CN106401644B - 一种寒区隧道空气幕保温加热系统 - Google Patents

一种寒区隧道空气幕保温加热系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种寒区隧道空气幕保温加热系统，包括蓄电池、PLC智能控制系统、风光互补发电子系统、空气幕供暖子系统以及空气幕保温子系统；其中风光互补发电子系统用于利用风能和光能转化的电能或工业补充电源提供空气幕供暖子系统和空气幕保温子系统中风机用电，空气幕供暖子系统通过多对热风空气幕加热隧道洞口段空气，空气幕保温子系统通过多组自然风空气幕喷射的气流减少隧道内部热能和外界冷能的交换，PLC智能控制系统可以对上述三个子系统进行控制。本发明系统具有节能环保，可充分根据外部环境来自动控制空气幕工作，有效减少进入隧道内部的冷空气量及升高隧道内空气的温度，且不影响正常行车安全。

Description

一种寒区隧道空气幕保温加热系统
技术领域
本发明涉及寒区隧道防寒保温技术领域，具体来说，涉及一种寒区隧道空气幕保温加热系统。
背景技术
国内外大量隧道建设和运营实际情况表明，在寒冷地区，尤其是地下水发育时，隧道常常会发生冻害，直接危害到隧道结构及行车安全，造成严重的经济损失。尤其是在隧道洞口段容易发生冻害问题，隧道衬砌开裂、酥碎或剥落、隧道洞口处热融滑塌、隧道衬砌漏水或挂冰、排水沟或出水口冻结、隧道洞门墙开裂、隧道底部冒水或积水冻胀，这些冻害严重影响隧道的正常使用功能。当前，中国隧道采取的防寒保暖技术主要有在隧道洞口段铺设保温层以及在洞口外安装防寒保温门的方法。以上防寒保暖技术存在的缺陷为：保温层有一定的适用范围，仅仅依靠被动的保温层技术无法根除隧道冻害发生；防寒门只适用于车流量小且较短的隧道，对于特长隧道或行车密度大、列车速度快的隧道，设置防寒门将会影响行车安全和隧道内空气质量。
针对以上问题，研究一种有效阻止冷空气侵入隧道内而又不影响列车正常通行的空气幕保温加热系统显得十分必要。
申请号为201310017360.8的中国专利公开了一种寒区隧道路面太阳能-地源热泵联合蓄热加热系统，包括太阳能集热器、供热管路、地源热泵换热器和地源热泵设备。其中地源热泵换热器分别与太阳能集热器和地源热泵设备连接，各自形成隧道中部围岩的蓄热环路和取热环路，供热管路分别与太阳能集热器和地源热泵设备连接，各自形成隧道洞口段路面的供热环路。上述专利申请将地源热泵换热器安装在隧道中部围岩内的中空锚杆内，从而替代传统地源热泵埋管所需的地下钻孔，虽有不占地、节省初期投资以及将夏季太阳能存储于隧道围岩中，用于冬季供热，实现了太阳能跨季利用的优点，但其保温加热效果有限，无法根除隧道冻害的发生。
发明内容
本发明的目的在于提出一种寒区隧道空气幕保温加热系统，充分利用西北或东北地区风能和太阳能自然资源，具有节能环保的效果，同时可以降低隧道冻害的发生机率。
为实现上述技术目的，本发明的技术方案是这样实现的：
一种寒区隧道空气幕保温加热系统，包括蓄电池、PLC智能控制系统、风光互补发电子系统、空气幕供暖子系统以及空气幕保温子系统；
所述风光互补发电子系统包括风力发电机组、光伏组件和控制器，所述风力发电机组和光伏组件设于隧道的外面，且均通过所述控制器与所述蓄电池相连，所述控制器还通过逆变器与PLC智能控制系统相连；
所述空气幕供暖子系统包括设于隧道洞内的热风空气幕，所述热风空气幕均与PLC智能控制系统相连；
所述空气幕保温子系统包括设于隧道洞内且位于所述热风空气幕两侧的自然风空气幕，所述自然风空气幕均与PLC智能控制系统相连。
进一步的，所述PLC智能控制系统包括中央处理器，所述中央处理器包括温度信号测量模块和温度信号处理模块；所述温度信号测量模块用于测量隧道外的温度值；所述温度信号处理模块用于将所述温度值与温度信号处理模块内预先设定的温度范围值进行比较，当所述温度信号落入相应的温度范围值时，所述温度信号处理模块控制相应数量的热风空气幕和相应数量的自然风空气幕启动。
