一種寒區隧道空氣幕保溫加熱系統的制作方法

本發明涉及寒區隧道防寒保溫技術領域，具體來說，涉及一種寒區隧道空氣幕保溫加熱系統。

背景技術：

國內外大量隧道建設和運營實際情況表明，在寒冷地區，尤其是地下水發育時，隧道常常會發生凍害，直接危害到隧道結構及行車安全，造成嚴重的經濟損失。尤其是在隧道洞口段容易發生凍害問題，隧道襯砌開裂、酥碎或剝落、隧道洞口處熱融滑塌、隧道襯砌漏水或掛冰、排水溝或出水口凍結、隧道洞門墻開裂、隧道底部冒水或積水凍脹，這些凍害嚴重影響隧道的正常使用功能。當前，中國隧道采取的防寒保暖技術主要有在隧道洞口段鋪設保溫層以及在洞口外安裝防寒保溫門的方法。以上防寒保暖技術存在的缺陷為：保溫層有一定的適用范圍，僅僅依靠被動的保溫層技術無法根除隧道凍害發生；防寒門只適用于車流量小且較短的隧道，對于特長隧道或行車密度大、列車速度快的隧道，設置防寒門將會影響行車安全和隧道內空氣質量。

針對以上問題，研究一種有效阻止冷空氣侵入隧道內而又不影響列車正常通行的空氣幕保溫加熱系統顯得十分必要。

申請號為201310017360.8的中國專利公開了一種寒區隧道路面太陽能-地源熱泵聯合蓄熱加熱系統，包括太陽能集熱器、供熱管路、地源熱泵換熱器和地源熱泵設備。其中地源熱泵換熱器分別與太陽能集熱器和地源熱泵設備連接，各自形成隧道中部圍巖的蓄熱環路和取熱環路，供熱管路分別與太陽能集熱器和地源熱泵設備連接，各自形成隧道洞口段路面的供熱環路。上述專利申請將地源熱泵換熱器安裝在隧道中部圍巖內的中空錨桿內，從而替代傳統地源熱泵埋管所需的地下鉆孔，雖有不占地、節省初期投資以及將夏季太陽能存儲于隧道圍巖中，用于冬季供熱，實現了太陽能跨季利用的優點，但其保溫加熱效果有限，無法根除隧道凍害的發生。

技術實現要素：

本發明的目的在于提出一種寒區隧道空氣幕保溫加熱系統，充分利用西北或東北地區風能和太陽能自然資源，具有節能環保的效果，同時可以降低隧道凍害的發生機率。

為實現上述技術目的，本發明的技術方案是這樣實現的：

一種寒區隧道空氣幕保溫加熱系統，包括蓄電池、PLC智能控制系統、風光互補發電子系統、空氣幕供暖子系統以及空氣幕保溫子系統；

所述風光互補發電子系統包括風力發電機組、光伏組件和控制器，所述風力發電機組和光伏組件設于隧道的外面，且均通過所述控制器與所述蓄電池相連，所述控制器還通過逆變器與PLC智能控制系統相連；

所述空氣幕供暖子系統包括設于隧道洞內的熱風空氣幕，所述熱風空氣幕均與PLC智能控制系統相連；

所述空氣幕保溫子系統包括設于隧道洞內且位于所述熱風空氣幕兩側的自然風空氣幕，所述自然風空氣幕均與PLC智能控制系統相連。

進一步的，所述PLC智能控制系統包括中央處理器，所述中央處理器包括溫度信號測量模塊和溫度信號處理模塊；所述溫度信號測量模塊用于測量隧道外的溫度值；所述溫度信號處理模塊用于將所述溫度值與溫度信號處理模塊內預先設定的溫度范圍值進行比較，當所述溫度信號落入相應的溫度范圍值時，所述溫度信號處理模塊控制相應數量的熱風空氣幕和相應數量的自然風空氣幕啟動。

進一步的，所述溫度范圍值包括四個，分別為0℃～-5℃、-10℃～5℃、-20℃～-10℃和-20℃以下，當所述溫度值在0℃～-5℃之間時，所述溫度信號處理模塊啟動一組熱風空氣幕和兩個自然風空氣幕；當所述溫度值在-10℃～5℃之間時，所述溫度信號處理模塊啟動兩組熱風空氣幕和兩個自然風空氣幕；當所述溫度值在-20℃～-10℃之間時，所述溫度信號處理模塊啟動三組熱風空氣幕和兩個自然風空氣幕；當所述溫度值在-20℃以下時，所述溫度信號處理模塊啟動四組熱風空氣幕和兩個自然風空氣幕。

