CN112146037A - 一种具有污染物降解功能的隧道减光构筑物 - Google Patents

一种具有污染物降解功能的隧道减光构筑物 Download PDF

Info

Publication number
CN112146037A
CN112146037A CN202011036920.0A CN202011036920A CN112146037A CN 112146037 A CN112146037 A CN 112146037A CN 202011036920 A CN202011036920 A CN 202011036920A CN 112146037 A CN112146037 A CN 112146037A
Authority
CN
China
Prior art keywords
light
tunnel
ultraviolet
reducing structure
illumination
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN202011036920.0A
Other languages
English (en)
Other versions
CN112146037B (zh
Inventor
朱凯
张琼华
陈亚苗
王强
李海航
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
China Jiliang University
Original Assignee
China Jiliang University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by China Jiliang University filed Critical China Jiliang University
Priority to CN202011036920.0A priority Critical patent/CN112146037B/zh
Publication of CN112146037A publication Critical patent/CN112146037A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN112146037B publication Critical patent/CN112146037B/zh
Expired - Fee Related legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F21—LIGHTING
    • F21S—NON-PORTABLE LIGHTING DEVICES; SYSTEMS THEREOF; VEHICLE LIGHTING DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR VEHICLE EXTERIORS
    • F21S9/00—Lighting devices with a built-in power supply; Systems employing lighting devices with a built-in power supply
    • F21S9/02—Lighting devices with a built-in power supply; Systems employing lighting devices with a built-in power supply the power supply being a battery or accumulator
    • F21S9/03—Lighting devices with a built-in power supply; Systems employing lighting devices with a built-in power supply the power supply being a battery or accumulator rechargeable by exposure to light
    • F21S9/032—Lighting devices with a built-in power supply; Systems employing lighting devices with a built-in power supply the power supply being a battery or accumulator rechargeable by exposure to light the solar unit being separate from the lighting unit
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D53/00—Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols
    • B01D53/34—Chemical or biological purification of waste gases
    • B01D53/92—Chemical or biological purification of waste gases of engine exhaust gases
    • B01D53/94—Chemical or biological purification of waste gases of engine exhaust gases by catalytic processes
    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E21—EARTH OR ROCK DRILLING; MINING
    • E21D—SHAFTS; TUNNELS; GALLERIES; LARGE UNDERGROUND CHAMBERS
    • E21D9/00—Tunnels or galleries, with or without linings; Methods or apparatus for making thereof; Layout of tunnels or galleries
    • E21D9/14—Layout of tunnels or galleries; Constructional features of tunnels or galleries, not otherwise provided for, e.g. portals, day-light attenuation at tunnel openings
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F21—LIGHTING
    • F21V—FUNCTIONAL FEATURES OR DETAILS OF LIGHTING DEVICES OR SYSTEMS THEREOF; STRUCTURAL COMBINATIONS OF LIGHTING DEVICES WITH OTHER ARTICLES, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F21V19/00—Fastening of light sources or lamp holders
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F21—LIGHTING
    • F21V—FUNCTIONAL FEATURES OR DETAILS OF LIGHTING DEVICES OR SYSTEMS THEREOF; STRUCTURAL COMBINATIONS OF LIGHTING DEVICES WITH OTHER ARTICLES, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F21V23/00—Arrangement of electric circuit elements in or on lighting devices
    • F21V23/02—Arrangement of electric circuit elements in or on lighting devices the elements being transformers, impedances or power supply units, e.g. a transformer with a rectifier
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F21—LIGHTING
    • F21V—FUNCTIONAL FEATURES OR DETAILS OF LIGHTING DEVICES OR SYSTEMS THEREOF; STRUCTURAL COMBINATIONS OF LIGHTING DEVICES WITH OTHER ARTICLES, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F21V23/00—Arrangement of electric circuit elements in or on lighting devices
    • F21V23/04—Arrangement of electric circuit elements in or on lighting devices the elements being switches
    • F21V23/0442—Arrangement of electric circuit elements in or on lighting devices the elements being switches activated by means of a sensor, e.g. motion or photodetectors
    • F21V23/0464—Arrangement of electric circuit elements in or on lighting devices the elements being switches activated by means of a sensor, e.g. motion or photodetectors the sensor sensing the level of ambient illumination, e.g. dawn or dusk sensors
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F21—LIGHTING
    • F21V—FUNCTIONAL FEATURES OR DETAILS OF LIGHTING DEVICES OR SYSTEMS THEREOF; STRUCTURAL COMBINATIONS OF LIGHTING DEVICES WITH OTHER ARTICLES, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F21V33/00—Structural combinations of lighting devices with other articles, not otherwise provided for
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D2255/00—Catalysts
    • B01D2255/20—Metals or compounds thereof
    • B01D2255/207—Transition metals
    • B01D2255/20707—Titanium
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D2255/00—Catalysts
    • B01D2255/80—Type of catalytic reaction
    • B01D2255/802—Photocatalytic
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D2259/00—Type of treatment
    • B01D2259/80—Employing electric, magnetic, electromagnetic or wave energy, or particle radiation
    • B01D2259/804—UV light
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F21—LIGHTING
    • F21W—INDEXING SCHEME ASSOCIATED WITH SUBCLASSES F21K, F21L, F21S and F21V, RELATING TO USES OR APPLICATIONS OF LIGHTING DEVICES OR SYSTEMS
    • F21W2131/00—Use or application of lighting devices or systems not provided for in codes F21W2102/00-F21W2121/00
    • F21W2131/10—Outdoor lighting
    • F21W2131/101—Outdoor lighting of tunnels or the like, e.g. under bridges
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02B—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO BUILDINGS, e.g. HOUSING, HOUSE APPLIANCES OR RELATED END-USER APPLICATIONS
    • Y02B20/00—Energy efficient lighting technologies, e.g. halogen lamps or gas discharge lamps
    • Y02B20/72—Energy efficient lighting technologies, e.g. halogen lamps or gas discharge lamps in street lighting

