公路隧道太阳能自然通风独立系统的研究

宁 铎，杨 婷，杨 杰，王康乐

（陕西科技大学电气与信息工程学院，陕西 西安 710021）

公路隧道太阳能自然通风独立系统的研究

宁 铎，杨 婷，杨 杰，王康乐

（陕西科技大学电气与信息工程学院，陕西 西安 710021）

为了解决公路隧道通风系统运营费用高昂的问题，通过对运行现状及技术特点进行分析和研究，提出了太阳能自然通风独立系统，其在不需要电力驱动风机的情况下，完全利用太阳能辐射，使光伏发电作为独立电源提供系统闭环控制回路所需的电能；将水吸收的热能转化为空气动能，保障了在避免电力消耗的条件下实现隧道自然通风的理想效果，在实现了太阳能高效率利用的同时，有效降低了成本，达到了节能减排的目的。

公路隧道；太阳能；热能转换；基础设施

近年来，我国公路隧道的发展取得了卓越的成就，公路基础设施实施总体水平实现了历史性的跨越。截至2015年年底，全国高速公路总里程已达125 373 km，其中，公路隧道为14 006处，长1.268 39×107m。而特长隧道744处，长3.299 8×106m ，长隧道3 138处，长5.376 8×106m，大大缩短了城市间的距离，加快了区域间人员、商品、技术、信息的交流速度，在更大空间上实现了资源的有效配置，对促进国民经济的发展起到了重要的作用。

但随着公路网络的不断完善，公路隧道建成通车后的运营费用高昂。世界能源危机的产生，使人们都深刻认识到节约能源、寻找新型能源的重要性。太阳能作为一种大自然的天然能源，既可免费使用，也无需运输，对环境无任何污染，且蕴含巨大的能量。如果可使其充分应用到生产生活中去，不仅响应了国家节能的政策，且将带来可观的经济效益。因此，本设计将着手研究如何更好地将太阳能应用到隧道通风技术中。

1 系统的基本原理

1.1 热交换原理

工程中，将某种流体的热量以一定的传热方式传递给其他的流体设备，称为热交换器。这种设备易于满足工艺过程，热交换效率高、热损失少，在温度和压力条件相适应的情况下，制造简单、装修轻便、经济合理、运行可靠，同时，可以保证较低的流动阻力，以减少热交换的动力消耗。本系统首先利用太阳能热水器将太阳能转化热能后储存到中间介质水中，然后利用热水传输至热交换器管道时放出热量，加热处于烟囱内的空气，从而起到通风换气的作用。

1.2 负抽压原理

利用烟囱效应，通过空气对流、负压换气的原理及相应设施实现公路隧道的自然通风。当处于烟囱内空气被热交换器加热后自然上升从烟囱出口流出后，由于烟囱底部与竖井出口连接形成封闭空间，在竖井出口处产生动压并对竖井形成负压抽吸作用，使封闭式通风竖井内压力降低，这种负压一直传递到竖井入口处，从而将隧道中受到污染的气体吸入竖井后从烟囱出口处排出，使隧道的出、入口端流入等量的新鲜空气，周而复始，实现了隧道内部自然通风换气的功能。

2 系统的设计方案

通过太阳能对公路隧道进行自然通风的系统结构如图1和图2所示，该系统主要由分别是太阳能热水器模块、太阳能光伏发电模块、热交换模块、控制模块等部分构成。

图1 平板分立式系统的具体结构示意图

利用太阳能热水器对水加热，实现太阳能吸收储能并把多余的热水储存到热水罐中，再由热水泵抽取热水进入热交换器管道中，加热烟囱内的空气产生负压，抽取通风竖井入口处的污染空气使其沿着烟囱上升至排气井出口；水流入回水罐中，再由循环泵抽出回水罐的冷却水再次利用，循环往复，最终达到公路隧道自然通风的目的。利用贮水罐的保温储能功能确保在夜晚或阴雨等无光照的天气提供热能。供电力。

