CN110130983B - 一种新型寒区隧道洞口前端保温系统装置及其控制方法 - Google Patents

Abstract

一种新型寒区隧道洞口前端保温系统装置，包括保温室、风幕机、循环加热式管道装置、太阳能板、扫雪装置、压力传感器、控制装置；所述风幕机、循环加热式管道装置、太阳能板、扫雪装置、压力传感器分别与控制装置电连接。本发明还提供一种新型寒区隧道洞口前端保温系统装置的控制方法，该方法智能化高、使用便捷，能有效解决寒区隧道洞口的冻害情况。

Description

一种新型寒区隧道洞口前端保温系统装置及其控制方法

技术领域

本发明涉及到寒区隧道洞口端保温领域，具体涉及到一种新型寒区隧道洞口前端保温系统装置及其控制方法。

背景技术

随着我国隧道建设速度加快，我国已成为世界上隧道最多、隧道工程地质问题最为复杂的国家之一。冻害是寒区隧道的“顽症”，较为普遍且难以根治，在我国东北和西北地区投入运营的寒区隧道中，80％以上都存在各种各样的冻害现象。同时，隧道冻害问题也是一个世界性难题。

通过对国内外既有隧道冻害来对隧道冻害发生机理及防治问题等进行了研究，研究表明：寒区隧道冻害产生和演变的全过程涉及结构破坏、渗漏水、冻融循环等三大方面因素，并由这三方面因素构成相互影响的冻害环。目前国内普遍采用的防冻保温措施是铺设保温层，铺设保温层具有一定的适应范围，并不适用于所有的寒区隧道，而隧道洞口端暴露于寒区下，冻害情况尤为严重，而现阶段对隧道洞口前端的保温方面没有较好的方法，致使大量的隧道洞口面临高成本预防冻害、高成本维修等问题，这大大加重了隧道施工的压力和经济负担，所以研究新型隧道洞口前端保温系统成为未来寒区隧道保温工作的发展方向。

申请号为CN2016210378143的中国专利公开了一种用于寒区隧道的自动化组合保温空气幕装置。在隧道口安装有第一对异形自然风空气幕、第二对异形自然风空气幕、第三对异形热风空气幕，在所述隧道的内壁安装有与工业电源连接的自动控制器，在所述自动控制器中设有第一道开关，第二道开关和第三道开关以及单片机控制部，在隧道口外部墙壁上安装有风速传感器和温度传感器，并且与所述单片机控制部电连接。该装置通过在隧道口安装空气幕给隧道内部吹热风的形式给隧道内部加热，在持续低温时，需要空气幕持续工作，对电能和设备的损耗极大。

申请号为CN2016109550843的中国专利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。该装置利用风能和太阳对设备进行供电，利用空气幕隔绝外界空气、吹出热风达到保温的效果，但是其保温效率较低，对寒区隧道的防冻达不到预期的效果。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供了一种节能环保，多装置高效率保温，并且不影响列车行驶地新型寒区隧道洞口前端保温系统装置，具体技术方案如下：

一种新型寒区隧道洞口前端保温系统装置，包括保温室、风幕机、循环加热式管道装置、太阳能板、扫雪装置、控制装置；所述保温室设置在隧道前端的洞口外侧；所述保温室上部设有隔热板，所述风幕机固定安装在隔热板下的前后两端；所述循环加热式管道装置设置在所述保温室内靠近洞口端的左右两侧；所述太阳能板铺设在保温室顶部并与所述循环加热式管道装置电连接；所述扫雪装置固定安装在太阳能板上，所述太阳能板上设有压力传感器；所述控制装置包括控制器和电源；所述风幕机、循环加热式管道装置、太阳能板、扫雪装置、压力传感器分别与控制装置电连接。

