三，在于无太阳能情况下不需要开启电力通风系统，通过蓄热功能实现自然通风。

经现场观测、试验及仿真证明，本发明的太阳能辐射加热棚和蓄热技术的公路隧道自然风利用系统，对温差、通风阻力、超静压差等影响隧道自然风通风的因素进行综合判断分析，给出竖井的长度和直径影响因素下隧道通风阻力的计算公式以及温差对隧道通风的影响计算公式。所带来的技术创新点是：

(1)提出了隧道内部通风阻力的计算方法。

(2)在现有定性分析温度影响风速的基础上，通过建立回归模型，定量的给出了温差和风速之间的关系。

(3)定量分析得到了集热棚的具体集热总量以及集热效率。

(4)定量分析得到烟囱的高度，直径等因素对自然通风的风速影响

(5)给出隧道口与竖井口的压强差的计算公式，并定性分析压强差对通风效果的影响。

(6)通过建立真实的试验系统证明该方案可以节省80％隧道风机的开启数量。

附图说明

图1是本发明的基于太阳能辐射加热棚和蓄热技术的公路隧道自然风利用系统结构示意图。

图2是应用实验例1的小型系统结构示意图。

图3是应用实施例2的大型系统洞外工程设施布置示意图。

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。

具体实施方式

参照图1，本实施例给出一种基于太阳能棚热技术和烟囱效应的公路隧道自然风利用系统，包括公路隧道，在公路隧道上方设置有与隧道平行的管道6，管道6上分布有与隧道连通的通风口，管道6连通竖井1，竖井1上连接有检查箱2，检查箱2连接集热棚4，在集热棚4内部设有多根加热管3，所述集热棚4内放置有低温潜热蓄热材料，多根加热管3的进风口位置低于加热管3的出风口位置，集热棚4上方出口处连接与大气连通的烟囱5。

本实施例中，所述集热棚4产生的自然通风力大于管道6的通风阻抗力。

竖井1直径为100cm～200cm。

多根加热管3的进风口均与检查箱2无缝相接，多根加热管3的出风口与烟囱5无缝相接。这样有利于加热管3内的热空气从加热管3的顶部通过烟囱5输送到大气中。

集热棚4设于隧道外的山坡面上，集热棚4选择圆形镀膜玻璃材质制成。

多根加热管3每根直径为0.2m。

烟囱5内部风阻小于集热棚4内部的加热管道3内部风阻。烟囱5的高宽比大于2.5:1。

加热管3多个；并且所有加热管两端管口均与检查箱2无缝相接，加热管3的进风口位置低于加热管3的出风口位置，

工作时，加热管3内部的低温潜热蓄热材料与空气进行热交换，使加热管3内的空气温度升高，受热空气由于密度下降而上升，通过加热管3的上部进而从烟囱5排出去，从而使得加热管3的下部空气压力变小，使得隧道内的空气通过竖井1进入加热管3，形成了隧道内空气通过加热管3到烟囟5输送到大气中的循环通风系统。

1、通风阻抗力ΔP_r满足公式：

ΔP_r＝ΔP_λ+∑ΔP_ζi (1)

${\mathrm{\ΔP}}_{\mathrm{\λ}}=({\mathrm{\λ}}_r\·\frac{L}{D})\·\frac{\mathrm{\ρ}}{2}\·v_r^2---\left(2\right)$

${\mathrm{\Σ\ΔP}}_{\mathrm{\ζ}i}=\mathrm{\ζ}i\·\frac{\mathrm{\ρ}}{2}\·v_r^2---\left(3\right)$

式中：ΔP_r：管道通风阻力；

ΔP_λ：沿程摩擦阻力；

ΔP_ζi：局部阻力；

λ_r：沿程阻力系数，取

L：管道长度；

D：管道直径；

ρ：空气密度；

V_r：管道内风速；

ζi：局部阻力系数；

Δ：平均壁面粗糙度；

2、温度与风速之间存在着一定的函数关系，但是由于不同管径下通风阻力不同，拟合关系也并不相同。由经验公式可以看出，当集热棚4内温度与室外温度的温差越大时，产生的风速越大，当通风阻力越小时，相同情况下，产生的风速越大。温差的大小与通风风速满足以下公式：

