CN114263487A - 公路隧道竖井通风加热系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种公路隧道竖井通风加热系统及方法，其通过利用太阳光集输系统采集竖井外的太阳光并将采集到的太阳光输送到竖井底部，再利用太阳能加热系统吸收所述太阳光集输系统传到竖井底部的太阳光，并将吸收的太阳光转换为热能后通过通风加热器对竖井井底区域进行加热；通过使竖井内的气流温度高于外界环境温度，可强化隧道竖井的烟囱效应，热气流能够更快地从竖井内排出并在竖井底部形成负压，从而将新鲜空气从隧道其他入口引入隧道内，实现强化隧道竖井自然通风的效果；通过将通风加热器安装在竖井的底部区域，从源头上加热竖井内通风气流，提升了热能利用率，比在竖井出口附近设置加热器的方式更加高效，竖井烟囱抽力提升更显著。

Description

公路隧道竖井通风加热系统及方法

技术领域

本发明涉及一种公路隧道竖井通风加热系统及方法。

背景技术

目前，我国已成为世界上修建隧道数量最多、发展最快的国家。截至2020年底，中国内地公路隧道为21316处、21999公里。其中，长度大于3公里的特长隧道1394处、里程6236公里，长度1至3公里的长隧道5541处、里程9633公里。对于长大公路隧道，自然通风已不能满足隧道通风要求，我国多采用纵向分段式通风。但纵向通风设备在运行过程中耗电量大，风机维修保养成本高。如何充分利用自然风进行隧道辅助通风，已成为近年来的研究热点。

隧道通风竖井由于烟囱效应会形成自然风压。烟囱效应是指户内空气沿着有垂直坡度的空间向上升或下降，造成空气加强对流的现象。烟囱抽力计算式为：

上式中，S为烟囱抽力，Pa；ρ₀为标准状态下空气密度，kg/m³；H为烟囱高度，m；t_out为环境空气温度，℃；t_in为竖井内气流平均温度，℃；b为当地大气压，Pa。从上式可知，烟囱抽力与烟囱的高度、环境空气温度、竖井内气流平均温度、当地大气压等因素有关。

对于隧道竖井，当洞外温度较高时，在烟囱效应的作用下，竖井多为向隧道内送风，这对排风竖井来说竖井自然风压是阻力；当洞外温度低于洞内温度时，竖井多为向隧道外排风，这对排风竖井来说竖井自然风压是动力，有助于隧道通风。

对于公路隧道排风竖井，如果能够提高竖井内气流平均温度，将有效提升烟囱抽力，增大排风竖井通风量。竖井出口外有丰富的太阳能，可以作为加热通风的热源；但是由于将竖井出口的热量输送到竖井内需要消耗大量能量，并且在输送的过程中还容易造成热量损失。因此，如何将太阳光热能经济的输送到竖井底部，从竖井底部段加热通风气流，是目前亟待解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种公路隧道竖井通风加热系统，以解决现有竖井通风加热系统能耗高且热量利用率低的问题。

为解决上述技术问题，本发明提供一种公路隧道竖井通风加热系统，包括依次连接的太阳光集输系统、太阳能加热系统和通风加热系统；所述太阳光集输系统安装在竖井外，用于采集太阳光并将采集到的太阳光输送到竖井底部；所述太阳能加热系统用于吸收所述太阳光集输系统传到竖井底部的太阳光，并将吸收的太阳光转换为热能；所述通风加热系统包括安装在竖井底部的通风加热器，用于将太阳能加热系统转换的热能传递至竖井内，对竖井井底区域进行加热。

进一步地，所述太阳光集输系统包括安装在竖井外的太阳能采光器，所述太阳能采光器通过导光管道将采集到的太阳光输送到竖井底部后，通过光分配结构将太阳光传递给太阳能加热系统。

进一步地，所述太阳能加热系统包括太阳能集热板和热液储罐；太阳能集热板内的第一传热工质吸收太阳光集输系统传到竖井底部的太阳光后温度升高；温度升高后的第一传热工质通过第一管道与热液储罐内的散热器的入口连接，通过散热器将热量传递给热液储罐内的第二传热工质降温后至散热器的出口，再通过第二管道传回太阳能集热板。