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Environmental & Geological Engineering (AREA)
  • Mining & Mineral Resources (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Geochemistry & Mineralogy (AREA)
  • Biomedical Technology (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • General Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Geology (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Oil, Petroleum & Natural Gas (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Catalysts (AREA)
  • Exhaust Gas Treatment By Means Of Catalyst (AREA)

Abstract

本发明公开了一种具有污染物降解功能的隧道减光构筑物，属于交通运输领域，具体涉及一种隧道运营安全设施。包括设置在隧道出入口的减光构筑物、污染物降解涂层以及辅助增强污染物降解的紫外照明系统，所述的减光构筑物为S形格栅减光构筑物，所述的污染物降解涂层为TiO2光催化材料，依据隧道洞口污染物分布规律按两种方式涂敷在减光构筑物侧壁面上，所述的紫外照明系统包括紫外照明灯组合及紫外照明动态控制系统。本发明，有效实现隧道口光线均匀过渡，且增加了该装置与污染物的接触面积，通过自然光及紫外灯辅助照射在涂敷TiO2光催化材料的减光构筑物上，进一步使得光催化材料有效降解污染物，改善隧道口空气环境，有利于隧道安全和环境友好。

Description

一种具有污染物降解功能的隧道减光构筑物
技术领域
本发明涉及一种具有污染物降解功能的隧道减光构筑物，具体涉及隧道运营安全领域。
背景技术
随着经济发展，随之而来的是道路交通设施的大量建设，为了缓解道路交通载荷过重的问题，隧道建设成为了节约土地资源、缓解道路交通拥堵的重要举措。在城市和公路隧道运营中，过往车辆从外界较亮的环境进入隧道暗环境中，或从隧道暗环境进入外界亮环境中，剧烈的亮暗光线变化会造成驾驶员视觉疲劳甚至暂时失明等，不利于行车交通安全。因此，很多隧洞口特地设置了加强照明装置以加强隧道洞口内亮度使得驾驶员更快适应隧道内的光环境，但这无形中增加了照明的能耗。此外，由于城市公路隧道多建设在人口较为密集、人流密度大的区域，因而隧道口污染物控制成为了城市公路隧道环境问题的关键。
当前，众多城市公路隧道的设计考虑了隧道口行车的安全性，在隧道出入口设置了辅助照明系统，使得隧道口内外光环境得以平稳过渡，实现隧道口行车安全，但随之建造成本以及照明耗能、日常维护成本大大增加。为节约能源的同时有效解决隧道口内外光环境剧烈变化的问题，越来越多的隧道口减光构筑物涌现。目前已有的隧道口减光构筑物能很大程度的实现光线平稳过渡，提高隧道口行车的安全性。但其存在的缺点是，目前已有的隧道口减光构筑物基本上是格栅式设计，这增大了隧道洞口处亮度的同时也增大了隧道洞口内部用以增强照明消耗的电能，且已有的全覆盖、半覆盖式隧道口遮光棚相当于加长了隧道长度，使得隧道口集聚的汽车尾气等污染物气体更不易排出，进一步加剧了隧道口污染物聚集问题。考虑到①隧道口光线强度剧烈变化，使用辅助照明消耗大量电力资源，而使用普通的减光构筑物并未很好考虑到隧道口内部照明耗能；②隧道洞口附近属于汽车尾气等污染物聚集区，污染物浓度高，威胁到隧道口行车安全及隧道口附近的居民身体健康，一般的隧道口减光构筑物并无考虑隧道口污染物降解问题，因而解决上述隧道口的节能和减排问题迫在眉睫。
发明内容
本发明提供了一种具有污染物降解功能的隧道减光构筑物，旨在解决隧道口内外光线剧烈变化问题的同时，实现隧道洞口污染物稀释、降解，实现隧道洞口的照明节能与污染减排。
本申请的实施例公开了一种具有污染物降解功能的隧道减光构筑物，所述的减光构筑物长度L满足：20m<L<95m；所述的减光构筑物包括非对称式S形格栅、半透光式可转动百叶窗结构、污染物降解涂层、紫外照明系统；所述的减光构筑物主体为水泥混凝土结构，表面涂敷污染物降解涂层，所述的涂层通过自然光、紫外照明系统的照射增强光催化降解效率。
所述的S形格栅为左右两侧非对称式S形格栅；所述的S形格栅两相邻格栅之间的间距由靠近隧道口位置往远离隧道洞口位置逐渐增大，所述的逐渐增大的比率为1.1<σ<1.2；所述的S形格栅为两段圆环组成，所述的两段圆环横向宽度为15～75cm，所述的圆环两侧圆弧由减光构筑物宽度B的1/2作为半径旋转10°～90°得到。
所述的减光构筑物左右两侧为半透光的可转动百叶窗结构，所述的百叶窗叶片为宽度10～40cm透光率30％～80％并可以0°～180°转动的板状结构。
