一种太阳能风泵独立型隧道自然通风系统及方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种隧道通风系统，具体涉及一种太阳能风栗独立型隧道自然通风系统及方法。
【背景技术】
[0002]随着国家经济发展，全国高速公路里程达11.19万公里，居世界第一位。公路隧道作为重要的构造物类型，既能缩短公路里程，保证最佳线形、提高技术标准，便利行车，又可有效防止恶劣天气及不良地质灾害，提高行车的安全性，同时能较好地与当地环境相协调，保全自然景观，从而得到了广泛应用。据统计，截至2014年底，全国公路隧道12404处、1075.67万米，其中特长隧道626处、276.62万米。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。
[0003]近年来能源问题的日益突出，隧道通风领域出现了丰富多样的节能手段。1991年开始运营的日本关越隧道长1km以上，采用两直径9.7m竖井+多台静电集尘器的组合通风方案。日本学者证明静电集尘器加送排式竖井的纵向通风系统不仅可以应用在关越隧道上，且不论交通方式如何、隧道长短，均可采用该通风方式。2000年底通车的挪威莱尔多隧道，采用了 “单斜井+烟尘及氮氧化物净化器+射流风机”组合的纵向通风方式，空气净化器可以清除空气中的烟尘颗粒和N02有害气体。对于长大公路隧道，我国现多采用纵向分段式通风，但该方式仍然能耗高昂。
[0004]我国于2014年8月I日开始执行的《公路隧道通风设计细则》(JTG/T D70/2-02-2014)，行业标准为其隧道通风技术应用铺平了道路。为了节能减排，实际工程中希望尽量利用自然通风来实现。因为这种自然通风系统本身属于大自然的绿色能源的合理利用，若根据隧址气象条件对自然风进行研究，掌握其规律，并在运营通风中加以利用，将起到明显的节能的效果，而根据调研，目前对于公路隧道自然风的利用研究还较少，因此研究成果相对还较少，但研究前景极为广阔。
[0005]国内对隧道的自然风压的研究不多。根据经验，对于短隧道采用自然通风的方式既经济又实用；而对于长大隧道而言，一般要采用机械通风方式，但在特定条件下，自然风的影响也会相当明显，若能认识其规律并加以利用，将在节能减排方面发挥重要的作用。
[0006]负压抽风技术正是利用烟囱效应。当自然风从竖井上方经过，在竖井出口处产生动压对竖井形成负压抽吸作用，使封闭式通风竖井内压力降低，这种负压一直传输到入口处，从而把隧道中受到污染的气体吸入后从出口处排出，而从隧道的出入口端流入等量的新鲜空气，周而复始，起到了对隧道进行通风换气的作用。
[0007]国内先后依托陕西秦岭终南山特长隧道(通风竖井直径9.5米)、宁夏六盘山隧道通过通风竖井实现部分自然通风进行了应用研究并取得了一些进展，主要思路是有效利用负压抽风技术一烟囱效应结合机械排风机一起完成隧道通风功能。当自然风从竖井上方经过，在竖井出口处产生动压对竖井形成负压抽吸作用，使竖井内压力降低，从而形成对隧道内通风换气的作用。但是实际使用过程中由于受到地理位置和自然风稳定性限制其效果甚微，目前仍然还是主要依靠排风机机械通风，从而加大了耗能同时造成运行成本的增加。所以如何有效利用一次能源增加自然通风分量来实现节能减排同时降低运行成本，已经成为其推广应用的技术瓶颈。
[0008]目前直接利用风能或者地热能在通风竖井中形成负压增加自然通风量的方案由于其获取困难或者效率太低无法实施，那么有效利用太阳能作为一种能够增强负压进而强化自然通风来实现节能减排就成为其唯一的选择。
【发明内容】
[0009]本发明的目的在于提供一种太阳能风栗独立型隧道自然通风系统及方法，以克服上述现有技术存在的缺陷，本发明不需要电力驱动通风机配合，保证了避免电力消耗条件下实现隧道自然通风的理想效果。
[0010]为达到上述目的，本发明采用如下技术方案:
[0011]—种太阳能风栗独立型隧道自然通风系统，包括贯穿设置在隧道上方的山体上的通风竖井，通风竖井的出口端设置有能够加热通风竖井出口端空气，并通过加热空气快速流出通风竖井后形成的负压抽出隧道内污染空气的太阳能风栗系统;太阳能风栗系统包括设置在山体上的由若干并联的太阳能热水器组成的太阳能热水器组以及连接在通风竖井出口端的烟囱，烟囱中设有热交换器，太阳能热水器组的出口端连接热交换器的入口端，热交换器的出口端连接太阳能热水器组的入口端。
[0012]进一步地，太阳能热水器组的出口端与热交换器的入口端之间设有用于贮存及保温热水的热水罐;热交换器的出口端和太阳能热水器组的入口端之间设有用于贮存回流水的回水罐。
[0013]进一步地，热水罐的出口端与热交换器的入口端之间设有热水栗；回水罐的出口端与太阳能热水器组的入口端之间设有循环栗。
[0014]进一步地，太阳能热水器组的出口端与热水罐的入口端之间设有用于检测热水温度的热水温度传感器，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。