进一步的，所述温度范围值包括四个，分别为0℃～-5℃、-10℃～5℃、-20℃～-10℃和-20℃以下，当所述温度值在0℃～-5℃之间时，所述温度信号处理模块启动一组热风空气幕和两个自然风空气幕；当所述温度值在-10℃～5℃之间时，所述温度信号处理模块启动两组热风空气幕和两个自然风空气幕；当所述温度值在-20℃～-10℃之间时，所述温度信号处理模块启动三组热风空气幕和两个自然风空气幕；当所述温度值在-20℃以下时，所述温度信号处理模块启动四组热风空气幕和两个自然风空气幕。
进一步的，所述中央处理器还包括风速信号测量模块和风速信号处理模块；所述风速信号测量模块用于测量隧道外的风速值；所述风速信号处理模块用于将所述风速值与风速信号处理模块内预先设定的风速阈值进行比较，当所述风速值大于所述风速阈值时，所述风速信号处理模块启动另外一个自然风空气幕。
进一步的，所述中央处理器还连接有备用电源。
进一步的，所述中央处理器还包括电能监测处理模块，所述电能监测处理模块用于监测蓄电池的电压值，并将所述电压值与所述电能监测处理模块内预定设定的电压阈值进行比较，当所述电压值小于所述电压阈值时，所述电能监测处理模块启动备用电源，当所述电压值大于或等于所述电压阈值时，所述电能监测处理模块切断备用电源。
进一步的，所述热风空气幕和所述自然风空气幕均设于距离隧道洞口100m的范围内。
本发明的有益效果：本发明具有结构简单、设计合理、使用方便、自动控制、节能环保、风流阻隔效果好、防寒保温效果好、施工方便且不影响行车安全的优点，具有较好的推广应用价值。
附图说明
图1是根据本发明实施例所述的寒区隧道空气幕保温加热系统的结构示意图；
图2是根据本发明实施例所述的空气幕保温子系统和空气幕加热子系统布置示意图；
图3是根据本发明实施例所述的空气幕横断面喷射气流示意图；
图4是根据本发明实施例所述的中央处理器的功能模块图。
图中所示：
1-备用电源接触开关；2-逆变器接触开关；3-第一开关；4-第二开关；5-第三开关；6-第四开关；7-第五开关；8-第六开关；9-第七开关；10-蓄电池电能监测器；11-温度传感器；12-风速传感器；13-自然风空气幕；14-热风空气幕；15-中央处理器；16-蓄电池；17-逆变器；18-控制器；19-风力发电机组；20-光伏组件；21-备用电源；22-隧道。
具体实施方式
下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，根据本发明的实施例所述的一种寒区隧道空气幕保温加热系统，包括蓄电池16、PLC智能控制系统、风光互补发电子系统、空气幕供暖子系统以及空气幕保温子系统；
所述风光互补发电子系统包括风力发电机组19、光伏组件20和控制器18，所述风力发电机组19和光伏组件20设于隧道的外面，且均通过所述控制器18与所述蓄电池16相连，所述控制器18还通过逆变器17与PLC智能控制系统相连；
所述空气幕供暖子系统包括设于隧道洞内的热风空气幕14，所述热风空气幕14均与PLC智能控制系统相连；
所述空气幕保温子系统包括设于隧道洞内且位于所述热风空气幕14两侧的自然风空气幕13，所述自然风空气幕13均与PLC智能控制系统相连。
具体操作时，按照如下步骤设置所述系统:
1、根据隧道所处地区的气候条件，在风能和太阳能充足的区域布置发光互补发电子系统，并依据空气幕供暖子系统和空气幕保温子系统的用电量配置发电机组和光伏组件；
2、根据隧道内轮廓，如图2所示，订做与隧道22形状吻合的热风空气幕14和自然风空气幕13；
3、根据隧道22所在位置处的环境气温和风速的统计数据，决定热风空气幕14和自然风空气幕13的配置参数，如热风空气幕14和自然风空气幕13的电机功率、喷射口宽度、喷射气流速度等；
4、在隧道22衬砌施工完成后，在隧道22内的拱顶处固定热风空气幕14和自然风空气幕13；
5、完成所述子系统各部件的安装与调试。