所述的污染物降解涂层为光催化材料，所述的光催化材料为过渡金属离子Fe3+改性后负载在活性炭纤维上的TiO2光催化材料。
所述的污染物降解涂层涂敷位置考虑到隧道洞口污染物分布及扩散规律，分两种方式进行涂敷；所述的两种涂敷方式为，在距离隧道洞口间距Δx与隧道洞口半径R之比满足Δx/R<9时，对减光构筑物S形格栅的所有壁面、百叶窗结构的壁面进行涂敷，在9<Δx/R<17时，只对百叶窗结构的壁面进行涂敷。
本实施例中所述的紫外照明系统由紫外照明灯组合、太阳能板、蓄电电池、光照强度感应装置、紫外照明动态控制系统、导线组成。所述的紫外照明灯组合为紫外灯带、双排管紫外照明灯和导线组合而成。
所述的紫外灯带为单向照射并且可弯曲的若干条紫外灯带组合而成，所述的每条紫外灯带上配备有若干个紫外小灯，所述的紫外灯带以格栅的弯曲形状固定在所述的减光构筑物S形格栅的底部，每节格栅上附着两条紫外灯带，所述紫外灯带照射方向为向上照射；所述的双排管紫外照明灯由悬吊竖杆、两个长度不同的支撑臂、转动轴、紫外照明灯组成，双排管紫外照明灯总计两组，一组在距离隧道洞口15m处，一组位于距离隧道洞口30m处；所述的悬吊竖杆为承重杆，所述的两个长度不同的支撑臂为一长一短的水平支撑臂，长臂比短臂长20cm，所述的紫外照明灯为分别安装在两个支撑臂上的两个紫外照明灯组合而成，所述的两个紫外照明灯与所述的紫外灯带相互独立可以单独控制，所述的两个紫外照明灯也可以单独控制，照射方向与隧道行车方向相同并可以依托转动轴0～80°转动。
所述的太阳能板为普通的太阳能板，所述的太阳能板分布在S形格栅的顶部，每节格栅上设置3块太阳能板，太阳能板与蓄电电池通过导线连接；所述的光照强度感应装置为普通的光照强度感应装置，所述的光照强度感应装置总共有4个，分别布置在减光构筑物的四个顶部一角；所述的蓄电电池为普通的铅蓄电池；所述的紫外照明动态控制系统为基于Windows系统的智能调控设备，紫外照明动态控制系统能自动识别和处理光照强度感应装置传来的信号并智能开启所述的紫外照明灯组合，实现动态增强污染物降解效率。
与已有技术相比，本发明的有益效果在于：
(1)由非对称式S形格栅与半透光式可转动百叶窗结构构成的减光构筑物，实现了隧道口光环境的平稳过渡，能有效降低隧道口洞外亮度，有利于隧道口行车安全、隧道洞口内照明节能、隧道洞口外污染物及时疏散。与此同时，S形格栅和百叶窗结构增大了减光构筑物与空气的有效接触面积，为涂敷TiO2光催化材料提供了条件；
(2)本发明选择负载在多孔的活性炭纤维上并加入过渡金属Fe3+离子优化了纳米TiO2光催化涂层，结合最新的隧道洞口污染物分布研究，将污染物扩散初始段内的减光构筑物侧壁全部涂敷TiO2光催化材料，污染物扩散衰减段的减光构筑物侧壁部分涂敷TiO2光催化材料，实现更为精确、高效的隧道洞口污染物降解；
(3)安装紫外灯照明系统，使得纳米TiO2光催化材料的催化性能大大加强，利用太阳能供电的紫外照明系统，通过紫外照明动态控制，大大节约了电能且更能合理调配不同天气条件下的紫外照明，合理配置了电能资源，优化了纳米TiO2光催化涂层的催化效率。
附图说明
图1为本实施例一种具有污染物降解功能的隧道减光构筑物的结构示意图；
图2为图1中半透光式可转动百叶窗结构示意图；
图3为图1中紫外照明系统示意图；
图4为图1中双排管紫外照明灯示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。
根据大量试验研究，隧道洞口附近光环境剧烈变化对于行车驾驶员的影响主要在隧道口前方停车视距处至隧道内部加强照明段、过渡照明段分界处这一范围。在该影响范围内一般需要通过减光格栅等设施减弱光线的剧烈变化，由于行车经过隧道洞口时具备一定的行驶速度，减光构筑物过短无法满足人眼对于光线适应的时间需求，而减光构筑物过长则会增加工程造价。减光构筑物长度可依据隧道口光环境自然过渡长度进行计算，其长度L主要与洞外照度Eout、洞内照度Ein、驾驶员出入隧道洞口时人眼所需适应时间T、隧道设计车速v有关。隧道进口、出口人眼所需适应时间计算公式如下所示：
Tin＝0.0204·(Eout-Ein)0.6031 (1)
Tout＝0.0201·(Eout-Ein)0.6012 (2)
其中，Tin为驾驶员驶入隧道洞口视觉适应时间，Tout为驾驶员驶出隧道洞口视觉适应时间。
减光构筑物长度L可以按下式计算：
Figure BDA0002705353820000041
Dtr＝Dtr1+Dtr2+Dtr3 (4)
其中，T为驾驶员视觉适应时间，Dtr为过渡段长度，Dt1、Dtr2和Dtr3可通过规范(JTGTD70/2-01-2014)查得。
