一种特长公路隧道洞内值班室组合式空气净化系统的制作方法

一种特长公路隧道洞内值班室组合式空气净化系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 本实用新型涉及一种特长公路隧道洞内值班室组合式空气净化系统及方法，具体 是一种特长公路隧道洞内封闭专用值班室空气循环净化与制氧组合装置，及其监测控制系 统与方法。
【背景技术】
[0002] 随着我国公路运输行业的发展，公路隧道的数量和规模都在不断地增大。对于特 长公路隧道，其隧道运营安全和防灾救援问题十分突出。为了火灾预防与快速处理，在隧道 内部的车行横通道处设置专用值班室，消防人员24小时值班，极大地提高了隧道运营的安 全。但是，随着车流量的增加，隧道内空气质量下降，而值班室一般处于隧道两主洞中间位 置，空气难以流通，污染物易聚集于此，使得值班室工作环境恶化，对工作人员的身心造成 不利的影响。
[0003] 公路隧道内空气中污染物主要包含：颗粒物、一氧化碳、碳氢化合物和氮氧化合物 等，污染物浓度一旦超过标准，会对人体产生巨大的危害。因此，应采取有效措施，净化值班 室空气，提高空气质量，确保消防人员安全。
[0004] 特长公路隧道均设有通风系统，是为满足主洞内行驶车辆短时需求的空气质量标 准而设计，但无法满足洞内值班室的空气质量需求。此外，本发明有别于矿井、石化等行业 所用的通风换气系统，由于隧道值班室距离新风源大于2公里；也有别于常规的医院、医药 企业等空气净化系统，污染源主要由汽车排放所引起。

【发明内容】

[0005] 本实用新型目的在于，提供一种特长公路隧道洞内值班室组合式空气净化系统， 主要用于长度大于6km的特长公路隧道内，距离隧道洞口超过2km以上的洞内有人值班室 空气质量改善，使值班室内空气质量达到《室内空气质量标准》GB/T18883-2002的要求。
[0006] 为了实现上述目的，本实用新型采用如下的技术方案：
[0007] 一种特长公路隧道洞内值班室组合式空气净化系统，包括设置于隧道车行横洞内 的室外净化过滤机组，在室外净化过滤机组中设置有过滤装置、混流腔和送风装置，过滤装 置设置于混流腔的两侧，从隧道中采集的空气经过混流腔一侧的过滤装置后进入混流腔， 在混流腔中与值班室内导出的空气进行混合后经过混流腔另一侧的过滤装置，然后通过送 风装置送入值班室中。
[0008] 进一步地，所述的室外净化过滤机组包括一个密封的矩形的安装箱，所述的过滤 装置包括在安装箱内部沿长度方向从安装箱的后端至前端依次设置的过滤部件，这些部件 包括第一初效过滤器、第一静电集尘器、第一活性炭层和第二活性炭层，每一个过滤部件均 与安装箱的内壁紧密设置，使每个过滤部件与相邻的过滤部件以及安装箱内壁之间构成单 独的腔体；所述的混流腔为第一静电集尘器与第一活性炭层之间的腔体。
[0009] 进一步地，所述的送风装置设置于室外净化过滤机组内部的前端，送风装置包括 第一风机和均流板，室外净化过滤机组的前端通过送新风管与值班室连接，室外净化过滤 机组的后端通过进风管与设置在隧道中的取风口连接。
[0010] 进一步地，所述的第一初效过滤器和进风管之间设置有水洗过滤器，水洗过滤器 包括高压喷头，高压喷头设置在安装箱内顶面上，高压喷头下方设置有倾斜的集水槽，集水 槽位置较低的一端通过排水管与隧道内的排污管连接，高压喷头靠近第一初效过滤器的一 侧设置有挡水板；集水槽位置较高的一端与挡水板之间设置有过滤网；所述的高压喷头通 过取水管与设置在安装箱一侧的水箱连接。
