CN106761881A - 一种基于热动力自循环系统的隧道竖井通风装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于热动力自循环系统的隧道竖井通风装置及方法，包括设置在隧道一侧的竖井，所述竖井通过横向通风道与隧道连通，所述竖井的顶部出口设置在隧道所在的山体表面，所述竖井中设置有能够提高竖井内气体的温度，并在竖井内形成负压区的热动力自循环系统，所述热动力自循环系统包括太阳能集热器和热循环水管，所述太阳能集热器的出水口与热循环水管的进水口连通，所述热循环水管设置在竖井的上部，通过改变隧道竖井内的温度，升高隧道竖井内气体的温度，加速竖井内空气的流动速度，从而在热量提供动力的基础下，实现气流运动和风机旋转的良性循环，达到竖井自动通风的目的。

Description

一种基于热动力自循环系统的隧道竖井通风装置及方法
技术领域
本发明涉及一种隧道竖井自动通风装置及方法，尤其涉及一种基于烟囱效应通过将太阳能转化成热能来实现隧道竖井自动通风的装置及方法。
背景技术
我国是一个地质地形条件复杂的国家，仅丘陵和山岭就占国土面积的四分之三以上。近年来，随着我国城市交通、水利电力、矿物开采等工程的大规模建设，使地下工程投资和建设日益增多。在大规模和高标准的基础工程建设中，隧道工程的建设得到飞速的发展，不仅在断面和数量上有所突破，隧道的建设长度也越来越大；在长大隧道的日常运营过程中，隧道通风难度越来越大，保证隧道内的空气质量的要求也越来越高；当前长大隧道所采用的通风措施是通过在隧道中间位置的上方打设竖井，在竖井中安设轴流风机将隧道中污浊气体排放出隧道外，但此种通风方法存在以下几个问题：1、轴流风机成本太高，前期建设资金投入太大；2、轴流风机运行过程能耗过大，极大地提高了隧道的日常运营成本；3、轴流风机采用间歇式的工作原理，风机不能持续工作，使隧道内的空气质量不能得到保证；4、轴流风机工作时，产生的噪音较大，会对隧道内行车驾驶人员产生不适感，造成噪音污染。
发明内容
为了解决上述问题，本发明从节能减排和绿色环保的角度出发，提供一种无噪音、低损耗、绿色环保的隧道竖井通风装置及方法，充分利用绿色环保能源，将太阳能转化成热能来为通风提供动力，一方面通过对竖井内气体温度的调整使竖井内产生负压，以加快隧道内空气循环速度；另一方面，通过升高隧道竖井内的温度，形成竖井内外空气对流，为无动力风机的涡轮旋转提供动力，在能源消耗尽量少的前提下，实现隧道竖井进行空气自动交换的隧道竖井通风新方法和装置。
一种基于热动力自循环系统的隧道竖井通风装置包括设置在隧道一侧的竖井，所述竖井通过横向通风道与隧道连通，所述竖井的顶部出口设置在隧道所在的山体表面，所述竖井中设置有能够提高竖井内气体的温度，并在竖井内形成负压区的热动力自循环系统，所述热动力自循环系统包括太阳能集热器和热循环水管，所述太阳能集热器的出水口与热循环水管的进水口连通，所述热循环水管设置在竖井的上部。
所述热循环水管的出水口与自吸泵连接，所述自吸泵的出水口与太阳能集热器的进水口连通。
所述热循环水管上设置有用于检测热循环水管温度的温度传感器。
还包括为自吸泵供电的太阳能电池板。
所述太阳能集热器与热循环水管之间设置有保温蓄水箱。
所述竖井的顶部设置有无动力风机。
所述热循环水管以“S”型布置在竖井的内壁。
所述横向通风道的方向为斜向上方向，所述横向通风道与竖井的接口位置高于与隧道的接口位置。
所述竖井通过横向通风道与两条隧道连通。