進一步的，所述中央處理器還包括風速信號測量模塊和風速信號處理模塊；所述風速信號測量模塊用于測量隧道外的風速值；所述風速信號處理模塊用于將所述風速值與風速信號處理模塊內預先設定的風速閾值進行比較，當所述風速值大于所述風速閾值時，所述風速信號處理模塊啟動另外一個自然風空氣幕。

進一步的，所述中央處理器還連接有備用電源。

進一步的，所述中央處理器還包括電能監測處理模塊，所述電能監測處理模塊用于監測蓄電池的電壓值，并將所述電壓值與所述電能監測處理模塊內預定設定的電壓閾值進行比較，當所述電壓值小于所述電壓閾值時，所述電能監測處理模塊啟動備用電源，當所述電壓值大于或等于所述電壓閾值時，所述電能監測處理模塊切斷備用電源。

進一步的，所述熱風空氣幕和所述自然風空氣幕均設于距離隧道洞口100m的范圍內。

本發明的有益效果：本發明具有結構簡單、設計合理、使用方便、自動控制、節能環保、風流阻隔效果好、防寒保溫效果好、施工方便且不影響行車安全的優點，具有較好的推廣應用價值。

附圖說明

圖1是根據本發明實施例所述的寒區隧道空氣幕保溫加熱系統的結構示意圖；

圖2是根據本發明實施例所述的空氣幕保溫子系統和空氣幕加熱子系統布置示意圖；

圖3是根據本發明實施例所述的空氣幕橫斷面噴射氣流示意圖；

圖4是根據本發明實施例所述的中央處理器的功能模塊圖。

圖中所示：

1-備用電源接觸開關；2-逆變器接觸開關；3-第一開關；4-第二開關；5-第三開關；6-第四開關；7-第五開關；8-第六開關；9-第七開關；10-蓄電池電能監測器；11-溫度傳感器；12-風速傳感器；13-自然風空氣幕；14-熱風空氣幕；15-中央處理器；16-蓄電池；17-逆變器；18-控制器；19-風力發電機組；20-光伏組件；21-備用電源；22-隧道。

具體實施方式

下面結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本發明中的實施例，本領域普通技術人員所獲得的所有其他實施例，都屬于本發明保護的范圍。

如圖1所示，根據本發明的實施例所述的一種寒區隧道空氣幕保溫加熱系統，包括蓄電池16、PLC智能控制系統、風光互補發電子系統、空氣幕供暖子系統以及空氣幕保溫子系統；

所述風光互補發電子系統包括風力發電機組19、光伏組件20和控制器18，所述風力發電機組19和光伏組件20設于隧道的外面，且均通過所述控制器18與所述蓄電池16相連，所述控制器18還通過逆變器17與PLC智能控制系統相連；

所述空氣幕供暖子系統包括設于隧道洞內的熱風空氣幕14，所述熱風空氣幕14均與PLC智能控制系統相連；

所述空氣幕保溫子系統包括設于隧道洞內且位于所述熱風空氣幕14兩側的自然風空氣幕13，所述自然風空氣幕13均與PLC智能控制系統相連。

具體操作時，按照如下步驟設置所述系統:

1、根據隧道所處地區的氣候條件，在風能和太陽能充足的區域布置發光互補發電子系統，并依據空氣幕供暖子系統和空氣幕保溫子系統的用電量配置發電機組和光伏組件；

2、根據隧道內輪廓，如圖2所示，訂做與隧道22形狀吻合的熱風空氣幕14和自然風空氣幕13；

3、根據隧道22所在位置處的環境氣溫和風速的統計數據，決定熱風空氣幕14和自然風空氣幕13的配置參數，如熱風空氣幕14和自然風空氣幕13的電機功率、噴射口寬度、噴射氣流速度等；

4、在隧道22襯砌施工完成后，在隧道22內的拱頂處固定熱風空氣幕14和自然風空氣幕13；

5、完成所述子系統各部件的安裝與調試。

所述系統的工作過程如下：

風光互補發電子系統作用是利用風能和光能轉化的電能給蓄電池16充電，進而滿足空氣幕供暖子系統和空氣幕保溫子系統中風機用電；空氣幕供暖子系統的作用是利用熱風空氣幕14加熱隧道22內空氣，通過提高隧道22內空氣溫度來降低隧道22凍害的發生；如圖3所示，空氣幕保溫子系統的作用是通過多組自然風空氣幕13噴射的氣流來降低由于熱壓或風壓引起的冷熱空氣對流，提高隧道22洞口的保溫效果。