[0011] 进一步地，所述的隧道车行横洞内设置有室外富氧机组，室外富氧机组包括矩形 的过滤箱和富氧机，过滤箱的后端侧壁上安装有第一进气栅，过滤箱前端侧壁上设置有供 气管，供气管与富氧机连接；在过滤箱内部沿后端至前端的方向依次设置有第二初效过滤 器和第二静电集尘器；在富氧主机上设置有废气管和氧气管，空气经过滤箱过滤后进入富 氧机，富氧机通过废气管排除氮气，并将氧气利用氧气管送入值班室中。
[0012] 进一步地，所述的系统还包括设置在值班室内的室内柜机，室内柜机包括一个密 封的矩形柜，矩形柜通过隔板分为上下两部分，隔板上设置有通气阀；所述的氧气管连接在 矩形柜上部分的后端，矩形柜上部分的前端设置有出气栅；矩形柜的外侧设置有回风管，回 风管连接室外净化过滤机组中的混流腔；所述的送新风管连接在矩形柜下部分后端；矩形 柜下部分的前端设置有第二进气栅，在矩形柜下部分按照由下至上的方向依次设置有第二 风机、第三初效过滤器、高压静电网和第三活性炭层。
[0013] 进一步地，所述的值班室的顶面上安装有排风百叶窗，排风百叶窗上连接有排风 管，排风管延伸至隧道车行横洞中。
[0014] 进一步地，所述的值班室内设置有监控系统，监控系统包括处理器、连接在处理器 上的触摸式显示屏、气体检测器、温度传感器，其中处理器与第一风机、第二风机、富氧机、 通气阀连接，而在进风管、取水管、氧气管、送新风管、回风管上均安装有电磁阀，这些电磁 阀通过处理器控制。
[0015] 一种特长公路隧道内值班室组合式空气净化方法，包括以下步骤：
[0016] 步骤一，设置工作模式切换阈值参数&和t2，工作模式包括室内循环模式、室内外 混合循环模式、室外循环模式；设定系统初始状态时，第一风机、第二风机、富氧机、通气阀 和所有电磁阀均处于关闭状态；
[0017] 步骤二，监控系统判定当前值班室内的空气参数值t，如室内空气参数值t< 则控制系统工作在室内循环模式；如ti<t<t2，则控制系统工作在室内外混合循环模式； 如t>t2，则控制系统工作在室外循环模式；
[0018] 室内循环模式时，系统首先恢复初始状态，然后打开富氧机、氧气管、第二风机和 通气阀，值班室内的空气由第二风机驱动，依次经过第二进气栅、第三初效过滤器、高压静 电网、第三活性炭层和通气阀后进入矩形柜的上部分，与氧气管输送来的经由富氧机产生 的氧气混合后，从出气栅进入到值班室中；
[0019] 室内外混合循环模式时，系统首先恢复初始状态，然后打开富氧机、氧气管、第一 风机、进风管、取水管、送新风管、回风管和通气阀，此时隧道中的空气依次经过进风管、水 洗过滤器、第一初效过滤器、第一静电集尘器进入到混流腔中，与经过回风管从值班室中导 入到混流腔中的空气以一定比例混合后，经过均流板、送新风管进入矩形柜的下部分，依次 经过第三初效过滤器、高压静电网、第三活性炭层和通气阀后进入矩形柜的上部分，与氧气 管输送来的经由富氧机产生的氧气混合后，从出气栅进入到值班室中；
[0020] 室外循环模式时，系统首先恢复初始状态，然后打开富氧机、氧气管、第一风机、进 风管、取水管、送新风管和通气阀，此时隧道中的空气依次经过进风管、水洗过滤器、第一初 效过滤器、第一静电集尘器、混流腔、均流板、送新风管进入矩形柜的下部分，依次经过第三 初效过滤器、高压静电网、第三活性炭层和通气阀后进入矩形柜的上部分，与氧气管输送 来的经由富氧机产生的氧气混合后，从出气栅进入到值班室中。
[0021] 进一步地，所述的空气参数值是由值班室内有害气体浓度、氧气浓度和温度以不 同的权重计算出的综合值，〖=80 (|+&01+〇02，其中0(|为值班室内有害气体浓度，0 1为 氧气浓度，P3为温度，a、b、c为权重系数，由用户设定。
[0022] 本实用新型与现有技术相比具有以下技术特点：
[0023] (1)将空气净化与制氧技术结合，首次应用于特长公路隧道值班室空气质量改善， 提出了一种可满足工作人员24小时工作所需的空气净化、循环和 控制方法。
