寒区隧道口蓄能调节型双出口风幕隔冷防冻装置的制作方法

1.本实用新型属于隧道冻害防治相关技术领域，更具体地，涉及一种寒区隧道口蓄能调节型双出口风幕隔冷防冻装置。

背景技术：

2.近年来，寒区隧道工程日益增多。在这些地区建设的隧道，受隧道口冷空气的影响，隧道衬砌后各种排水管道经常发生冻结破坏，造成排水不畅，大量积水流向地面或积累在衬砌后，流向地面的积水冻结成冰严重影响车辆通行，积累在衬砌后的水冻结膨胀破坏衬砌，影响隧道结构安全。
3.对于寒区隧道冻害的产生，冷空气的流入是重要因素，而空气自然流动的动力主要有风压和热压两种形式。尽管隧道所在地区的自然风可能较强，隧道口由于地形遮挡等因素风压往往不高，气流流动主要以热压通风为主。当气温升高时，隧道内外气温均升高，隧道外升高更显著，隧道内热压高于隧道外，此时隧道内热气流流向隧道外；当气温降低时，隧道内外气温均降低，隧道外降低更显著，隧道外热压高于隧道内，此时隧道外冷气流流入隧道内。这种隧道风特殊的流动方式造成了寒区隧道的冻害。
4.针对以上隧道口冻害问题，以往已采取了许多治理方法，如铺设保温层、加电热板等，但这些方式忽视了隧道冻害产生的根源即冷空气的流入，因而未能取得很好的效果。为了阻止隧道外冷空气的侵入，常用于空调系统中分隔空气的风幕技术是一种有效手段。专利检索发现，现有技术已经提出了少量采用风幕来防止隧道口冻害的方案。例如，cn202011242580.7提出了一种隧道高压风幕实验装置、方法和系统，cn201710333747.2公开了一种隧道横洞独立加压送风系统以及送风方法，cn201810171427.6提出了一种寒区高速铁路隧道空气幕试验装置及试验方法，等等。
5.然而，进一步的研究表明，上述现有技术仍然存在以下的缺陷或不足：首先，现有类风幕形式均仅能实现简单的空气隔绝或烟雾隔绝功能，其仅关注对隧道外冷空气的阻隔，而且往往对因车流、大风等进入隧道内的冷空气缺乏足够的抵御作用，装置可靠性较低；其次，现有类风幕形式通常耗能偏大，未能充分考虑隧道外空气温度较高时对能量的合理利用，同时存在安装施工及操控不便、隔冷防冻效果不佳等问题。