一种基于热动力自循环系统的隧道竖井通风方法，首先利用太阳能集热器将水加热，然后利用被加热后的水作为中间介质加热竖井内上部的空气，竖井内上部的空气温度升高后，使竖井上部形成负压，加速竖井内空气流动，竖井内外空气对流为无动力风机提供动力，最后利用负压和无动力风机将隧道内的污浊气体排出。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益的技术效果，本发明设有竖井，竖井通过横向通风道与隧道连通，竖井中设置有能够提高竖井内气体的温度，并在竖井内形成负压区的热动力自循环系统，利用太阳能将水加热，将加热后的热水储存在保温蓄水箱中并输送至布置在竖井内的热循环水管中，在能源消耗尽量少的前提下，实现了隧道竖井进行空气自动交换，将隧道的竖井作为产生烟囱效应的烟囱本体，一方面充分利用了现有的结构，减少了工程量；另一方面减少了对环境的破坏，使工程实施尽可能的保护了当地的生态环境。
进一步的，热循环水管的出水口与自吸泵连接，自吸泵的出水口与太阳能集热器的进水口连通，自吸泵用于促进热循环水管内的水流循环，提高换气效率。
进一步的，热循环水管上设置有用于检测热循环水管温度的温度传感器，温度传感器为带控制功能的温度传感器，温度传感器提前设定好上限温度和下限温度，当水温低于下限温度时，温度传感器将信号发送至自吸泵并启动自吸泵，使自吸泵工作，以使热循环水管中的冷、热水进行流动，以保证空气流通的速度；当水温高于上限温度时，温度传感器将信号发送至自吸泵以关闭自吸泵，节省电能。
进一步的，还包括为自吸泵供电的太阳能电池板，利用太阳能对循环系统中的水进行加热，实现能量转换，节约能源。
进一步的，太阳能集热器与热循环水管之间设置有保温蓄水箱，保温蓄水箱用于储存经太阳能集热器加热后的热水，其四周用保温材料进行保温处理，达到良好的保温效果，以此来尽可能多的储存热水，以保证夜间和阴天的热水用量。
进一步的，竖井的顶部设置有无动力风机，利用自然风力及室内外温度差造成的空气热对流，推动涡轮旋转从而利用离心力和负压效应将隧道竖井内不新鲜的热空气排出，无动力风机以产生烟囱效应的热量为动力，而不消耗其他能量，充分利用了太阳能所转化成的热能，提高了能量的利用效率，最大限度的减少了对环境的破坏，达到了环保无污染的要求，同时无动力风机还起对竖井的防护作用，既可防止异物落入竖井对热循环水管造成损害或对竖井造成堵塞，还能有效防止雨雪进入竖井造成竖井、横向通风道和隧道积水。
进一步的，热循环水管以“S”型布置在竖井的内壁，以此保证热循环水管与空气的接触面积尽可能大，以取得更好地热交换效果，热循环水管的布置方法充分的增加了竖井内壁上水管的长度，使竖井内散发热量的热水增加，最大限度的发挥了热水的作用，提高了热量的利用效率。
进一步的，横向通风道的方向为斜向上方向，横向通风道与竖井的接口位置高于与隧道的接口位置，使隧道与竖井间的气流通道更加流畅，便于空气流通。
进一步的，竖井通过横向通风道与两条隧道连通，两个隧道使用同一个竖井，大大节约了建设资金，同时隧道与竖井的横向连接通道设计充分利用了交通风，提高了竖井的排风效率。
本发明利用太阳能集热器将水加热，然后利用被加热后的水作为中间介质加热竖井内上部的空气，使竖井上部形成负压，加速竖井内空气流动，竖井内外空气对流为无动力风机提供动力，最后在负压和无动力风机的共同作用下将隧道内的污浊气体排出，可以达到竖井长时间不间断的持续通风的效果，提高隧道内的空气质量；在运行过程中损耗低、无污染、无噪音，节约了大量的能源，极大地降低了隧道的运营成本，同时减小了对于隧道内行车人员的影响，增加了驾驶的舒适度。