[0024] (2)专门针对特长公路隧道内汽车排放污染，对距离洞口取风点大于两公里的值 班室，提出了主洞内取风净化方法；提出了取风点设置方法；提出了系统设备规格的计算 方法；同时解决了双洞双向特长公路隧道中，由于车行横洞零风压，值班室空气难以流通导 致的污染物聚集问题。
[0025] (3)本实用新型系统中，提出了三种循环工作模式，给出了三种工作模式切换的条 件和流程，优先工作顺序为：室内循环、室内外混合循环，室外循环。可缓解设备压力，有效 延长设备寿命。
[0026] (4)本实用新型提出了系统工作的风量平衡关系，可以此关系为基础，得出应用于 特长公路隧道有人值班室换气通风系统的设计方法。
[0027] (5)设计了 5种控制流程，实现了三种循环工作模式，将空气净化、制氧和监控功 能有机结合，有效地实现公路隧道内的应用。
[0028] (6)针对公路隧道值班室主要污染物成份，经反复实验，设计了一种净化过滤段顺 序。采用多目金属过滤网、水洗净化段、静电集尘段、第一活性碳过滤段和第二活性碳过滤 段的过滤净化顺序，可最大程度提高净化效率，减少维护频率，尤其是活性碳再生次数，降 低运营成本。
【附图说明】
[0029]图1为本实用新型的平面俯视图；
[0030] 图2为室外净化过滤机组的A向剖视图；
[0031] 图3为室内柜机后端面的纵向剖视示意图（图1中B向）；
[0032] 图4为室内柜机前端面的示意图（图1中C向）
[0033] 图中标号代表一室外净化过滤机组，II一室内柜机，III一室外富氧机组，1一 废气管，2-第一进气栅，3-第二初效过滤器，4一第二静电集尘器，5-第一压差计，6-过 滤箱，7-供气管，8-富氧机，9一氧气管，10-排风管，11 一排风百叶窗，12-进风管，13- 第一压差计，14 一取风口，15-第一静电集尘器，16-混流腔，17-第一活性炭层，18-第二 活性炭层，19一送新风管，20-均流板，21-水洗过滤器，211-水箱，212-高压喷头，213- 集水槽，214-排水管，22-挡水板，23-第一初效过滤器，24-第一风机，25-回风管，26- 隔板，27-通气阀，28-第三活性炭层，29-高压静电网，30-第三初效过滤器，31-第二风 机，32-出气栅，33-第二进气栅。
【具体实施方式】
[0034] 国际隧道协会（ITA)按照隧道的长度将隧道分为短隧道、中长隧道、长隧道和特 长隧道。长度大于3km的隧道为特长隧道。一般情况下，长度大于6km公路隧道会设置有 人消防值班室，值班室开凿设置于特长公路隧道车行横洞的侧壁中。因此，本实用新型所涉 及的系统与方法适用于长度大于6km的特长公路隧道，针对这种设置于隧道的横通道中的 值班室，给出了一种净化系统和方法。
[0035] 本实用新型的整体系统结构如图1所示。一种特长公路隧道洞内值班室组合式空 气净化系统，包括设置于隧道车行横洞内的室外净化过滤机组I，在室外净化过滤机组I中 设置有过滤装置、混流腔16和送风装置，过滤装置设置于混流腔16的两侧，从隧道中采集 的空气经过混流腔16 -侧的过滤装置后进入混流腔16,在混流腔16中与值班室内导出的 空气进行混合后经过混流腔16另一侧的过滤装置，然后通过送风装置送入值班室中。