进一步地，所述第一管道上安装有第一开关阀，所述第二管道上安装有第一循环泵。

进一步地，所述太阳能加热系统安装在公路隧道与竖井连接的水平连接段内。

进一步地，所述热液储罐的外壁面设置有保温材料。

进一步地，所述通风加热器布置在竖井的井壁混凝土内，通风加热器的入口通过第三管道与热液储罐的出液口连接，通风加热器的出口通过第四管道与热液储罐的入液口连接。

进一步地，所述太阳光集输系统还包括用于调节太阳能采光器使其追踪太阳方位角的角度调节装置。

此外，本发明还提供一种公路隧道竖井通风加热方法，包括以下步骤：

S1：采集太阳光，并将采集到的太阳光输送到竖井底部；

S2：吸收传到竖井底部的太阳光，并将吸收的太阳光转换为热能；

S3：将步骤S2转换得到的热能传递至竖井内，对竖井井底区域进行加热。

本发明的有益效果为：通过利用太阳光集输系统采集竖井外的太阳光并将采集到的太阳光输送到竖井底部，再利用太阳能加热系统吸收所述太阳光集输系统传到竖井底部的太阳光，并将吸收的太阳光转换为热能后通过通风加热器对竖井井底区域进行加热；通过使竖井内的气流温度高于外界环境温度，可强化隧道竖井的烟囱效应，热气流能够更快地从竖井内排出并在竖井底部形成负压，从而将新鲜空气从隧道其他入口引入隧道内，实现强化隧道竖井自然通风的效果；并且，本申请中的通风加热器安装在竖井的底部区域，从源头上加热竖井内通风气流，提升了热能利用率，便于整段竖井内气流温度提升，比在竖井出口附近设置加热器的方式更加高效，竖井烟囱抽力提升更显著。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，在这些附图中使用相同的参考标号来表示相同或相似的部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明的设备布置示意图。

其中：1、太阳光集输系统；11、太阳能采光器；12、光传送管道；13、光分配结构；2、太阳能加热系统；21、太阳能集热板；22、第一循环泵；23、散热器；24、第一开关阀；3、通风加热系统；31、热液储罐；32、第二开关阀；33、第二循环泵；34、通风加热器；4、竖井井壁；5、通风竖井水平连接段；6、公路隧道。

具体实施方式

如图1和图2所示的公路隧道竖井通风加热系统3，包括依次连接的太阳光集输系统1、太阳能加热系统2和通风加热系统3；所述太阳光集输系统1安装在竖井外，用于采集太阳光并将采集到的太阳光输送到竖井底部；所述太阳能加热系统2用于吸收所述太阳光集输系统1传到竖井底部的太阳光，并将吸收的太阳光转换为热能；所述通风加热系统3包括安装在竖井底部的通风加热器34，用于将太阳能加热系统2转换的热能传递至竖井内，对竖井井底区域进行加热。

本申请通过利用太阳光集输系统1采集竖井外的太阳光并将采集到的太阳光输送到竖井底部，再利用太阳能加热系统2吸收所述太阳光集输系统1传到竖井底部的太阳光，并将吸收的太阳光转换为热能后通过通风加热器34对竖井井底区域进行加热；通过使竖井内的气流温度高于外界环境温度，可强化隧道竖井的烟囱效应，热气流能够更快地从竖井内排出并在竖井底部形成负压，从而将新鲜空气从隧道其他入口引入隧道内，实现强化隧道竖井自然通风的效果；并且，本申请中的通风加热器34安装在竖井的底部区域，从源头上加热竖井内通风气流，提升了热能利用率，便于整段竖井内气流温度提升，比在竖井出口附近设置加热器的方式更加高效，竖井烟囱抽力提升更显著。

上述太阳光集输系统1包括安装在竖井外的太阳能采光器11，所述太阳能采光器11通过导光管道12将采集到的太阳光输送到竖井底部后，通过光分配结构13将太阳光传递给太阳能加热系统2。通过利用太阳能采光器11对竖井出口附近丰富的太阳能进行收集，然后经导光管道输送至竖井底部后，通过光分配结构13将光线分布在太阳能集热板21上加热其中的传热工质。太阳光集输系统1能将竖井出口的能量经济、高效地传递至井底，有效解决了竖井出口太阳能与井底用能地点存在较大高差的难题。

上述太阳光集输系统1还包括用于调节太阳能采光器11使其追踪太阳方位角的角度调节装置；通过角度调节装置可调节太阳能采光器11的角度，是其可根据太阳方位角自由旋转角度，以提高太阳能的收集。其中，太阳能采光器11可采用阿尼特镜，用于捕捉太阳光并使光线收窄，导光管道入口与太阳能采光器11的反射器镜面上的开口相连接，其出口与光分配结构13相连接；角度调节装置看可采用电机或万向云台等。