所述系统的工作过程如下：
风光互补发电子系统作用是利用风能和光能转化的电能给蓄电池16充电，进而满足空气幕供暖子系统和空气幕保温子系统中风机用电；空气幕供暖子系统的作用是利用热风空气幕14加热隧道22内空气，通过提高隧道22内空气温度来降低隧道22冻害的发生；如图3所示，空气幕保温子系统的作用是通过多组自然风空气幕13喷射的气流来降低由于热压或风压引起的冷热空气对流，提高隧道22洞口的保温效果。
为了使所述系统能够根据隧道22外的环境自动化的调节其工作状态，从而达到最优化工作状态的效果，如图4所示，所述PLC智能控制系统包括中央处理器15，所述中央处理器15包括温度信号测量模块和温度信号处理模块，在本实施例中，温度信号测量模块包括与中央处理器15相连的温度传感器11；所述温度信号测量模块用于测量隧道外的温度值；所述温度信号处理模块用于将所述温度值与温度信号处理模块内预先设定的温度范围值进行比较，当所述温度信号落入相应的温度范围值时，所述温度信号处理模块控制相应数量的热风空气幕14和相应数量的自然风空气幕13启动。所述中央处理器15还包括风速信号测量模块和风速信号处理模块，在本实施例中，所述风速信号测量模块包括与中央处理器15相连的风速传感器12；所述风速信号测量模块用于测量隧道外的风速值；所述风速信号处理模块用于将所述风速值与风速信号处理模块内预先设定的风速阈值进行比较，当所述风速值大于所述风速阈值时，所述风速信号处理模块启动另外一个自然风空气幕13。
在一个具体的实施例中，所述温度范围值包括四个，分别为0℃～-5℃、-10℃～5℃、-20℃～-10℃和-20℃以下，当所述温度值在0℃～-5℃之间时，所述温度信号处理模块启动一组热风空气幕14和两个自然风空气幕13，在本实施例中，一组热风空气幕包括两个热风空气幕14；当所述温度值在-10℃～5℃之间时，所述温度信号处理模块启动两组热风空气幕14和两个自然风空气幕13；当所述温度值在-20℃～-10℃之间时，所述温度信号处理模块启动三组热风空气幕14和两个自然风空气幕13；当所述温度值在-20℃以下时，所述温度信号处理模块启动四组热风空气幕14和两个自然风空气幕13。
在上述实施例中，如图1所示，提供了一种具体的利用中央处理器15调节空气幕供暖子系统和空气幕保温子系统工作的方式，所述中央处理器15分别连接有逆变器接触开关2、第一开关3、第二开关4、第三开关5、第四开关6、第五开关7、第六开关8、第七开关9，逆变器接触开关2的另一端与逆变器17相连，第一开关3、第二开关4和第七开关9与自然风空气幕13相连，第三开关5、第四开关6、第五开关7、第六开关8与热风空气幕14相连。当隧道洞开外的空气温度低于零摄氏度以下时，温度传感器11将此信号传输给PLC智能控制系统，PLC智能控制系统启动逆变器接触开关2、第一开关3、第三开关5和第七开关9，当洞口外风速大于设定值时，风速传感器12将风速信号传输给PLC智能控制系统，此时PLC智能控制系统启动第二开关4；当隧道洞口外温度在-10℃--5℃之间时，同时启动第四开关6，使两组热风空气幕14同时工作；当隧道洞口外温度在-20℃--10℃之间时，启动第五开关7，使三组热风空气幕14同时工作；当隧道洞口外温度在-20℃以下时，启动第六开关8，使四组热风空气幕14同时工作
另外，如图1所示，所述中央处理器15还连接有备用电源21，对应的，如图4所示，所述中央处理器15还包括电能监测处理模块，所述电能监测处理模块用于监测蓄电池16的电压值，并将所述电压值与所述电能监测处理模块内预定设定的电压阈值进行比较，当所述电压值小于所述电压阈值时，所述电能监测处理模块启动备用电源21，当所述电压值大于或等于所述电压阈值时，所述电能监测处理模块切断备用电源21。对应到上述利用中央处理器15的具体操作，在中央处理器15与蓄电池16之间依次连接有备用电源接触开关1和蓄电池电能监测器10。如果蓄电池16电能低于某一设定值时，蓄电池电能监测器10将信号传输给PLC智能控制系统，PLC智能控制系统将备用电源接触开关1闭合，保证热风空气幕14和自然风空气幕13的正常运转。