在本实施例杭州某隧道中，隧道半径R为5m，设计时速60km/h，过渡段长度中Dth1按规范取44m，Dtr2按规范取67m，Dtr3按规范取100m。隧道洞口外的光照强度Eout约为80000lux，洞口处亮度度按规范取3500cd/m2，亮度折减系数按车流量使用插值法取0.018，鉴于隧道内铺装沥青路面，照度与亮度换算系数取15lux/(cd/m2)，则得到隧道洞口处照度Ein约945lux，代入即可计算得到驾驶员驶入和驶出隧道时的反应恢复时间，其中Tin约为18.35s，Tout约为17.69s，最大视觉适应时间T取18.35s。在式(3)中代入上述数据计算，得到本实施例中所述的减光构筑物长度最长取94.83m，为便于计算取整为95m。而当减光构筑物长度小于20m时，减光构筑物过短，使得减光效果较弱，驾驶员驾车驶入、驶出隧道洞口时视觉明暗强烈变化，不利于行车安全，因而不推荐使用长度小于20m减光构筑物。作为优选，采用长度范围为20m<L<95m的隧道减光构筑物。
本实施例中，减光构筑物格栅结构采用同种材质，侧壁百叶窗结构采用同种材质，为了减弱隧道口光环境剧烈变化的同时考虑到隧道口污染物有效降解，综合考虑建造成本，减光构筑物长度选定为L＝70m，为预留足够的空间供检修等，减光构筑物宽度B选定为11m，高度H选定为5.5m。
考虑到减光构筑物主要是阻挡驾驶员仰视20°的视野范围内自然光，且覆盖式遮光棚不易于隧道口污染物扩散，进一步确定使用格栅来减弱自然光、促进污染物往外扩散。为了得到更好的光过渡效果和污染物促排效果，减光构筑物顶部采用间距渐变型格栅，综合考虑到格栅的减光效果、结构强度，格栅尺寸以宽度15～75cm厚度10～40cm为宜。考虑到渐变率σ>1.2时最外侧两格栅的间距太大，而渐变率σ<1.1时格栅之间的渐变效果不明显，因而渐变率采用1.1<σ<1.2的比率为宜。当使用格栅作为减光构筑物的减光形式时，阳光照射在格栅上方，在地面上会形成明暗变化的“斑马线”，驾驶员以一定速度行驶经过该“斑马线”会产生闪烁效应造成视觉不适与心理压抑，为了尽量避免驾驶员驾驶车辆经过减光构筑物出现强烈的视觉闪烁感，为污染物降解涂层提供更宽广的空气接触面积，优选的，将减光构筑物格栅设置成S形格栅。为了进一步减弱隧道内行车的眩光、增加格栅与空气接触面积，S形格栅以两段圆环组成，圆环两侧圆弧由减光构筑物宽度B的1/2作为半径旋转10°～90°得到，两段圆环非对称设置，进一步形成S形格栅。本实施例中，考虑到减光效果及制作难度，以半径B/2等于5.5m旋转60°得到圆弧的长度制作S形格栅，格栅横向宽度选定为50cm，靠近隧道口起始端的两个格栅间距为15cm，格栅间距在往远离隧道洞口方向以1：1.15的比率递增，总格栅数量为28节。
鉴于一般的隧道口减光构筑物并不考虑隧道内部加强照明耗能的问题，仅要求减光构筑物实现光线平稳过渡，且其往往忽视了隧道洞口两侧的污染物影响范围比隧道口上方的污染物影响范围更广的问题，作为优选，本发明中将减光构筑物侧壁设置成半透光式可转动百叶窗结构，考虑到转动的百叶窗尺寸过大会影响到行车，完全通透又会增加洞外亮度加剧隧道洞口照明耗能，因而选取百叶窗叶片材料为宽度10～40cm透光率30％～80％并可以0°～180°转动的板状结构。本实施例中，为了进一步降低隧道口亮度分布，降低隧道口内部照明耗能，同时兼顾减光构筑物的强度、耐用性，优选的，选择宽度为20cm透光率为60％的半透光板状结构作为百叶窗叶片，总348片百叶窗叶片均匀分布在减光构筑物两侧，通过百叶窗结构降低隧道口洞外亮度，增大空气接触面积，进一步为涂敷污染物降解涂层提供可行性。
目前，受到学者广泛研究的光催化剂大多数属于宽禁带的n型半导体化合物，如TiO2、ZnO、CdS、WO3、SnO2、V2O5等，而选择半导体作为光催化剂是由于半导体含有能带结构，且其能带结构是不连续的。一般情况，半导体的能带结构是由一个带有大量电子的低能价带与一个空导带组成，价带与导带间存在一个禁带。其中，半导体的光吸收阈值与禁带带隙存在如下式所示的关系：
Figure BDA0002705353820000061
其中，λ为光吸收阈值，Eg为禁带带隙。
当受到相应波长的光照射，光催化剂吸收的光子能量≥光吸收阈值时，光催化剂的价带上的电子即被激发，电子越过禁带进入到导带中，使得价带结构上形成电子空穴，电子空穴再与H2O等发生反应形成具有强氧化性的羟基自由基，因而使半导体光催化材料具备非常优异的光催化性能。常见的半导体中，TiO2、ZnO、CdS三种半导体光催化剂的禁带宽度较大，它们的氧化催化性能也都比较好，但ZnO、CdS的稳定性不如TiO2，而且TiO2具有制作来源广泛、对人体无毒等特点。研究表明，纳米TiO2光催化材料作为N型半导体，禁带宽度3.0Cv，属于380nm以下的紫外光激发范围，纳米TiO2价带上的电子在紫外光的照射下吸收紫外光的能量发生电子跃迁，电子跃迁到导带，而在价带中形成空穴，空穴、电子及水发生化学反应生成具有很强氧化性的高活性基团，该高活性基团中包括的活性氧、羟基自由基能够使得空气中的CO、NO等有害气体被氧化成无毒害的CO2、硝酸盐、水等，纳米TiO2光催化材料具有很广阔的应用前景。优选的，本实施例中选用TiO2作为涂敷的光催化材料，将其应用在本实施例一种具有污染物降解功能的隧道减光构筑物上能有效降低隧道口的汽车尾气等污染性气体，有利于维护隧道口空气环境。