上述太阳能加热系统2包括太阳能集热板21和热液储罐31；太阳能集热板21内的第一传热工质吸收太阳光集输系统1传到竖井底部的太阳光后温度升高；温度升高后的第一传热工质通过第一管道与热液储罐31内的散热器23的入口连接，通过散热器23将热量传递给热液储罐31内的第二传热工质降温后至散热器23的出口，再通过第二管道传回太阳能集热板21。所述第一管道上安装有第一开关阀24，所述第二管道上安装有第一循环泵22。利用太阳能集热板21将太阳光转换为热能后通过第一传热工质传递到热液储罐31内，通过散热器23将热量传递给填充在热液储罐31内的第二传热工质；降温后的第二传热工质在循环泵22的作用下，进入下一轮换热循环。所述太阳能加热系统2安装在公路隧道与竖井连接的水平连接段5内，水平连接段5内可便于开设安装空间，以便于太阳能加热系统2的安装，不会占用竖井空间影响气流流通；并且通过将太阳能加热系统2安装在水平连接段5内还可避免来自于竖井上方的坠落物对太阳能加热系统2的损害，有利于保护太阳能加热系统2。所述热液储罐31的外壁面设置有保温材料，可减少热量损失。

上述通风加热器34布置在竖井的井壁4混凝土内，通风加热器34的入口通过第三管道与热液储罐31的出液口连接，通风加热器34的出口通过第四管道与热液储罐31的入液口连接，所述第三管道上安装有第二开关阀32，所述第四管道上安装有第二循环泵33。通过将通风加热器34布置在竖井井壁4的混凝土内，利用混凝土作为蓄热和传热介质，将太阳光热能传递给竖井内的气流，与将通风加热器34直接安装竖井表面相比，可减小气流流动阻力损失，节省了能量。

此外，本发明公开了一种利公路隧道竖井通风加热系统对公路隧道竖井进行通风加热的方法，该方法包括以下步骤：

S1：采集太阳光，并将采集到的太阳光输送到竖井底部；

S2：吸收传到竖井底部的太阳光，并将吸收的太阳光转换为热能；

S3：将步骤S2转换得到的热能传递至竖井内，对竖井井底区域进行加热。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (9)

1.一种公路隧道竖井通风加热系统，其特征在于，包括依次连接的太阳光集输系统、太阳能加热系统和通风加热系统；

所述太阳光集输系统安装在竖井外，用于采集太阳光并将采集到的太阳光输送到竖井底部；

所述太阳能加热系统用于吸收所述太阳光集输系统传到竖井底部的太阳光，并将吸收的太阳光转换为热能；

所述通风加热系统包括安装在竖井底部的通风加热器，用于将太阳能加热系统转换的热能传递至竖井内，对竖井井底区域进行加热。

2.根据权利要求1所述的公路隧道竖井通风加热系统，其特征在于，所述太阳光集输系统包括安装在竖井外的太阳能采光器，所述太阳能采光器通过导光管道将采集到的太阳光输送到竖井底部后，通过光分配结构将太阳光传递给太阳能加热系统。

3.根据权利要求1所述的公路隧道竖井通风加热系统，其特征在于，所述太阳能加热系统包括太阳能集热板和热液储罐；太阳能集热板内的第一传热工质吸收太阳光集输系统传到竖井底部的太阳光后温度升高；温度升高后的第一传热工质通过第一管道与热液储罐内的散热器的入口连接，通过散热器将热量传递给热液储罐内的第二传热工质降温后至散热器的出口，再通过第二管道传回太阳能集热板。

4.根据权利要求3所述的公路隧道竖井通风加热系统，其特征在于，所述第一管道上安装有第一开关阀，所述第二管道上安装有第一循环泵。

5.根据权利要求3或4所述的公路隧道竖井通风加热系统，其特征在于，所述太阳能加热系统安装在公路隧道与竖井连接的水平连接段内。

6.根据权利要求3所述的公路隧道竖井通风加热系统，其特征在于，所述热液储罐的外壁面设置有保温材料。

7.根据权利要求1所述的公路隧道竖井通风加热系统，其特征在于，所述通风加热器布置在竖井的井壁混凝土内，通风加热器的入口通过第三管道与热液储罐的出液口连接，通风加热器的出口通过第四管道与热液储罐的入液口连接。

8.根据权利要求1所述的公路隧道竖井通风加热系统，其特征在于，所述太阳光集输系统还包括用于调节太阳能采光器使其追踪太阳方位角的角度调节装置。

9.一种利用权利要求1-8任一所述的公路隧道竖井通风加热系统对公路隧道竖井进行通风加热的方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：采集太阳光，并将采集到的太阳光输送到竖井底部；

S2：吸收传到竖井底部的太阳光，并将吸收的太阳光转换为热能；

S3：将步骤S2转换得到的热能传递至竖井内，对竖井井底区域进行加热。

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