基于太陽能風泵的隧道通風節能系統的設計

寧 鐸，劉 昕，李 玨

（陜西科技大學 電氣與信息工程學院，陜西 西安 710021）

隨著我國公路隧道里程的迅速增加，隧道通風方式隨之不斷更新，良好的通風方式不但滿足正常運營時的安全性、舒適性需求，而且運營成本低、能耗小。目前，我國大多數公路隧道采用豎井與機械通風相結合的方式[1]，這種方式通風質量好、效率高，但是耗電量巨大，給隧道的運營和管理帶來了沉重的經濟負擔。

本文所提出的隧道通風節能系統，在有太陽光照射期間，利用太陽輻射的熱能加熱風泵系統內的空氣，通過“煙囪效應”使隧道內空氣不斷向上流動，從而達到隧道通風換氣的目的；在無太陽光或太陽光照不足時，采用電力驅動的通風系統進行補償通風，兩者相互彌補，實現隧道全天候的通風功能。此外，利用渦輪發電機將同步通風后剩余的風能轉化為電能并儲存，在實現能源循環利用的同時達到節能減排的目標。

1 系統的總體設計

系統的總體設計結構圖如圖1所示。隧道通風節能系統主要由太陽能風泵系統、電力驅動的機械通風系統和風力發電系統組成。在太陽光照充足時，利用太陽能風泵系統強化自然通風；在光照不足或無太陽光時，風流量傳感器將檢測信號傳至控制器，控制器根據信號的變化控制風機的啟、停以及調速，對隧道進行補償通風，二者相互彌補，實現隧道全天候的通風功能。此外，在滿足通風條件的基礎上，將同步通風后剩余的風能轉換為電能并網或存儲，在無太陽光照射時，驅動風機進行隧道通風，從而實現節能減排的目標。

2 太陽能風泵系統設計及原理

太陽能風泵系統主要由太陽能集熱器和煙囪構成，為了盡可能地利用太陽能加大集熱器內外空氣溫差[2]，增加豎井負壓，本系統采用圓平面型集熱器。太陽能集熱器主要由透光層、吸熱層和保溫層3部分構成。太陽能經過透光層進入集熱器；吸熱層吸收太陽輻射的熱能并且對流過其表面的空氣進行加熱，為了提高太陽能熱利用效率，在其上方加裝散熱齒，便于熱交換；為了降低風阻，利用通風管道將豎井出口處空氣輸送到集熱器后再均勻流出。圖2為太陽能風泵系統簡圖。

圖2 太陽能風泵系統簡圖

3 機械通風系統設計

本文設計了太陽光照不足或無太陽光時補償通風的機械通風系統。該系統硬件部分主要包括傳感器、控制器、變頻器等器件。由于PLC在工業控制中具有安全、可靠的優勢，本系統采用S7-200PLC作為控制器[3]。通過設置在通風豎井中的傳感器檢測風速情況，然后通過PLC進行分析處理，最后通過輸出量來控制變頻器，進而控制風機的轉速，最終實現調節隧道通風量的目標。圖3為系統硬件結構圖。

圖3 系統硬件結構圖

3.1 系統的I/O分配

系統I/O分配是系統硬件設計的主要依據，控制系統中地址分配[4]及功能說明如表1所示。

表1 I/O地址分配表

3.2 PLC原理接線圖

PLC原理接線圖如圖4所示。

圖4 PLC接線原理圖

3.3 系統流程

根據《公路隧道通風設計細則》的要求，通風豎井內風速宜設計在13～20 m/s范圍內；當隧道內車流量密度達到210輛/km[5]時，將造成堵塞；當隧道內由于火災等情況引起溫度升高且達到45℃時，啟動所有變頻器。按照系統的控制要求，電力通風系統的流程圖如圖5所示。

圖5 電力通風系統流程圖

4 風力發電系統

根據實際工程條件，在方便設置太陽能風泵的時候，將同步通風后剩余的風能轉換為電能并網或者存儲在蓄電池中，以便在無太陽光照射時為風機提供電能，從而在降低隧道通風運營成本的同時，實現節能減排的目的。風力發電系統硬件部分主要包括風輪機、發電機、控制器、逆變器等器件[6]；通過設置在通風豎井中的傳感器檢測風速情況，在滿足隧道通風基本要求的條件下通過風輪機將剩余的風能轉化為機械能，然后利用發電機將機械能轉化為電能，在無太陽光照射期間驅動風機實現通風功能。圖6為風力發電系統硬件結構圖。

圖6 風力發電系統硬件結構圖

5 結束語

本文設計的隧道通風節能系統，利用太陽能熱效率高、綠色節能的特點強化自然通風，解決了傳統通風系統利用自然風通風負壓不足的問題，大幅度降低了隧道通風的能源消耗，同時對同步通風后剩余的風能加以利用，將其轉化為電能，在無太陽光時為風機提供電能，達到了節能減排的目的。

參考文獻：

［1］楊超，王志偉.公路隧道通風技術現狀及發展趨勢［J］.地下空間與工程學報，2011（04）：819-824.

［2］寧鐸，楊杰，王旭，等.公路隧道太陽能自然通風系統的設計［J］.福建電腦，2017（01）：138-141.

［3］楊東，雷勇，涂國強，等.基于西門子PLC控制的隧道通風系統設計［J］.自動化儀表，2015（09）：65-68.

［4］蔡建剛，盧世忠.基于MCGS聚丙烯裝置催化劑攪拌器控制系統的設計與實現［J］.工業儀表與自動化裝置，2015（01）：21-27.

［5］中華人民共和國交通運輸部.JTG/TD 70/2-02—2014公路隧道通風設計細則［S］.北京：人民交通出版社，2014.

［6］任永峰，安中全，李靜立，等.雙饋式風力發電機組柔性并網運行與控制［M］.北京：北京工業出版社，2011.