所述保温室是由钢筋混凝土制作而成；循环加热式管道装置采用水暖式，使加热装置形成内循环，利用热循环水与液体介质在流动过程中进行热交换，从而升高保温室内的温度；所述风幕机为可制热的抽风式，风幕机能很好的将内外环境隔离开，通过调节风幕机的喷口角度以及射流速度，使得保温室内的温度不受外界气流的影响，确保保温室内空气温度达到预定值；所述太阳能板铺设在保温室的顶部，与所述控制装置电连接，并且与所述循环加热式管道装置电连接，在天气晴朗时，为循环加热式管道装置提供加热电能，或给蓄电池储存电能；所述太阳能板上还设有扫雪装置，用于将太阳能板上的积雪清除，避免积雪对太阳能板工作的影响；所述微气压波缓冲装置设置在保温室前端且与保温室相连，用以排除强风，减小气压，减少噪音，给乘客带来舒适感；所述控制器控制保温系统中风幕机的开启或关闭、风幕机的射流速度和射流角度以及调整循环加热式管道装置供暖的温度，确保保温室内部空气的温度为正温，还可以控制扫雪装置对太阳能板进行除雪。

所述风幕机下分别并排设有2个第一温度传感器和2个第一风速传感器；所述第一温度传感器、第一风速传感器与所述控制装置电连接。

进一步地，所述隧道洞口设有2个第二温度传感器和2个第二风速传感器；所述第二温度传感器、第二风速传感器与所述控制装置电连接。

通过第一温度传感器和第一风速传感器实时测量保温室的温度和风速，通过第二温度传感器和第二风速传感器实时测量隧道洞口的温度和隧道内风速，将得到的数据反馈给控制装置，进而精确调节风幕机的喷口角度、射流速度，实现控制的智能化。

进一步地，所述扫雪装置包括电机、固定支架、滑轨、滑块、扫雪刷；所述滑块嵌入滑轨内并与所述扫雪刷固定连接，所述电机安装在滑块内部并与所述控制装置电连接；所述滑轨安装在固定支架上。

进一步地，所述保温室前端还设有微气压波缓冲装置，用以排除强风，减小气压，减少噪音，给乘客带来舒适感。

进一步地，所述隔热板顶部中央还设有照明装置，便于观察保温室内部的风幕机和循环加热式管道装置的运行情况，及时掌握设备信息，也便于观察列车在保温室内的行驶状况。

进一步地，所述保温室内还设有摄像装置，实时记录保温室内部情况。

进一步地，所述保温室顶部与隔热板之间铺设有保温棉，进一步对保温室保温。

一种新型寒区隧道洞口前端保温系统装置的控制方法，包括以下步骤：

S1：控制器通过第一温度传感器和第一风速传感器分别采集保温室内的温度和风速，通过第二温度传感器和第二风速传感器分别采集隧道洞口前端的温度和风速，并将数据传输给控制器；

S2：控制器根据采集的数据，调节风幕机喷口角度和射流速度，控制循环加热式管道装置，调节保温室内的温度；实时测量并记录保温室、隧道内的温度和风速；

S3：在太阳能板上的压力传感器采集到压力数据异常时，控制装置启动扫雪装置，对太阳能板进行扫除。

该方法通过采集保温室和隧道洞口端的温度和风速信息，确认是否需要对保温室进行加热，若需要加热，则启动风幕机或循环加热式管道装置，调节保温室内的温度，确保隧道洞口端温度为正温，解决寒区隧道洞口的冻害情况。