已有研究表明，参杂过渡金属离子有助于改善TiO2的光催化活性，诸如Fe3+等的金属离子能够减少光生电子和空穴的复合、提高光子的利用率、增加TiO2光催化材料对于可见光的利用率，有效保持和增强光催化的能力。加入过量的Fe3+会减弱其光催化效率，而在Fe3+小于0.01％时改性效果不佳，作为优选，在TiO2光催化材料中加入浓度为0.01％～0.05％的Fe3+得到改性的TiO2光催化材料用以增强光催化效率。应用TiO2材料进行光催化降解一般有使用悬浮TiO2粉末和将TiO2光催化材料负载到其他材料上两种方式，针对本实施例中隧道洞口污染物降解问题，空气流动性大，悬浮TiO2光催化粉末易聚集和流失，作为优选，采用负载型TiO2。考虑进一步提升污染物降解效率保持隧道口良好的空气环境，作为优选，使用活性炭纤维负载TiO2光催化材料形成疏松的多孔结构达到更大的比表面积，用以提升光催化效率。本实施例中，在TiO2光催化材料中加入浓度为0.02％的Fe3+进行改性，将之负载在活性炭纤维上制成光催化涂层，该涂层的颜色较浅，且反射比小于20％，定向度小于0.4，不会额外增加隧道洞口外部的亮度。
根据大量试验及理论方面的研究，TiO2光催化反应动力学符合Langmuir-Hinshellwood模型，即L-H模型，如下式所示：
Figure BDA0002705353820000071
其中，r为反应速率，k为反应速率常数，θ为表面反应物覆盖率，K为吸附平衡常数，C为反应物浓度。
表面反应物覆盖率θ是由反应物吸附速率方程、反应物脱附速率方程联立求解得来，反应物吸附速率方程和反应物脱附速率方程如下式所示：
ua＝ka·C(1-θ) (7)
ud＝kd·θ (8)
其中，ua为反应物吸附速率，ka为反应物吸附速率常数，ud为反应物脱附速率，kd为反应物脱附速率常数。
当ua＝ud联立求解即可得到关于反应物覆盖率θ的表达式，如下式所示：
ua＝ud＝ka·C(1-θ)＝kd·θ (9)
Figure BDA0002705353820000072
其中，吸附平衡常数K满足K＝ka/kd。
由公式(7)及其推导式(9)、(10)可知，TiO2光催化反应速率与表面反应覆盖率θ息息相关，而θ又与吸附平衡常数K和反应物浓度C有关，隧道口污染物气体的浓度较高、污染物气体吸附能力较强时，TiO2光催化反应速率也会维持在较高的水平。因此，为了进一步解决实际工程中隧道口污染物集聚问题，使得污染物降解更为高效，不仅要对光催化降解材料、负载载体进行优选，还要考虑TiO2光催化材料的涂敷位置，即隧道口污染物分布规律，将污染物浓度分布情况考虑进去进一步优选涂敷方案。
根据三维壁面射流理论和大量的隧道通风试验结果，在不考虑隧道口车流的情况下，即没有交通风帮助疏散隧道口污染物的最不利工况，隧道口污染物分布与距离隧道口的距离Δx及洞口半径R有关，与隧道口平行的各断面最大污染物浓度Cmax和间距与隧道口半径的比值Δx/R呈现分段函数关系，其中，在Δx/R≤9时，污染物浓度基本上与隧道出口的污染物浓度保持一致，在9≤Δx/R≤17时，污染物浓度随着与隧道口的间距Δx增大而逐渐减小，Δx/R＞17时逐步减小但衰减的幅度开始减弱。参照射流理论，可将隧道口污染物分布按Δx/R≤9分成初始段，将Δx/R≥9分成衰减段。作为优选，针对隧道口污染物分布初始段、衰减段两个分段，结合L-H模型分别提出两种不同的TiO2光催化材料涂敷方式。所述的两种不同的TiO2光催化材料涂敷方式是指，在距离隧道洞口间距Δx与隧道洞口半径R之比满足Δx/R<9时，对减光构筑物S形格栅的所有壁面、百叶窗结构的壁面进行涂敷，在9<Δx/R<17时，只对百叶窗结构的壁面进行涂敷。本实施例中，隧道半径R为5m，减光构筑物长度为70m，Δx/R＝9时距离隧道洞口间距Δx的长度为45m，该减光构筑物前45m部分正好位于污染物扩散初始段，污染物浓度较高，而45m<L<70m位于污染物分布衰减段内，该范围内的污染物空气浓度已逐步开始衰减，且减光构筑物左右两侧的污染物影响范围较垂直上方的污染物影响范围更广。因而在本实施例中，对减光构筑物上长度L<45m范围内的格栅所有壁面、百叶窗结构的壁面涂敷TiO2光催化材料，在减光构筑物45m<L<70m范围内只针对半透光式百叶窗结构进行涂敷。
如图1所示，本实施例是一种具有污染物降解功能的隧道减光构筑物，包括非对称式S形格栅1、半透光式可转动百叶窗结构2、污染物降解涂层3、紫外照明系统4等四个主要部分，减光构筑物整体架构为钢筋混凝土结构，加装附件而成，主要附件由光照强度感应器9和紫外照明动态控制系统10组成。各电子附件通过铜芯导线连接，连接处加装3mm厚度的防水胶圈以防止雨水等对于导线性能的损害，导线通过专用接口连接并通过Φ6螺母卡口予以固定。
图2所示为半透光式可转动百叶窗结构示意图，百叶窗叶片201可以绕旋转轴202以0～180°旋转，当隧道内光照强度较低、污染物浓度较高时可选择性开启部分百叶窗叶片，以实现不同工况时的洞外亮度调节、通风排污需要。半透光式百叶窗结构通过20cm宽、0～180°可自由变动的转动角度、60％透光度的百叶窗叶片，依托各叶片上的光催化涂料，可以实现减弱隧道洞口外部亮度，促进隧道洞口内照明节能，并且百叶窗结构增大了空气接触面积，涂敷光催化材料后有利于达到降低隧道口污染物浓度改善隧道口附近空气质量的目的。