[0015]进一步地，热水栗、循环栗、热水温度传感器以及风流量传感器均连接至控制器；所述热水栗、风流量传感器以及控制器形成第一闭环控制回路，其中控制器能够通过风流量传感器的检测数据控制热水栗的转速;所述循环栗、热水温度传感器以及控制器形成第二闭环控制回路，其中控制器能够通过热水温度传感器的检测数据控制循环栗的转速。
[0016]进一步地，所述的太阳能风栗独立型隧道自然通风系统还包括能够为第一闭环控制回路和第二闭环控制回路供电的光伏电池板及蓄电池。
[0017]进一步地，热交换器的热水管道的圆周径向上均匀分布有若干散热片。
[0018]进一步地，烟囱的外侧设置有保温层，烟囱的顶部设置有防雨罩。
[0019]进一步地，太阳能热水器为平板太阳能热水器。
[0020]—种太阳能风栗独立型隧道自然通风方法，首先利用太阳能加热太阳能热水器组中的水，利用被加热后的水作为中间介质通过热交换器再加热烟囱中的空气，加热后的空气能够加速流出烟囱进而使通风竖井出口端形成负压，最后通过负压抽出隧道内的污染空气。
[0021]与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果:
[0022]本发明系统利用太阳能对太阳能热水器中的中间介质一一水进行加热，经过加热后的水通入设置在烟囱中的热交换器中，热交换器通过换热将从通风竖井出口端流出的空气加热，空气受热后会加速从烟囱中流出，热空气加速流出后形成的负压即能够抽出隧道内的污染空气，从而实现隧道内的自然通风功能，因为不需要电力驱动通风机配合，保证了避免电力消耗条件下实现隧道自然通风的理想效果。
[0023]进一步地，设置热水罐及回水罐，热水罐可以用于贮存太阳能热水器流出的热水，并对热水保温，使自然通风系统在晚上等无太阳照射时段继续运行，从而实现隧道内全天候24小时的自然通风功能；回水罐则是作为贮存回流水以备重新被太阳光加热后把热能贮存于热水罐中。
[0024]进一步地，设置热水栗及循环栗、热水温度传感器及风流量传感器、控制器，使热水栗、风流量传感器以及控制器形成第一闭环控制回路，控制器能够通过风流量传感器的检测数据控制热水栗的转速；而循环栗、热水温度传感器以及控制器形成第二闭环控制回路，控制器能够通过热水温度传感器的检测数据控制循环栗的转速，实现整个系统的自动控制。
[0025]进一步地，设置有能够为第一闭环控制回路和第二闭环控制回路供电的光伏电池板及蓄电池，避免由山下把动力电源输送到山上通风竖井出口处的一次性投入资金，大幅度减少了系统成本。
[0026]进一步地，热交换器的热水管道的周向上均匀分布有若干散热片，从而实现大面积与经过的空气直接接触而达到很好的传热效果。
[0027]进一步地，烟囱的外侧设置有保温层，能够有效的保证烟囱中换热的高效进行，烟囱的顶部设置有防雨罩，避免阴雨天气对系统稳定性的影响。
[0028]进一步地，采用平板太阳能热水器并联安装方便，简单，占地面积小，不受安装环境限制，而且采热率高，非常节能。
[0029]本发明方法中太阳能热水器把水介质加热后贮存于热水罐中，再由热水栗根据需要自动输送到安装于烟囱内的热交换器，通过加热空气后加速从烟囱流出后在通风竖井出口处形成的强大负压抽出隧道内的污染空气，从而在不消耗电能情况下独立实现隧道内全天候24小时的自然通风功能，太阳能利用率高，由于采用比热系数很大的水作为太阳热能贮存介质，实现了在晚上等没有太阳光的情况下太阳能风栗仍然能够正常工作。
【附图说明】
[0030]图1为本发明的超长隧道自然通风示意图；
[0031]图2为本发明的系统的简易结构示意图；
[0032]图3为本发明的平板分立式系统的具体结构示意图；
[0033]图4为本发明的平板组合式系统的具体结构示意图；
[0034]图5为本发明的热交换器在烟囱中的布置示意图；
[0035]图6为本发明的图3和图5中A处的横截面放大示意图。
[0036]其中，1、山体;2、太阳能风栗系统;3、通风竖井;4、太阳能热水器;5、热水温度传感器;6、热水罐;7、热水栗;8、防雨罩;9、烟囱；10热交换器；11、保温层；12、风流量传感器；13、控制器；14、回水罐；15、循环栗；16、光伏电池板及蓄电池；17、热水管道；18、散热片；19、隧道。
【具体实施方式】
[0037]下面结合附图对本发明作进一步详细描述:
[0038]参见图1至图6，一种太阳能风栗独立型隧道自然通风系统，主要由太阳能热水器4，贮水罐、循环栗15、热交换器10和烟囱9以及控制回路等组成。其中固定于通风竖井3出口地面的若干并联的太阳能热水器4组成平板太阳能热水器组(如图3所示分立式或者图4所示组合式所示，图4中的太阳能热水器4仅为太阳能热水器组的一个单元，以此表明太阳能热水器与前后设备部件的连接关系)，具体形式取决于通风竖井3出口地面的位置以及需要功率大小等因素;贮水罐中的热水罐6用来贮存热量以备晚上等无太阳照射时段继续提供能量保证自然通风系统继续运行;而回水罐14则是作为系统中贮存回流水以备重新被太阳光加热后把热能贮存于热水罐6中待用。风流量传感器12、热水栗7和控制器13组成第一闭环控制回路，根据检测的通风竖井3出口处风流量与设计流量比较结果自动调节热水栗7转速，保证通风量达到设计要求;而热水温