y＝ax²+bx+c，其中：

当X取0.5m时，a取23.556，b取-3.6325，c取0.048；

当X取0.75m时，a取6.877，b取-2.4218，c取0.2101；

当X取1.0m时，a取3.5854，b取-1.8013，c取0.1432。

上述公式在仅适用于温差0～20℃，室外气温在零下45℃～100℃之间进行使用计算。

3、太阳能蓄热系统的研究是保证太阳能烟囱热气流通风系统可持续性工作的重要环节。集热棚4中的低温潜热蓄热材料吸收太阳辐射后加热空气，使得隧道内空气在集热棚4内的环境温度T_∞增高到出口温度T_out。设空气的质量流率为m,定比热容为C_p，则单位时间内空气吸收的热能为：

Q＝mc_p(T_out-T_∞)＝mc_pΔT (4)

公式(4)中，m＝ρ·v_out·S

其中ρ为温度T_out时的空气密度，v_out为集热棚,4出口(烟囱入口处)的空气流速，S为烟囱5入口处的横截面积。

设太阳辐射密度为G，集热棚采光面积为S_c，集热棚总共采热能总量为：

Q_coll＝GS_C (5)

因此集热棚4的热转换效率η为：

$\mathrm{\η}=\frac{{\mathrm{\ρv}}_{out}{\mathrm{Sc}}_p\mathrm{\Δ}T}{{\mathrm{GS}}_c}---\left(6\right)$

集热棚4的效率涉及到的参数很多，除了受热面积、体积之外，还有入口处的雷诺数、对流换热系数等，其中

(1)对流换热系数先在进口处逐渐减小，随后，沿半径方向慢慢增大，在接近中心处，达到最大值，然后急剧减小。

(2)在进口处，温度升高很快，之后，温度继续升高，但是变化越来越缓慢，最后趋于一定值。

(3)气流稳定后，随着半径的增加，效率逐渐减小的。接近中心(烟囱)位置处，效率趋于定值(低于1％)。

4、在长隧道的两个洞口，或是隧道口与竖井口的压强差却往往与计算当中的静压差不相等。这时，有ΔP＝P₁-P₂-ρgh≠0

其中P₁、P₂：表示相近但不等高的两点压强；

ρgh：静压差；

ΔP：超静压差；

得风速与超静压差的关系为：

$\stackrel{\·}{Q}=C_D{A}_O\sqrt{(2gh\·\mathrm{\Δ}\mathrm{\ρ}-{\mathrm{\ΔP}}_r+\mathrm{\Δ}P)}/\sqrt{(\mathrm{\ρ}+\mathrm{\ρ}\·A_0^2)}$

其中，C_D：流量系数，取0.6；

Δρ：出入口空气密度差；

Ao：烟囱的横截面面积；

Ρ：空气密度；

当超静压差产生的气流与太阳能烟囱产生的气流方向一致时，超静压差对太阳能烟囱的效果有加强作用，反之有削减作用。

5、风速与烟囱垂直高度的开方成正比。即，当烟囱高度增加了x倍，通风速率也将增加倍，另外，在忽略通风阻力变化的情况下，按气体密度ρ＝1.0kg/m³计算，将出口面积扩大y倍，风速将变为原先的

本实施例给出的基于太阳能辐射加热棚和蓄热技术的公路隧道自然风利用系统，利用太阳能加热管技术和烟囱效应，加热管内被加热的空气之间的对流换热使加热管内的空气温度升高，受热空气由于密度下降而上升，通过加热管上部的出风口进入热流烟囱将空气输送出去，同时隧道内的空气通过通风连接管进入加热管，形成了隧道内空气通过加热管从热流烟囱输送到大气中的循环通风系统。适合于任何有太阳照射地方的隧道，无需消耗其他能量。集热棚4白天能吸收利用并存储一部分能量在蓄热层，使得通风系统不但白天能够持续工作，而且晚上蓄热层也能持续释放能量，保证此在夜间没有太阳的情况下也可持续运行，加热管3的大小等根据实际需要的通风量来确定。另外，在发生火灾时，该基于太阳能辐射加热棚和蓄热技术的公路隧道自然风利用系统能够将隧道内的烟尘抽出，而且不会因为火灾而影响隧道内的通风换气，值得推广应用。如果连续多日为阴雨天，使加热管3不能进行加热的，可以另外在热流的烟囱5上安装换气风机，在需要时进行辅助通风换气。