附图说明
图1为隧道竖井示意图；
图2为热动力自循环系统运行流程图；
图3为热动力自循环系统布置图；
图4为隧道竖井顶部装置布置示意图；
附图中：1-隧道，2-横向通风道，3-竖井，4-热循环水管出水口，5-热循环水管进水口，6-隧道内气体运动方向，7-热循环水管，8-自吸泵，9-太阳能电池板，10-保温蓄水箱，11-保温蓄水箱进水口，12-太阳能集热器，13-太阳能集热器进水口，14-太阳能集热器出水口，15-保温蓄水箱出水口，17，导线，18-无动力风机。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
参照图1，一种基于热动力自循环系统的隧道竖井通风装置包括设置在两个隧道1之间的竖井3，竖井3通过横向通风道2分别与隧道1连通，两个隧道使用同一个竖井，大大节约了建设资金，将隧道的竖井作为产生烟囱效应的烟囱本体，一方面充分利用了现有的结构，减少了工程量；另一方面减少了对环境的破坏，使工程实施尽可能的保护了当地的生态环境，横向通风道2的方向为斜向上方向，横向通风道2与竖井3的接口位置高于与隧道1的接口位置，且横向通风道2的形状为圆弧状，横向通风道2中气流的方向与隧道1中的车流方向的夹角小于90°，气流通道平滑，有利于整个隧道中空气与竖井中的空气的相互流通，图1中的箭头6即为隧道内气体运动方向，竖井3的顶部出口设置在隧道1所在的山体表面，竖井3中设置有热动力自循环系统，热动力自循环系统用于提高竖井3内气体的温度，并在竖井3内形成负压区，从而在热量提供动力的基础下，实现气流运动，形成的竖井内外空气对流为无动力风机18提供动力，加速空气流动，实现良性循环，达到竖井自动通风的目的。
参照图2和图3，热动力自循环系统包括太阳能集热器12和太阳能电池板9，利用太阳能对循环系统中的水进行加热，实现能量转换，节约能源，太阳能集热器12的出水口14与保温蓄水箱10的进水口11连接，保温蓄水箱10的出水口15与热循环水管7的进水口5连通，保温蓄水箱10用于储存太阳能集热器12加热后的热水，其四周用保温材料进行保温处理，达到良好的保温效果，以此来尽可能多的储存热水，以保证夜间和阴天的热水用量，热循环水管7的出水口4与自吸泵8连接，自吸泵8的出水口与太阳能集热器12的进水口13连通，热循环水管7最下端设置有用于检测热循环水管7温度的温度传感器16，太阳能电池板9用于为自吸泵8提供动力，并且将电能储存在电池中，以作为储备电源，自吸泵8采用间歇工作方式，利用太阳能电池板9产生的电能驱动热循环水管7内水流循环，每间隔一定时间将竖井3内壁热循环水管7中变凉的水输送回太阳能集热器12再次进行加热，同时自吸泵8受温度传感器16的控制，它在接收到温度传感器16的信号后自动启动或关闭，温度传感器16为带控制功能的温度传感器，温度传感器16提前设定好上限温度和下限温度，当水温低于下限温度时，温度传感器将信号发送至自吸泵8并启动自吸泵，使自吸泵8进行水管中冷热水的交换，以保证空气流通的速度；当水温高于上限温度时，温度传感器将信号发送至自吸泵8并关闭自吸泵，以节省电能。热动力自循环系统利用太阳能的热动力自循环系统实现了隧道竖井进行空气自动交换，减少了隧道竖井通风前期设备的投入，该装置简洁方便、造价低，前期建设费用小，能源消耗少，热循环水管7以“S”型布置在竖井3上部的内壁，以此保证热循环水管与空气的接触面积尽可能大，以取得更好地热交换效果，热循环水管的布置方法充分的增加了竖井内壁上水管的长度，使竖井内散发热量的热水增加，最大限度的发挥了热水的作用，提高了热量的利用效率，热循环水管7的作用是将保温蓄水箱10中的热水输送到竖井3内，与竖井3内的空气发生热交换，提高竖井内气体温度，在竖井内形成负压区，以加快隧道内空气循环速度。