在上述实施例中，经实验验证得出，所述热风空气幕14和所述自然风空气幕13均设于距离隧道洞口100m的范围内时对隧道22内部的保温加热效果最好。
综上所述，借助于本发明的上述技术方案，本发明具有结构简单、设计合理、使用方便、自动控制、节能环保、风流阻隔效果好、防寒保温效果好、施工方便且不影响行车安全的优点，具有较好的推广应用价值。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种寒区隧道空气幕保温加热系统，其特征在于，包括蓄电池(16)、PLC智能控制系统、风光互补发电子系统、空气幕供暖子系统以及空气幕保温子系统；
所述风光互补发电子系统包括风力发电机组(19)、光伏组件(20)和控制器(18)，所述风力发电机组(19)和光伏组件(20)设于隧道的外面，且均通过所述控制器(18)与所述蓄电池(16)相连，所述控制器(18)还通过逆变器(17)与PLC智能控制系统相连；
所述空气幕供暖子系统包括设于隧道洞内的热风空气幕(14)，所述热风空气幕(14)均与PLC智能控制系统相连；
所述空气幕保温子系统包括设于隧道洞内且位于所述热风空气幕两侧的自然风空气幕(13)，所述自然风空气幕(13)均与PLC智能控制系统相连。
2.根据权利要求1所述的寒区隧道空气幕保温加热系统，其特征在于，所述PLC智能控制系统包括中央处理器(15)，所述中央处理器(15)包括温度信号测量模块和温度信号处理模块；所述温度信号测量模块用于测量隧道外的温度值；所述温度信号处理模块用于将所述温度值与温度信号处理模块内预先设定的温度范围值进行比较，当所述温度信号落入相应的温度范围值时，所述温度信号处理模块控制相应数量的热风空气幕和相应数量的自然风空气幕启动。
3.根据权利要求2所述的寒区隧道空气幕保温加热系统，其特征在于，所述温度范围值包括四个，分别为0℃～-5℃、-10℃～5℃、-20℃～-10℃和-20℃以下，当所述温度值在0℃～-5℃之间时，所述温度信号处理模块启动一组热风空气幕(14)和两个自然风空气幕(13)；当所述温度值在-10℃～5℃之间时，所述温度信号处理模块启动两组热风空气幕(14)和两个自然风空气幕(13)；当所述温度值在-20℃～-10℃之间时，所述温度信号处理模块启动三组热风空气幕(14)和两个自然风空气幕(13)；当所述温度值在-20℃以下时，所述温度信号处理模块启动四组热风空气幕(14)和两个自然风空气幕(13)。
4.根据权利要求3所述的寒区隧道空气幕保温加热系统，其特征在于，所述中央处理器(15)还包括风速信号测量模块和风速信号处理模块；所述风速信号测量模块用于测量隧道外的风速值；所述风速信号处理模块用于将所述风速值与风速信号处理模块内预先设定的风速阈值进行比较，当所述风速值大于所述风速阈值时，所述风速信号处理模块启动另外一个自然风空气幕(13)。
5.根据权利要求4所述的寒区隧道空气幕保温加热系统，其特征在于，所述中央处理器(15)还连接有备用电源(21)。
6.根据权利要求5所述的寒区隧道空气幕保温加热系统，其特征在于，所述中央处理器(15)还包括电能监测处理模块，所述电能监测处理模块用于监测蓄电池(16)的电压值，并将所述电压值与所述电能监测处理模块内预定设定的电压阈值进行比较，当所述电压值小于所述电压阈值时，所述电能监测处理模块启动备用电源(21)，当所述电压值大于或等于所述电压阈值时，所述电能监测处理模块切断备用电源(21)。
7.根据权利要求1所述的寒区隧道空气幕保温加热系统，其特征在于，所述热风空气幕(14)和所述自然风空气幕(13)均设于距离隧道洞口100m的范围内。
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