应用实验例1：小型系统

参见图2，小型系统制作一个简易的集热棚4，实验平台设有两个进风口和一个排风烟囱5。并在简易集热4内部放置一个温度计，烟囱5的出风口高度高于两个进风口的高度，实验平台置于太阳光线条件良好的区域。实物实验平台尺寸如表1所示。

表1：简易集热棚实验平台尺寸

名称	实验平台尺寸
		集热棚长度(m)	2
集热棚宽度(m)	1
		集热棚高度(m)	2.5
进风口长度(m)	0.2
		出风口长度(m)	0.8
进风口管径直径(cm)	5、7.5、10
		出风口管径直径(cm)	7.5

本实验通过人工采集记录的方法分别对不同工况、不同管径下的实验数据进行采集记录，采集的数据主要包括：当天气候、实验平台进出口风速、实验平台进出口风向、集热棚4内温度、室外温度。通过对实验平台集热棚4内温度与室外温度温差和出口风速进行分析，最终，得出温差与自然风速以及通风阻力与自然风速之间的关系，验证了本发明在隧道中应用的可行性。应用实施例2：大型系统

大型系统为某2000m隧道通风工程，洞外工程按图3进行布设，包括竖井1，竖井1出口通过第一检查箱2接多跟加热管3，多跟加热管3位于集热棚4中，集热棚4设于隧道外的山坡面上，集热棚4中有低温潜热蓄热材料，为了方便起见，加热管3的另一端出口也用第二检查箱2无缝隙连接起来，加热管3出口通过通风管道连接烟囱5。

施工主要是山顶的烟囱5设置、集热棚4建造与安装，两个检测箱3与多跟加热管3的连接(如图3)。另外，为了保证集热棚4的稳定性，每个集热棚4的基础基座与坡面基岩采用植筋连接。

该大型系统的应用效果如下表所示。

应用效果表(采集集热棚内四月整月数据平均)：

	风速(m/s)	温度(℃)	温差(集热棚与室外)
				白天(晴)	3.5	65	7.9
晚上(晴)	1.2	31	6.4
				阴雨天	1.4	23	6.5

Claims (8)

1.一种基于太阳能辐射加热棚和蓄热技术的公路隧道自然风利用系统，包括公路隧道，其特征在于，在公路隧道上方设置有与隧道平行的管道(6)，管道(6)上分布有与隧道连通的通风口，管道(6)连通竖井(1)，竖井(1)上连接有检查箱(2)，检查箱(2)连接集热棚(4)，在集热棚(4)内部设有多根加热管(3)，所述集热棚(4)内放置有低温潜热蓄热材料，多根加热管(3)的进风口位置低于加热管(3)的出风口位置，集热棚(4)上方出口处连接与大气连通的烟囱(5)。

2.如权利要求1所述的基于太阳能辐射加热棚和蓄热技术的公路隧道自然风利用系统，其特征在于，所述集热棚(4)产生的自然通风力大于管道(6)的通风阻抗力。

3.如权利要求1所述的基于太阳能辐射加热棚和蓄热技术的公路隧道自然风利用系统，其特征在于，所述竖井(1)直径为100cm～200cm。

4.如权利要求1所述的基于太阳能辐射加热棚和蓄热技术的公路隧道自然风利用系统，其特征在于，所述多根加热管(3)的进风口均与检查箱(2)无缝相接，多根加热管(3)的出风口与烟囱(5)无缝相接。

5.如权利要求1所述的基于太阳能辐射加热棚和蓄热技术的公路隧道自然风利用系统，其特征在于，所述集热棚(4)选择圆形镀膜玻璃材质制成。

6.如权利要求1所述的基于太阳能辐射加热棚和蓄热技术的公路隧道自然风利用系统，其特征在于，所述的多根加热管(3)每根直径为0.2m。

7.如权利要求1所述的基于太阳能辐射加热棚和蓄热技术的公路隧道自然风利用系统，其特征在于，所述烟囱(5)内部风阻小于集热棚(4)内部的加热管道(3)内部风阻。

8.如权利要求1所述的基于太阳能辐射加热棚和蓄热技术的公路隧道自然风利用系统，其特征在于，所述烟囱(5)的高宽比大于2.5:1。