图2 平板组合式系统的具体结构示意图

图3 离网光伏发电系统

2.1 太阳能热水器模块

太阳能热水器是太阳能热水系统最关键的部件，目前，市场常见的有3大类，平板太阳能热水器、真空管太阳能热水器、其他类型太阳能热水器。

在平板热水器中，太阳能辐射透过透明玻璃盖板照射在涂有太阳辐射吸收率涂层的吸热板上，吸热板升温并将热量传递给吸热板管内传热工质（平板热水器用于间接系统，传热工质一般为加有特殊材料的水，隔热材料起到减少热损的作用），其结构简单，可承压运行，可靠性高，能与建筑以多种方式结合，也可被设计为多种形状。本设计中将采用平板太阳能热水器，在通风烟囱出口的周围具有较大平面的情况下，安装为近似水平面的大面积太阳能热水器组，以便输出大功率太阳能转换为热能太阳能热水器组，还配套了相应的贮水罐（热水罐和回水罐），充分利用了平板太阳能热水器组吸收太阳能辐射的技术和优势，把热能以水的形式储存在热水罐中，弥补了阴雨天和夜晚没有太阳时系统对热能的需求，达到了节约能源的目的。

2.2 太阳能光伏发电模块

太阳能光伏发电是利用半导体的光伏特效应将太阳辐射能直接转换为电能而加以利用的一种发电方式。太阳能光伏发电模块的光伏电池板和蓄电池作为独立电源确定驱动热水泵和循环泵及闭环控制回路正常工作，选择离网光伏发电系统可以很好地满足系统的工作要求，离网光伏发电系统如图3所示。一般情况下，公路隧道都在较为偏远的山区，这种发电系统不受地域的限制，使用范围很广，只要有阳光照射的地方就可以安装使用，因此，非常适合于偏远无电网地区，不依赖电网而独立运行的发电系统。太阳能电池板发出的电直接流入蓄电池并储存起来，需要给电器供电时，蓄电池里的直流电流经逆变器并转换成220 V的交流电，这是一个重复循环的充放电过程，不但避免了由山下把动力电源输送到山上的资金投入，且保证了在夜间、多云、下雨时提

2.3 热交换模块

通风烟囱中安装有热交换器，结构布置如图4所示，其中，热水管道的表面均匀分布有多个散热片，使得热水管道和周围的空气可以更好地接触，从而达到很好的传热效果，空气经过加热密度变小而上升，而通风竖井和公路隧道连接的入口处的密度较大的冷空气便会不断补充，实现了利用太阳能将隧道中的污染空气抽出。

图4 热交换器在烟囱中的布置示意图

2.4 控制模块

控制系统框图如图5所示。

图5 控制系统框图

太阳能热水器组的出口端与热水罐的入口端之间设有检测热水温度传感器，通风竖井的出口处设置有用于检测空气流量的风流量传感器。整个系统分为2个闭环控制系统：①当风流量传感器的测定值小于设计值时，加快调节热水泵的转速，使得通风烟囱内的通风量补充到设计要求，保证车辆行驶的安全；当风流量传感器的测定值大于设计值时，为了避免能源的浪费，降低热水泵的转速。②当热水温度传感器的测定值高于设计值时，为了避免太阳能的浪费，开启或增加循环泵的转速，将循环水抽入太阳能热水器，再将热能贮存到热水罐中；当热水温度传感器的测定值低于设计值时，关闭循环泵或降低循环泵的转速，停止或减少循环水进入太阳能热水器，避免影响公路隧道的正常通风。

3 结束语

本文设计了公路隧道太阳能自然通风独立系统，将太阳能充分应用到了公路隧道通风系统中，相比传统的机械通风和互补型通风方式，本系统不需要电力传输驱动风机通风。通过系统的太阳能光伏发电模块满足了系统的电力需求，创造性地利用太阳能增强负压进而强化自然通风来实现公路隧道通风，太阳光加热高比热容系数的水，通过热交换器高效率加热烟囱内的空气，产生负压，进而抽出隧道中的污染空气，实现公路隧道自然通风，在很大程度上降低了公路隧道通风的运营费用，节约了能源，保护了环境。

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〔编辑：张思楠〕

U453.5

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2017.13.048

2095-6835（2017）13-0048-03