参照图4，竖井3的顶部设置有无动力风机18，利用自然风力及室内外温度差造成的空气热对流，推动涡轮旋转从而利用离心力和负压效应将隧道竖井3内不新鲜的热空气排出，无动力风机以产生烟囱效应的热量为动力，而不消耗其他能量，充分利用了太阳能所转化成的热能，提高了能量的利用效率，最大限度的减少了对环境的破坏，达到了环保无污染的要求，同时无动力风机还起对竖井的防护作用，既可防止异物落入竖井对热循环水管造成损害或对竖井造成堵塞，还能有效防止雨雪进入竖井造成竖井、横向通风道和隧道积水。
一种基于热动力自循环系统的隧道竖井通风方法，通过热水与竖井内空气的热交换，提高了竖井内气体的温度，温度升高后，一方面，竖井内气体密度减小并上升，由此在竖井内形成负压区，隧道内的空气在气压差的作用下进入竖井，隧道内污浊的空气在竖井中升温并上升并排出竖井；另一方面，竖井内温度升高后，在竖井内外空气形成对流，为无动力风机提供了动力，加速了污浊空气的排出，从而达到了在尽可能少耗费能源的前提下，利用绿色环保的太阳能实现将隧道污浊气体排出隧道的要求。
本发明工作过程如下：
本发明隧道竖井通风辅助装置的具体操作步骤为：
(1)仪器准备：按照规定准备需要用到的设备：太阳能集热器12、保温蓄水箱10、热循环水管7、自吸泵8、太阳能电池板9、温度传感器16和无动力风机18；
(2)仪器安装：将图3中各个装置按照各个设备的使用要求进行连接：在隧道竖井3顶部周围安装太阳能集热器12，太阳能集热器出水口14连接保温蓄水箱进水口11，保温蓄水箱出水口15连接热循环水管进水口5，热循环水管7在竖井内呈“S”形布置，热循环水管出水口4连接自吸泵8，自吸泵8的出水口连接太阳能集热器进水口13，温度传感器16安装在竖井3内的热循环水管7上，温度传感器16与自吸泵8通过通信导线连接，自吸泵8与太阳能电池板9通过导线17连接；无动力风机18安装在隧道竖井顶部，由竖井内外空气对流为其提供动力。
(3)仪器固定：将连接好的各个仪器安装固定在合理位置上；
(4)装置装水：在整个装置固定好后，在装置内装满水，检查各个仪器连接之间是否漏水；检查完毕，将加水口密封处理，防止水分挥发；
(5)设定温度传感器：在装置安装好并装满水后，为温度传感器设定下限温度和上限温度；
(6)检查：一切准备就绪后，装置安装完毕调试好，检查装置的运行状况，再进行适当的调整。
本装置的工作原理是：通过太阳能集热器12的作用，将装置中的水加热后储蓄在保温蓄水箱10中，保温蓄水箱10中的热水流经热循环水管7后在竖井3内散热，将竖井3中温度提高，当热循环水管7中的热水温度低于温度传感器16下限温度后，启动自吸泵8，将热循环水管7中的凉水输送进太阳能集热器12重新加热，此时保温蓄水箱10中的热水又流入了热循环水管7，通过此循环装置的作用，竖井3中的温度将一直保持较高的温度水平，以保证整个装置的高效运行，在此循环装置的各个装置的联合作用下，竖井内一直保持在较高的温度水平，实现了绿色环保无污染的高效率、低能耗的通风要求。