图3所示为紫外照明系统示意图，紫外照明系统4由紫外照明灯组合、太阳能板6、蓄电电池13、光照强度感应装置9、紫外照明动态控制系统10、导线11组成。所述的紫外照明灯组合为紫外灯带、双排管紫外照明灯和导线组合而成。紫外照明系统通过智能控制，实现隧道洞口TiO2光催化降解污染物效率的动态调控。如图3所示，在非对称式S形格栅1上方布置太阳能板6(长*宽＝20cm*20cm)，每节格栅上方布置3块太阳能板，太阳能板6通过导线11连接至紫外照明动态控制系统10上，其作用是收集太阳能转换为电能并储存在蓄电电池13中。所述蓄电电池13为减光构筑物上的紫外照明系统4提供电力，且蓄电池13附着在紫外照明动态控制系统10上，蓄电池13可以单独拆卸和更换。紫外照明灯组合包括通过粘胶黏附在S形非对称式渐变格栅上的紫外灯带和上下双排设置的双排管紫外照明灯，紫外灯带以格栅的弯曲形状通过粘剂附着在非对称式S形格栅1的底部，每节格栅上附着两条紫外灯带，紫外灯带照射方向为向上照射。
如图4所示为双排管紫外照明灯示意图，所述的双排管紫外照明灯由悬吊竖杆41、两个长度不同的支撑臂71和81、转动轴42、上排紫外照明灯7、下排紫外照明灯8组成。为了进一步结合污染物分布规律，增强光催化涂层的光催化效率，双排管紫外照明灯总计两组，通过悬吊竖杆41固定在减光构筑物上，一组悬吊在距离隧道洞口15m处，一组悬吊在位于距离隧道洞口30m处。双排管紫外照明灯悬吊在减光构筑物主框架中间梁的底部，具体高度为减光构筑物主框架中间梁下底面向下30cm处，上排紫外照明灯7和下排紫外照明灯8可以单独控制，照射方向与行车方向相同，上下排紫外照明灯7、8可绕转动轴42在0～80°范围内转动，双排管紫外灯的合理开启将有效提高TiO2光催化效率。
结合图1至图4，在本实施例所涉及的一种具有污染物降解功能的隧道减光构筑物上方四个顶角分别布置一枚光照强度感应器9，光照强度感应装置9由光照强度传感器92、光照强度感应器防水外壳91及螺栓结构93组成，其通过直径为5mm的圆柱形螺钉固定在减光构筑物主体上，光照强度感应装置9分布在减光构筑物结构的四个方位，以实现更为准确的光照强度监测。光照强度感应装置9的感应信号实时传输到紫外照明动态控制系统10中。所述的紫外照明动态控制系统10为一台基于Windows操作系统并集成了光照强度分析软件、电力调配智能控制软件的智能调控设备，所述的紫外照明动态控制系统10可以根据光照强度感应器9上的检测数据判断外界光照环境并对紫外照明系统发出指令以实现紫外照明系统的动态调控。当外界光照强度较大时，如晴朗天气，可见光基本能满足光催化涂料的光子能，则不需要开启紫外照明系统，紫外照明动态控制系统10则不会指令任何紫外灯开启，当外界为一般照明强度时，紫外照明动态控制系统10将开启紫外照明灯带以实现光催化作用的增强，当面临阴雨天气或者傍晚环境时，紫外照明动态控制系统10将开启紫外照明灯带的同时还将开启紫外照明双排灯管中的上排灯管，当外界完全是暗环境时，紫外照明动态控制系统10将指示所有紫外照明灯开启。此外，紫外照明动态控制系统10也可设置分时段控制模式，在车流量高峰时间(如上午7:00-9:00，下午16:00-18：00)，隧道车流量较大、隧道口污染物浓度较高，该时段可不考虑外界照明亮度开启紫外照明；当深夜(如凌晨1:00-5:00)车流量减少，隧道口污染物浓度较低，该时段可不考虑外界自然光亮度比较低直接关闭紫外照明。该紫外照明系统4在紫外照明动态控制系统10的智能调控下可以选择性的开启，可以实现对于紫外照明系统的动态控制，因而可以进一步提升TiO2光催化效率。
本实施例的具有污染物降解功能的隧道减光构筑物，首先通过非对称式S形格栅和半透光式可转动百叶窗结构，从结构上改善了隧道口光环境的剧烈变化，使得隧道口内外的光环境平稳过渡，使隧道口行车更安全，结构上的设计也更利于降低隧道口外部亮度，促进减少隧道口内部的照明能耗，非对称式S形格栅和半透光式可转动百叶窗结构不仅利于隧道口污染物的稀释和扩散，而且增大了减光构筑物与污染物空气的接触面积，为减光构筑物上涂敷污染物降解涂层提供了有利条件。
其次，本发明充分考虑了隧道口附近聚集有大量汽车尾气等污染物的情况，依托光催化反应动力学L-H模型并引入了基于三维壁面射流的隧道口污染物浓度分布情况，采用涂敷光催化材料的形式，并优选的考虑了负载在活性炭纤维上Fe3+改性的TiO2光催化材料的方式，在隧道口污染物浓度较高的区域内对S形格栅的所有侧壁、半透光式百叶窗结构的壁面都涂敷，在污染物浓度较低的区域只涂敷半透光式百叶窗结构的壁面，将污染物分布规律结合到减光构筑物上并加以应用，实现更为高效、经济的隧道口污染物降解。
此外，本发明充分利用太阳能及外部自然光等资源，通过光照强度的实时监测和紫外照明系统的动态调控，有目的性和选择性的开启紫外照明系统中的部分灯具，可以实现在不同外界光照强度的情况下动态提高TiO2光催化效率，以一种绿色环保的方式大大提高了隧道口污染物降解效率。
本发明的具有污染物降解功能的隧道减光构筑物有利于实现隧道口光环境的平稳过渡，降低隧道洞口内照明能耗，高效降解隧道口附近集聚的汽车尾气等污染物，能够有效实现隧道洞口环境的节能与减排。