本发明提供的一种新型寒区隧道洞口前端保温系统装置及其控制方法，其有利之处在于：

1、本装置联合太阳能、循环加热式管道装置、风幕机一起使用，可以多方面给隧道洞口进行保温，提高保温室对隧道洞口的保温效果，有效的解决寒区隧道的冻害问题；

2、本装置利用太阳能进行供电和蓄电，节能环保，成本较低，还设有扫雪装置可以避免落雪对太阳能板的影响；

3、本装置利用传感器对保温室和隧道洞口进行数据采集，控制再根据数据进行调控，在寒区环境下，自动化程度高，可以降低操作人员的劳动强度；

4、本装置还设有微气压波缓冲装置，可以减小气压，降低噪音，使列车通过隧道时不会发出很大的噪音，给乘客带来舒适感。

附图说明

图1为本发明提供的一种新型寒区隧道洞口前端保温系统装置的立体结构示意图；

图2为本发明提供的一种新型寒区隧道洞口前端保温系统装置的保温室及隧道的主视图；

图3为本发明提供的一种新型寒区隧道洞口前端保温系统装置保温室及隧道的侧视图；

图4为本发明提供的一种新型寒区隧道洞口前端保温系统装置保温室及隧道的俯视图；

图5为本发明提供的一种新型寒区隧道洞口前端保温系统装置的控制流程图；

图中：1、太阳能板；2、照明装置；3、摄像装置；4、风幕机；5、循环加热式管道装置；6、第一风速传感器；7、第一温度传感器；8、保温室；9、微气压波缓冲装置；10、开口；11、扫雪刷；12、隧道；13、第二风速传感器；14、第二温度传感器；15、支撑结构；16、滑块；17、滑轨；18、隔热板。

具体实施方式

以下将结合附图对本发明中各实施例的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施例，都属于本发明所保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”、“顶”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“连通”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。需要指出的是，所有附图均为示例性的表示。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

如图1～4所示，本发明提供的一种新型寒区隧道洞口前端保温系统装置，风幕机4采用可制热的抽风式，风速的调节范围为1m/s～30m/s，循环加热式管道装置5采用水暖式加热方法，使加热装置内形成内循环，利用热循环水与液体介质在流动过程中进行热交换，循环加热式管道装置5温度的控制范围为0℃～15℃；所述保温室8是由钢筋混凝土堆砌成30m:15m:10m的矩形室，保温室8的上部设有隔热层，在隔热层和顶部之间铺设有保温棉，通过隔断与外界空气的热量输出，使得隧道12内部温度维持在0℃以上，起到对隧道12保温的效果；在保温室8顶部铺设太阳能板1，用于吸收太阳光，给控制系统提供电能；在太阳能板1上设置扫雪刷11，用于清理太阳能板1上的落雪和其他杂物；所述微气压波缓冲装置9为矩形缓冲装置，双孔铺设在保温室8外出入口位置，与保温室8相对接，使列车进入隧道12后的气压减小，噪音降低；微气压波缓冲装置9的断面开口10面积设计为1.7S(S为隧道12断面面积)，缓冲装置长度为2D(D为隧道12等效直径)，左右对称各开2个长度为D/2，开口率为0.33的矩形开口10；保温室8前端布设4处风幕机4，后端布设1处风幕机4，每处设置2个第一温度传感器7，这2个第一温度传感器7用于实时测量保温室8的温度分布；所述风幕机4下每处设置2个第一风速传感器6，这2个第一风速传感器6用于实时测量保温室88的风速分布；在隧道12中部还设有2个第二温度传感器14和2个第二风速传感器13，用于测试隧道12内的温度分布和风速分布；所述保温室8顶部还设有用于提供照明的照明装置2，用于保温室8内的照明；所述保温室8内还设有用于实时监控保温室8前端内部情况的摄像装置3；

如图5所述，所述压力传感器、太阳能板1、照明装置2、摄像装置3、风幕机4、循环加热式管道装置5、第一温度传感器7、第一风速传感器6、第二风速传感器13、第二温度传感器14、扫雪装置均与控制装置电连接；所述太阳能板1还与循环加热式管道装置5电连接；一种新型寒区隧道洞口前端保温系统装置的控制方法，操作如下：

第一温度传感器7和第一风速传感器6分别采集保温室8内的温度和风速，第二温度传感器14和第二风速传感器13分别采集隧道12洞口前端的温度和风速，确定保温室8内的温度和风速情况，并将数据传输给控制器，控制器结合隧道12前端的温度情况，调节风幕机4的喷口速度、射流速度，或者启动循环加热式管道装置5，确保保温室8内的温度为正温，进而对隧道12洞口前端进行保温。太阳能板1为整个系统提供电能，在需要观察保温室8内的情况时，控制装置可以启动照明装置2给保温室8内提供照明，启动摄像装置3实时记录保温室8内的情况，也可以全天开启照明装置2和摄像装置3进行24h监控。在压力传感器采集到太阳能板1上的压力异于所设定的压力时，将此数据传输给控制装置，控制装置内设预定压力值，当异常压力达到预定压力值时，控制装置启动扫雪装置，对太阳能板1进行除雪或其他异物的扫除。