在以上装置的联合作用下，隧道竖井中温度一直保持较高范围内，一方面竖井中的温度提高后，竖井中的气体受热后密度变小，变热后的竖井气体将持续上升排出竖井外；另一方面，竖井内温度高于外界，竖井内外空气对流，推动无动力风机涡轮旋转，加速竖井内污浊空气排出，此时在竖井中形成负压区，隧道内的气体在气流的作用下进入竖井内，进入到竖井中的气体又在热循环水管的作用下温度升高，气体密度降低后上升排出竖井，由此，在所述发明的作用下，隧道中的气体源源不断的从隧道中进入竖井，在竖井中受热后密度减小而上升排出隧道。从而达到了在无能源消耗的前提下，隧道内气体排出洞外的效果，保障了隧道内行车人员的安全健康要求。
与现有技术相比，本发明的优点如下：
1)该装置在运行过程中可以达到竖井长时间不间断的持续通风的效果，改善目前竖井内风机间歇式工作的现状，提高了隧道内的空气质量；
2)该装置在运行过程中损耗低、无污染，节约了大量的能源，极大地降低了隧道的运营成本；
3)由于不需要轴流风机，所以该装置的运行过程无噪音的产生，减小了对于隧道内行车人员的影响，增加了驾驶的舒适度，并减小了对于竖井外的噪音污染。

Claims (10)

1.一种基于热动力自循环系统的隧道竖井通风装置，其特征在于，包括设置在隧道(1)一侧的竖井(3)，所述竖井(3)通过横向通风道(2)与隧道(1)连通，所述竖井(3)的顶部出口设置在隧道(1)所在的山体表面，所述竖井(3)中设置有能够提高竖井(3)内气体的温度，并在竖井(3)内形成负压区的热动力自循环系统，所述热动力自循环系统包括太阳能集热器(12)和热循环水管(7)，所述太阳能集热器(12)的出水口与热循环水管(7)的进水口(5)连通，所述热循环水管(7)设置在竖井(3)的上部。
2.根据权利要求1所述的一种基于热动力自循环系统的隧道竖井通风装置，其特征在于，所述热循环水管(7)的出水口(4)与自吸泵(8)连接，所述自吸泵(8)的出水口与太阳能集热器(12)的进水口(13)连通。
3.根据权利要求2所述的一种基于热动力自循环系统的隧道竖井通风装置，其特征在于，所述热循环水管(7)上设置有用于检测热循环水管(7)温度的温度传感器(16)。
4.根据权利要求2所述的一种基于热动力自循环系统的隧道竖井通风装置，其特征在于，还包括为自吸泵(8)供电的太阳能电池板(9)。
5.根据权利要求1所述的一种基于热动力自循环系统的隧道竖井通风装置，其特征在于，所述太阳能集热器(12)与热循环水管(7)之间设置有保温蓄水箱(10)。
6.根据权利要求1所述的一种基于热动力自循环系统的隧道竖井通风装置，其特征在于，所述竖井(3)的顶部设置有无动力风机(18)。
7.根据权利要求1所述的一种基于热动力自循环系统的隧道竖井通风装置，其特征在于，所述热循环水管(7)以“S”型布置在竖井(3)的内壁。
8.根据权利要求1所述的一种基于热动力自循环系统的隧道竖井通风装置，其特征在于，所述横向通风道(2)的方向为斜向上方向，所述横向通风道(2)与竖井(3)的接口位置高于与隧道(1)的接口位置。
9.根据权利要求1所述的一种基于热动力自循环系统的隧道竖井通风装置，其特征在于，所述竖井(3)通过横向通风道(2)与两条隧道连通。
10.一种基于热动力自循环系统的隧道竖井通风方法，其特征在于，首先利用太阳能集热器将水加热，然后利用被加热后的水作为中间介质加热竖井内上部的空气，竖井(3)内上部的空气温度升高后，使竖井(3)上部形成负压，加速竖井内空气流动，竖井内外空气对流为无动力风机(18)提供动力，最后利用负压和无动力风机(18)将隧道内的污浊气体排出。
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