為了使所述系統能夠根據隧道22外的環境自動化的調節其工作狀態，從而達到最優化工作狀態的效果，如圖4所示，所述PLC智能控制系統包括中央處理器15，所述中央處理器15包括溫度信號測量模塊和溫度信號處理模塊，在本實施例中，溫度信號測量模塊包括與中央處理器15相連的溫度傳感器11；所述溫度信號測量模塊用于測量隧道外的溫度值；所述溫度信號處理模塊用于將所述溫度值與溫度信號處理模塊內預先設定的溫度范圍值進行比較，當所述溫度信號落入相應的溫度范圍值時，所述溫度信號處理模塊控制相應數量的熱風空氣幕14和相應數量的自然風空氣幕13啟動。所述中央處理器15還包括風速信號測量模塊和風速信號處理模塊，在本實施例中，所述風速信號測量模塊包括與中央處理器15相連的風速傳感器12；所述風速信號測量模塊用于測量隧道外的風速值；所述風速信號處理模塊用于將所述風速值與風速信號處理模塊內預先設定的風速閾值進行比較，當所述風速值大于所述風速閾值時，所述風速信號處理模塊啟動另外一個自然風空氣幕13。

在一個具體的實施例中，所述溫度范圍值包括四個，分別為0℃～-5℃、-10℃～5℃、-20℃～-10℃和-20℃以下，當所述溫度值在0℃～-5℃之間時，所述溫度信號處理模塊啟動一組熱風空氣幕14和兩個自然風空氣幕13，在本實施例中，一組熱風空氣幕包括兩個熱風空氣幕14；當所述溫度值在-10℃～5℃之間時，所述溫度信號處理模塊啟動兩組熱風空氣幕14和兩個自然風空氣幕13；當所述溫度值在-20℃～-10℃之間時，所述溫度信號處理模塊啟動三組熱風空氣幕14和兩個自然風空氣幕13；當所述溫度值在-20℃以下時，所述溫度信號處理模塊啟動四組熱風空氣幕14和兩個自然風空氣幕13。

在上述實施例中，如圖1所示，提供了一種具體的利用中央處理器15調節空氣幕供暖子系統和空氣幕保溫子系統工作的方式，所述中央處理器15分別連接有逆變器接觸開關2、第一開關3、第二開關4、第三開關5、第四開關6、第五開關7、第六開關8、第七開關9，逆變器接觸開關2的另一端與逆變器17相連，第一開關3、第二開關4和第七開關9與自然風空氣幕13相連，第三開關5、第四開關6、第五開關7、第六開關8與熱風空氣幕14相連。當隧道洞開外的空氣溫度低于零攝氏度以下時，溫度傳感器11將此信號傳輸給PLC智能控制系統，PLC智能控制系統啟動逆變器接觸開關2、第一開關3、第三開關5和第七開關9，當洞口外風速大于設定值時，風速傳感器12將風速信號傳輸給PLC智能控制系統，此時PLC智能控制系統啟動第二開關4；當隧道洞口外溫度在-10℃--5℃之間時，同時啟動第四開關6，使兩組熱風空氣幕14同時工作；當隧道洞口外溫度在-20℃--10℃之間時，啟動第五開關7，使三組熱風空氣幕14同時工作；當隧道洞口外溫度在-20℃以下時，啟動第六開關8，使四組熱風空氣幕14同時工作

另外，如圖1所示，所述中央處理器15還連接有備用電源21，對應的，如圖4所示，所述中央處理器15還包括電能監測處理模塊，所述電能監測處理模塊用于監測蓄電池16的電壓值，并將所述電壓值與所述電能監測處理模塊內預定設定的電壓閾值進行比較，當所述電壓值小于所述電壓閾值時，所述電能監測處理模塊啟動備用電源21，當所述電壓值大于或等于所述電壓閾值時，所述電能監測處理模塊切斷備用電源21。對應到上述利用中央處理器15的具體操作，在中央處理器15與蓄電池16之間依次連接有備用電源接觸開關1和蓄電池電能監測器10。如果蓄電池16電能低于某一設定值時，蓄電池電能監測器10將信號傳輸給PLC智能控制系統，PLC智能控制系統將備用電源接觸開關1閉合，保證熱風空氣幕14和自然風空氣幕13的正常運轉。

在上述實施例中，經實驗驗證得出，所述熱風空氣幕14和所述自然風空氣幕13均設于距離隧道洞口100m的范圍內時對隧道22內部的保溫加熱效果最好。

綜上所述，借助于本發明的上述技術方案，本發明具有結構簡單、設計合理、使用方便、自動控制、節能環保、風流阻隔效果好、防寒保溫效果好、施工方便且不影響行車安全的優點，具有較好的推廣應用價值。

以上所述僅為本發明的較佳實施例而已，并不用以限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。