本发明中，风幕机4的喷口角度调节范围为0～90°、射流速度调节范围为1m/s～30m/s，风幕机4间的间隔为1m，循环加热式管道装置5温度控制范围为0℃～15℃；所述风幕机4为市售松下(panasonic)风幕机，风幕墙的宽度为2m；所述第一温度传感器和第二温度传感器均为伊莱科(ELECALL)压簧式热电偶热电阻K型E型电热偶温度传感器温控仪探头；所述风速传感器为市售三杯式风速仪；所述控制器为PLC控制器。

以上实施例详细描述了本发明的实施，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节。在本发明的权利要求书和技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单改型和改变，这些简单变型均属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种新型寒区隧道洞口前端保温系统装置，其特征在于，包括保温室、风幕机、循环加热式管道装置、太阳能板、扫雪装置、控制装置；

所述保温室设置在隧道前端的洞口外侧；

所述保温室上部设有隔热板，所述风幕机固定安装在隔热板下的前后两端；

所述循环加热式管道装置设置在所述保温室内靠近洞口端的左右两侧；

所述太阳能板铺设在保温室顶部并与所述循环加热式管道装置电连接；

所述扫雪装置固定安装在太阳能板上，所述太阳能板上设有压力传感器；

所述控制装置包括控制器和电源；所述风幕机、循环加热式管道装置、太阳能板、扫雪装置、压力传感器分别与控制装置电连接。

2.根据权利要求1所述的一种新型寒区隧道洞口前端保温系统装置，其特征在于，所述风幕机下分别并排设有2个第一温度传感器和2个第一风速传感器；所述第一温度传感器、第一风速传感器与所述控制装置电连接。

3.根据权利要求1所述的一种新型寒区隧道洞口前端保温系统装置，其特征在于，所述隧道洞口设有2个第二温度传感器和2个第二风速传感器；所述第二温度传感器、第二风速传感器与所述控制装置电连接。

4.根据权利要求1所述的一种新型寒区隧道洞口前端保温系统装置，其特征在于，所述扫雪装置包括电机、固定支架、滑轨、滑块、扫雪刷；所述滑块嵌入滑轨内并与所述扫雪刷固定连接，所述电机安装在滑块内部并与所述控制装置电连接；所述滑轨安装在固定支架上。

5.根据权利要求1所述的一种新型寒区隧道洞口前端保温系统装置，其特征在于，所述保温室前端还设有微气压波缓冲装置。

6.根据权利要求1所述的一种新型寒区隧道洞口前端保温系统装置，其特征在于，所述隔热板顶部中央还设有照明装置。

7.根据权利要求1所述的一种新型寒区隧道洞口前端保温系统装置，其特征在于，所述保温室内还设有摄像装置。

8.根据权利要求1所述的一种新型寒区隧道洞口前端保温系统装置，其特征在于，所述保温室顶部与隔热板之间铺设有保温棉。

9.根据权利要求1～6中任一项所述的一种新型寒区隧道洞口前端保温系统装置的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：控制器通过第一温度传感器和第一风速传感器分别采集保温室内的温度和风速，通过第二温度传感器和第二风速传感器分别采集隧道洞口前端的温度和风速，并将数据传输给控制器；

S2：控制器根据采集的数据，调节风幕机喷口角度和射流速度，控制循环加热式管道装置，调节保温室内的温度；实时测量并记录保温室、隧道内的温度和风速；

S3：在太阳能板上的压力传感器采集到压力数据异常时，控制装置启动扫雪装置，对太阳能板进行扫除。

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