Claims (7)

1.一种具有污染物降解功能的隧道减光构筑物，其特征在于，所述的减光构筑物长度L满足：20m<L<95m；所述的减光构筑物包括非对称式S形格栅、半透光式可转动百叶窗结构、污染物降解涂层、紫外照明系统；所述的减光构筑物主体为水泥混凝土结构，表面涂敷污染物降解涂层，所述的涂层通过自然光、紫外照明系统的照射增强光催化降解效率。
2.根据权利要求1中所述的具有污染物降解功能的减光构筑物，其特征在于，所述的S形格栅为左右两侧非对称式S形格栅；所述的S形格栅两相邻格栅之间的间距由靠近隧道口位置往远离隧道洞口位置逐渐增大，所述的逐渐增大的比率为1.1<σ<1.2；所述的S形格栅为两段圆环组成，所述的两段圆环横向宽度为15～75cm，所述的圆环两侧圆弧由减光构筑物宽度B的1/2作为半径旋转10°～90°得到；
所述的减光构筑物左右两侧为半透光的可转动百叶窗结构，所述的百叶窗叶片为宽度10～40cm透光率30％～80％并可以0°～180°转动的板状结构。
3.根据权利要求1中所述的具有污染物降解功能的隧道减光构筑物，其特征在于，所述的污染物降解涂层为光催化材料，所述的光催化材料为过渡金属离子Fe3+改性后负载在活性炭纤维上的TiO2光催化材料。
4.根据权利要求1中所述的具有污染物降解功能的隧道减光构筑物，其特征在于，所述的污染物降解涂层涂敷位置分两种方式进行涂敷；所述的两种涂敷方式为，在距离隧道洞口间距Δx与隧道洞口半径R之比满足Δx/R<9时，对减光构筑物S形格栅的所有壁面、百叶窗结构的壁面进行涂敷，在9<Δx/R<17时，只对百叶窗结构的壁面进行涂敷。
5.根据权利要求1中所述的具有污染物降解功能的隧道减光构筑物，其特征在于，所述的紫外照明系统由紫外照明灯组合、太阳能板、蓄电电池、光照强度感应装置、紫外照明动态控制系统、导线组成。所述的紫外照明灯组合为紫外灯带、双排管紫外照明灯和导线组合而成。
6.根据权利要求5中所述的紫外照明灯组合，其特征在于，所述的紫外灯带为单向照射并且可弯曲的若干条紫外灯带组合而成，所述的每条紫外灯带上配备有若干个紫外小灯，所述的紫外灯带以格栅的弯曲形状固定在所述的减光构筑物S形格栅的底部，每节格栅上附着两条紫外灯带，所述紫外灯带照射方向为向上照射；所述的双排管紫外照明灯由悬吊竖杆、两个长度不同的支撑臂、转动轴、紫外照明灯组成，双排管紫外照明灯总计两组，一组悬吊在距离隧道洞口15m处，一组悬吊在距离隧道洞口30m处；所述的悬吊竖杆为承重杆，所述的两个长度不同的支撑臂为一长一短的水平支撑臂，长臂比短臂长20cm，所述的紫外照明灯为分别安装在两个支撑臂上的两个紫外照明灯组合而成，所述的两个紫外照明灯与所述的紫外灯带相互独立可以单独控制，所述的两个紫外照明灯也可以单独控制，照射方向与隧道行车方向相同并可以依托转动轴0～80°转动。
7.根据权利要求5中所述的紫外照明灯组合，其特征在于，所述的太阳能板为普通的太阳能板，所述的太阳能板分布在S形格栅的顶部，每节格栅上设置3块太阳能板，太阳能板与蓄电电池通过导线连接；所述的光照强度感应装置为普通的光照强度感应装置，所述的光照强度感应装置总共有4个，分别布置在减光构筑物的四个顶部一角；所述的蓄电电池为普通的铅蓄电池；所述的紫外照明动态控制系统为基于Windows系统的智能调控设备，紫外照明动态控制系统能自动识别和处理光照强度感应装置传来的信号并智能开启所述的紫外照明灯组合，实现动态增强污染物降解效率。
CN202011036920.0A 2020-09-28 2020-09-28 一种具有污染物降解功能的隧道减光构筑物 Expired - Fee Related CN112146037B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202011036920.0A CN112146037B (zh) 2020-09-28 2020-09-28 一种具有污染物降解功能的隧道减光构筑物