[0036] 由于特长公路隧道中值班室的位置较深，空气质量差，而且长隧道内部汽车尾气 含有的一氧化碳、氮氧化物、颗粒物等，在隧道中难以消散，因此导致隧道中整体空气中氧 气含量较外部低。那么本实用新型的思路就是要合理全面利用横通道和值班室中的氧气， 确保氧气含量能达到使用要求。本方案中最主要的结构是位于隧道车行横洞内的室外净化 过滤机组I，该机组为值班室中提供充足的空气供应。公路隧道的车行横洞一般用来在隧道 塌方、火灾等事故时方便车辆和人员的逃生。而对于特长隧道，一般会将值班室这在隧道车 行横洞中，一般开设于横洞侧壁中，其位置如图1所示。由于车行横洞连接公路隧道，其中 空气流动较隧道中好，空气质量也相对较好，而且空间也较为充足，因此选择将室外净化 过滤机组I设置在车行横洞内。对于横洞内采集的空气进行净化，主要是过滤空气中的杂 质颗粒、一氧化碳和氮氧化物，因此在机组中设置了过滤装置。机组中的混流腔16,其设置 目的是为了充分利用值班室中已经用过的空气。因为值班室中在净化过程中也是流动的， 如直接将值班室中的空气排除，会非常浪费，因为在长隧道内部净化空气的成本是比较高 的。值班室中的人员呼吸消耗了一部分氧气，而排出值班室的空气中有害气体、杂质的含量 会远较值班室外的低。因此在混流腔16中可以将值班室回流的空气充分利用起来，与经过 过滤装置的空气进行一定比例的混合，再经过混流腔16另一侧的过滤装置，这样就减小了 空气净化成本，有利于室外净化过滤机组I长期稳定运行。
[0037] 室外净化过滤机组I
[0038] 室外净化过滤机组I包括一个密封的矩形的安装箱，所述的过滤装置包括在安装 箱内部沿长度方向从安装箱的后端至前端依次设置的过滤部件，这些部件包括第一初效过 滤器23、第一静电集尘器15、第一活性炭层17和第二活性炭层18,每一个过滤部件均与安 装箱的内壁紧密设置，使每个过滤部件与相邻的过滤部件以及安装箱内壁之间构成单独的 腔体；所述的混流腔16为第一静电集尘器15与第一活性炭层17之间的腔体。
[0039] 过滤装置分为两部分，其中第一部分为第一初效过滤器23和第一静电集尘器15， 主要用来去除空气中的杂物、烟气；空气经初步处理后，进入到混流腔16中，可根据值班室 内空气质量参数选择是否与值班室内的回流空气进行混流。混流腔16中经过混流或未经 混流的空气，经过另一部分过滤装置，主要由第一活性炭层17和第二活性炭层18构成。第 一活性炭层17主要过滤空气中的〇)、0111111，勵1、硫化物等有害成份，第二活性炭层18为〇) 专用活性炭层，主要消除值班室中危害最大的C0。
[0040] 第一初效过滤器23采用网状的长效无纺布，其作用是吸附过滤隧道空气污染物 中的颗粒物等。在第一初效过滤器23上安装有第一压差计135,其采集第一初效过滤器 23的工作数据，用于提醒更换该第一初效过滤器23。第一压差计135采用电子压差计，具 有灯光报警功能，当初效过滤器过滤能力不合格时，压差计报警提醒更换第一初效过滤器 23。第一初效过滤器23需要定时更换清洗，维护频率不低于1月/次。第一静电集尘器 15采用双电压平板静电集尘器，其利用高压直流不均匀电场吸附污染物，通过振打装置使 粉尘等污染物落入灰斗而使烟气净化，需要定时清洗，维护频率不低于1月/次；第一活性 炭层17采用蜂窝式活性炭，可吸附混流后的剩余污染物，需要定期再生，其维护频率不低 于1月/次；C0消除专用活性碳针对对值班室人员危害最大，常规方法不易消除的C0成份 专用吸附，C0消除专用活性碳采用圆柱形活性炭，通过深度活化和孔径调节工艺，使活性炭 有丰富的微孔孔径，专用活性炭为小分子孔隙结构，半径<150nm。有别于普通活性炭半径 >20000nm的大分子孔隙结构；活性碳需要定期再生，其维护频率不低于1月/次；均流板20 采用不锈钢材质。
[0041] 送风装置设置于室外净化过滤机组I内部的前端，送风装置包括第一风机24和均 流板20,室外净化过滤机组I的前端通过送新风管19与值班室连接，室外净化过滤机组I 的后端通过进风管12与设置在隧道中的取风口 14连接。
[0042] 第一风机24是室外净化过滤机组I的动力源，第一风机24运行后在安装箱中产 生 气压差，促使空气流动，将净化后的空气输送到值班室中。优选的，风机功率大小为2~ 5kw，变频控制，宜采用一主一备，便于系统24小时稳定工作。由于值班室位于隧道深处，对 于新风的采集，是通过设置在公路隧道主洞的取风口 14完成的，取风口 14的设置应尽量远 离车行横洞，经实际测量，公路隧道内距离车行横洞越远空气质量越好，但采风用的进风管 12的成本就越高；综合考虑进风管12的成本和取风质量，取风口 14 一般设置在沿隧道行 车方向距离横通道不少于l〇m处。
[0043] 取风口 14可采用多目金属过滤网，取风方向与车流方向相反，可初步过滤树叶、 塑料等隧道主洞内大颗粒异物，斜向地面倾斜30~45度角，便于在隧道地面使用高压水冲 洗维护取风口 14。可在进风管12上安装手动进风调节阀或进风百叶，调节进风进气量。均 流板20设置在第二活性炭层18之后，使空气充分与C0接触，提高净化效率。在图1的示 例中，气体流动方向是从安装箱的左侧至右侧。而本文中所提及的安装箱的前端和后端，其 中后端是指安装箱远离值班室的一端，前端是靠近的一端。
[0044]上述各过滤段规格，由设备处理风量决定，而设备处理风量，由值班室的换气次数 和污染物浓度决定。其中，机组管道内风速宜大于2m/s，且小于8m/s。风机规格根据系统 阻力及处理风量进行计算，满足以下计算公式：
[0045] Q-=VindoorXN-(1)
[0046] 其中，〇_为值班室最大换气量，Vind_为值班室内体积，N_为值班室最大换气次 数；常规的值班室面积为20~50m2,换气次数可选2~16次/小时，常规选用4~8次/ 小时。
[0047] Vsysteffl=VindoorX(l+y)yG[0.3,1]⑵
[0048] 其中，Vsystem为系统最大处理风量，Qmax为值班室最大换气量，Y为系统处理冗余系 数；
[0049] 对于公路隧道值班室每种污染物，主要成份如C0、矽尘、以及氮氧化物，每段过滤 净化能力与系统风量满足如下关系：
【主权项】
1. 一种特长公路隧道洞内值班室组合式空气净化系统，其特征在于，包括设置于隧道 车行横洞内的室外净化过滤机组（I)，在室外净化过滤机组（I)中设置有过滤装置、混流腔 (16)和送风装置，过滤装置设置于混流腔（16)的两侧，从隧道中采集的空气经过混流腔 (16) -侧的过滤装置后进入混流腔（16)，在混流腔（16)中与值班室内导出的空气进行混 合后经过混流腔（16)另一侧的过滤装置，然后通过送风装置送入值班室中。
2. 如权利要求1所述的特长公路隧道洞内值班室组合式空气净化系统，其特征在于， 所述的室外净化过滤机组（I)包括一个密封的矩形的安装箱，所述的过滤装置包括在安装 箱内部沿长度方向从安装箱的后端至前端依次设置的过滤部件，这些部件包括第一初效过 滤器（23)、第一静电集尘器（15)、第一活性炭层（17)和第二活性炭层（18)，每一个过滤部 件均与安装箱的内壁紧密设置，使每个过滤部件与相邻的过滤部件以及安装箱内壁之间构 成单独的腔体；所述的混流腔（16)为第一静电集尘器（15)与第一活性炭层（17)之间的腔 体。
3. 如权利要求2所述的特长公路隧道洞内值班室组合式空气净化系统，其特征在于， 所述的送风装置设置于室外净化过滤机组（I)内部的前端，送风装置包括第一风机（24)和 均流板（20)，室外净化过滤机组（I)的前端通过送新风管（19)与值班室连接，室外净化过 滤机组（I)的后端通过进风管（12)与设置在隧道中的取风口（14)连接。