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202011036920.0A CN112146037B (zh) 2020-09-28 2020-09-28 一种具有污染物降解功能的隧道减光构筑物

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN112146037A true CN112146037A (zh) 2020-12-29
CN112146037B CN112146037B (zh) 2023-05-02

Family

ID=73895826

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202011036920.0A Expired - Fee Related CN112146037B (zh) 2020-09-28 2020-09-28 一种具有污染物降解功能的隧道减光构筑物

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN112146037B (zh)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN115017594A (zh) * 2022-06-30 2022-09-06 石家庄铁道大学 隧道入口段照明设计方法
CN115212721A (zh) * 2022-06-30 2022-10-21 长安大学 一种自主式隧道内汽车尾气分解系统及方法

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN105214600A (zh) * 2015-09-14 2016-01-06 南京林业大学 一种适应公路隧道照明条件的改性纳米二氧化钛制备方法
CN105240786A (zh) * 2015-11-25 2016-01-13 四川省交通运输厅公路规划勘察设计研究院 基于自然光的隧道照明系统
CN105421256A (zh) * 2015-12-28 2016-03-23 招商局重庆交通科研设计院有限公司 公路隧道洞口绿色节能防眩系统
CN106838815A (zh) * 2017-02-21 2017-06-13 哈尔滨理工大学 城市隧道智能光过渡段
CN107215999A (zh) * 2017-05-31 2017-09-29 佛山市玉凰生态环境科技有限公司 一种河道浮油自动收集处理装置
CN109724043A (zh) * 2018-11-29 2019-05-07 重庆交通大学 基于等效照明的公路隧道洞口调光系统
CN209444341U (zh) * 2018-11-29 2019-09-27 广东省交通规划设计研究院股份有限公司 一种实现公路隧道洞口明暗平滑过渡的节能隧道口减光棚

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN105214600A (zh) * 2015-09-14 2016-01-06 南京林业大学 一种适应公路隧道照明条件的改性纳米二氧化钛制备方法
CN105240786A (zh) * 2015-11-25 2016-01-13 四川省交通运输厅公路规划勘察设计研究院 基于自然光的隧道照明系统
CN105421256A (zh) * 2015-12-28 2016-03-23 招商局重庆交通科研设计院有限公司 公路隧道洞口绿色节能防眩系统
CN106838815A (zh) * 2017-02-21 2017-06-13 哈尔滨理工大学 城市隧道智能光过渡段
CN107215999A (zh) * 2017-05-31 2017-09-29 佛山市玉凰生态环境科技有限公司 一种河道浮油自动收集处理装置
CN109724043A (zh) * 2018-11-29 2019-05-07 重庆交通大学 基于等效照明的公路隧道洞口调光系统
CN209444341U (zh) * 2018-11-29 2019-09-27 广东省交通规划设计研究院股份有限公司 一种实现公路隧道洞口明暗平滑过渡的节能隧道口减光棚

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN115017594A (zh) * 2022-06-30 2022-09-06 石家庄铁道大学 隧道入口段照明设计方法
CN115212721A (zh) * 2022-06-30 2022-10-21 长安大学 一种自主式隧道内汽车尾气分解系统及方法

Also Published As

Publication number Publication date
CN112146037B (zh) 2023-05-02

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN101464029B (zh) 利用太阳能的窗式光催化空气净化器
CN112146037B (zh) 一种具有污染物降解功能的隧道减光构筑物
CN109728763B (zh) 一种风光互补发电的轮载式移动电站
CN107129005A (zh) 一种内光源球串式光催化水质净化箱
CN110608498B (zh) 一种自然导光通风一体化装置
CN107269468A (zh) 一种治理大气污染的太阳能致风发电系统
CN211526643U (zh) 一种自然导光通风一体化装置
CN205277694U (zh) 一种光伏太阳能、风力、雨水发电集一发电装置
CN203893053U (zh) 一种高效节能的太阳能路灯
CN111648784A (zh) 一种半封闭型隧道光伏发电遮光棚
CN205174598U (zh) 一种空气净化装置
CN110090539A (zh) 一种净化道路汽车尾气的智能护栏
CN215863188U (zh) 通风换气光导系统
CN205392006U (zh) 降霾及太阳能发电装置
CN104791935A (zh) 城市净化装置
CN109869684A (zh) 一种具有防风功能的环保节能路灯
CN211198769U (zh) 一种新型城市黑臭水体净化装置
CN111237707B (zh) 一种利用电磁感应原理的可调节新能源路灯
CN222716909U (zh) 一种基于减光网孔结构的隧道节能构筑物
CN211176578U (zh) 一种可调节式太阳能路灯
CN208951952U (zh) 一种多功能太阳能路灯
CN210370077U (zh) 一种多功能光伏停车棚
CN219554883U (zh) 一种旧建筑外立面节能改造结构
CN212640304U (zh) 一种隔热保温防蓝光量子光催化涂层抗菌发电玻璃
CN202205780U (zh) 一种纳米自清洁双玻面太阳能电池组件

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant
CF01 Termination of patent right due to non-payment of annual fee
CF01 Termination of patent right due to non-payment of annual fee

Granted publication date: 20230502