4. 如权利要求3所述的特长公路隧道洞内值班室组合式空气净化系统，其特征在于， 所述的第一初效过滤器（23)和进风管（12)之间设置有水洗过滤器（21)，水洗过滤器（21) 包括高压喷头（212)，高压喷头（212)设置在安装箱内顶面上，高压喷头（212)下方设置有 倾斜的集水槽（213)，集水槽（213)位置较低的一端通过排水管（214)与隧道内的排污管连 接，高压喷头（212)靠近第一初效过滤器（23)的一侧设置有挡水板（22);集水槽（213)位 置较高的一端与挡水板（22)之间设置有过滤网；所述的高压喷头（212)通过取水管与设置 在安装箱一侧的水箱（211)连接。
5. 如权利要求4所述的特长公路隧道洞内值班室组合式空气净化系统，其特征在于， 所述的隧道车行横洞内设置有室外富氧机组（III)，室外富氧机组（III)包括矩形的过滤 箱（6)和富氧机（8)，过滤箱（6)的后端侧壁上安装有第一进气栅（2)，过滤箱（6)前端侧 壁上设置有供气管（7)，供气管（7)与富氧机（8)连接；在过滤箱（6)内部沿后端至前端的 方向依次设置有第二初效过滤器（3)和第二静电集尘器（4);在富氧主机上设置有废气管 (1)和氧气管（9)，空气经过滤箱（6)过滤后进入富氧机（8)，富氧机⑶通过废气管⑴排 除氮气，并将氧气利用氧气管（9)送入值班室中。
6. 如权利要求5所述的特长公路隧道洞内值班室组合式空气净化系统，其特征在于， 所述的系统还包括设置在值班室内的室内柜机（II)，室内柜机（II)包括一个密封的矩形 柜，矩形柜通过隔板（26)分为上下两部分，隔板（26)上设置有通气阀（27);所述的氧气管 (9)连接在矩形柜上部分的后端，矩形柜上部分的前端设置有出气栅（32);矩形柜的外侧 设置有回风管（25)，回风管（25)连接室外净化过滤机组（I)中的混流腔（16);所述的送新 风管（19)连接在矩形柜下部分后端；矩形柜下部分的前端设置有第二进气栅（33)，在矩形 柜下部分按照由下至上的方向依次设置有第二风机（31)、第三初效过滤器（30)、高压静电 网（29)和第三活性炭层（28)。
7. 如权利要求1至6中任一权利要求所述的特长公路隧道洞内值班室组合式空气净化 系统，其特征在于，所述的值班室的顶面上安装有排风百叶窗（11)，排风百叶窗（11)上连 接有排风管（10)，排风管（10)延伸至隧道车行横洞中。
8.如权利要求6所述的特长公路隧道洞内值班室组合式空气净化系统，其特征在于， 所述的值班室内设置有监控系统，监控系统包括处理器、连接在处理器上的触摸式显示屏、 气体检测器、温度传感器，其中处理器与第一风机（24)、第二风机（31)、富氧机（8)、通气阀 (27)连接，而在进风管（12)、取水管、氧气管（9)、送新风管（19)、回风管（25)上均安装有 电磁阀，这些电磁阀通过处理器控制。
【专利摘要】本实用新型公开了一种特长公路隧道洞内值班室组合式空气净化系统，包括设置于隧道车行横洞内的室外净化过滤机组，在室外净化过滤机组中设置有过滤装置、混流腔和送风装置，过滤装置设置于混流腔的两侧，从隧道中采集的空气经过混流腔一侧的过滤装置后进入混流腔，在混流腔中与值班室内导出的空气进行混合后经过混流腔另一侧的过滤装置，然后通过送风装置送入值班室中。本实用新型将空气净化与制氧技术结合，首次应用于特长公路隧道值班室空气质量改善，提出了一种可满足工作人员24小时工作所需的空气净化、循环和控制方法，可最大程度提高净化效率，减少维护频率，尤其是活性碳再生次数，降低运营成本。
【IPC分类】F24F13-28, F24F13-00, F24F1-00
【公开号】CN204611981
【申请号】CN201520280804
【发明人】李雪, 郑晅, 陈丹, 刘宁, 顾永鑫, 李梦, 高一然
【申请人】长安大学
【公开日】2015年9月2日
【申请日】2015年5月4日