技术实现要素：

6.针对现有技术的以上缺陷或需求，本实用新型的目的在于提供一种寒区隧道口蓄能调节型双出口风幕隔冷防冻装置，其中通过对整个装置的构造组成及一些关键模块的设置方式重新进行设计，特别是结合寒区隧道口本身的工作特征来充分利用气温波动引入储能调节型风幕形式，相应能够更加有效地解决现有寒区高速铁路隧道冻害问题，同时具备结构紧凑、高效节能、便于操控和环境适应性好等优点。
7.为实现上述目的，按照本实用新型的一个方面，提供了一种寒区隧道口蓄能调节型双出口风幕隔冷防冻装置，其特征在于，该风幕隔冷防冻装置成对布置在隧道口的两侧，
并包括风幕隔冷单元、相变蓄能单元和温控单元，其中：
8.所述风幕隔冷单元包括进风口、风道、出风口和风机，其中该进风口开设于隧道混凝土壁上，用于将隧道外的空气导入；该风道的一端与所述进风口相连通，另外一端与所述出风口相连通；该出风口包含双出口，其中第一出口指向隧道外，第二出口指向隧道内；该风机安装在所述风道的内部；
9.所述相变蓄能单元由填充有相变材料的构件组成，其设置在隧道内侧，并处在所述风幕隔冷单元附近；
10.所述温控单元用于对所述进风口处的温度进行监测，其中当监测温度值高于或等于所述相变材料的相变温度时，驱动所述第二出口和所述风机开启，将隧道外空气送入隧道内，相变材料吸热蓄能；而当监测温度值低于所述相变材料的相变温度时，驱动所述第一出口和所述风机开启，喷射气流以在隧道口形成隔冷风幕。
11.作为进一步优选地，处于隧道口两侧的所述进风口、风道和出风口均关于隧道中轴面对称布置。
12.作为进一步优选地，对于所述风幕隔冷单元而言，它的风道由金属材质制成，其在工厂预制加工后现场安装。
13.作为进一步优选地，对于所述风幕隔冷单元而言，它的第一出口、第二出口采用条缝形喷口的形式，并且所述第一出口与隧道横截面呈相对较小的第一角度，所述第二出口与隧道横截面呈相对较大的第二角度。
14.作为进一步优选地，对于所述相变蓄能单元而言，其采用空心结构板的形式，该空心结构板具备连接管和连接凹槽，其中该连接管用于将相变材料注入至空心结构板的内部，并在封闭管口后插入相邻另一空心结构板的所述连接凹槽完成组装。
15.作为进一步优选地，对于所述相变蓄能单元而言，其布置在从所述风幕隔冷单元的位置起往隧道内方向50m的范围内，并且可作为隧道衬砌使用，或者独立作为能量储存单元。
16.作为进一步优选地，对于所述相变蓄能单元而言，它的相变材料具备0℃～5℃的相变温度，并且相变材料层的厚度为10cm～20cm。
17.作为进一步优选地，对于所述温控单元而言，其包括温度传感器、信号传输线和温控阀，其中该温度传感器用于对所述进风口处的温度进行监测，然后通过该信号传输线将监测信号传递给所述温控阀；该温控阀用于对所述风机、第一出口和第二出口分别独立驱动，以将其开启或关闭。
18.作为进一步优选地，所述隧道口将其截面扩大为矩形，同时在其最外端面再缩小为原形状。
19.作为进一步优选地，上述双出口风幕隔冷防冻装置配备有远程控制单元。
20.作为进一步优选地，对于所述相变蓄能单元而言，它的相变材料优选为正癸醇与棕榈酸的混合液或者液态石蜡th-sl2。
21.总体而言，通过本实用新型所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下技术优点：
22.(1)本实用新型充分结合寒区隧道的环境进行考虑，利用寒区环境在暖季及日间空气温度较高时的能量，通过设置相变蓄能单元对于这部分能量进行有效存储，用于抵御
冷季及夜间空气温度较低时冷量进入隧道带来的降温，以绿节能的方式有效防治隧道冻害；
23.(2)本实用新型通过设置风幕双出口以及温控单元，由温度传感器监测进风温度，操控阀门选择第一出口、第二出口的开启和关闭，实现风幕隔冷防冻装置的储能模式和隔冷模式的自动切换，准确识别环境工况确定合理的工作模式，显著提高隧道口的综合隔冷效果；
24.(3)本实用新型的蓄能调节型双出口风幕隔冷防冻装置可靠性高、环境适应性强，通过对环境温度较高时能量的有效储存，有效抵御因车流、大风等因素进入隧道内的冷空气造成的降温，提高了系统的可靠性，对不同环境均能适应，冻害防治效果较传统风幕单一隔冷模式显著提高。
附图说明
25.图1是用于示范性说明本实用新型的风幕隔冷防冻装置在寒区隧道口单侧布置的示意图；
26.图2是用于示范性显示按照本实用新型的风幕隔冷防冻装置的结构剖视图；
27.图3是按照本实用新型的一个优选实施例，显示了相变储能单元的结构立体图；
28.图4是图3中所示相变储能单元的结构平面图。
29.在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：
30.1-隧道混凝土壁；2-风道；3-风机；4-第一出口；5-第二出口；6-温度传感器；7-信号传输线；8-温控阀；9-气流；10-隧道中轴面；11-连接管；12-连接凹槽；13-结构板混凝土；14-相变材料。
具体实施方式
31.为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
32.图1是用于示范性说明本实用新型的风幕隔冷防冻装置在寒区隧道口单侧布置的示意图。如图1所示，该装置成对布置在隧道口的两侧，主要包括风幕隔冷单元、相变蓄能单元和温控单元等组件，下面将逐一进行具体解释说明。
33.对于风幕隔冷单元而言，如图1和图2所示，其包括进风口、风道2、出风口和风机3，其中该进风口开设于隧道混凝土壁1上，用于将隧道外的空气导入；该风道2的一端与所述进风口相连通，另外一端与所述出风口相连通；该出风口包含双出口，其中第一出口4指向隧道外，第二出口5指向隧道内；该风机3安装在所述风道2的内部。
34.对于相变蓄能单元而言，由填充有相变材料的构建组成，其在隧道内侧设置，布置在风幕隔冷单元附近。
35.对于温控单元而言，其用于对所述进风口处的温度进行监测，其中当监测温度值高于或等于所述相变材料的相变温度时，驱动所述第二出口和所述风机开启，将隧道外空
气送入隧道内，相变材料吸热蓄能；而当监测温度值低于所述相变材料的相变温度时，驱动所述第一出口和所述风机开启，喷射气流以在隧道口形成隔冷风幕。
36.通过以上构思，本实用新型主要可从两方面对寒区隧道冻害问题进行防治，一方面利用风幕隔冷防冻装置对流入隧道的冷空气进行了直接的阻隔，另一方面还利用其中的相变蓄能单元对气温较高时隧道外热空气中的能量进行了储存。储存的能量可有效抵御由于车流、大风等因素进入隧道内的冷空气造成的降温，因而系统具有较高的可靠性。由于同时对冷空气进行了阻隔和对热空气进行了储存利用，冻害防治效果较传统风幕隔冷模式更佳。
37.更具体地，如图1中示范性所示，进风口优选可直接开设在隧道混凝土壁1上，并用于将隧道外的空气导入。风道2优选可采用金属材料，风道2内设置有风机3，均可在工厂内预制完成；风道2外的混凝土可以在工厂预制，也可以在现场进行施工并预埋螺栓以便后续安装。上述组件在预制完成后可在厂内进行调试，根据隧道实际尺寸，确定风机、风幕出风口参数，确保出风口所喷出射流到达隧道中轴面10后，能够与对侧出风流汇合形成封闭气幕。
38.相应地，在可独立操控的风机3的动力作用下，隧道外的空气进入风道中，气流9的流动方向由图中箭头描述。按照本实用新型的一个优选实施例，风幕出风口优选采取为两个条缝形喷口的形式，其中第一出口4射向隧道外，与隧道截面呈10
°
～20
°
这种相对较小的第一角度以便形成封闭气幕，第二出口5射向隧道内，与隧道截面呈30
°
～50
°
这种相对较大的第二角度以便将空气送往隧道深处。
39.如图3和图4中示范性所示，对于所述相变蓄能单元而言，其优选采用空心结构板的形式，该空心结构板譬如具备连接管11和连接凹槽12，其中该连接管11用于将相变材料注入至空心结构板的内部，并在封闭管口后插入相邻另一空心结构板的所述连接凹槽12完成组装。
40.更具体地，该空心结构板可以直接在工厂中进行预制，既可作为衬砌使用，也可作为蓄能容器工作。连接管11与另一块空心结构板的连接凹槽12相插并对接缝作处理后可以实现现场快速组装；连接管11也是相变材料注入管，将相变材料注入空心结构板内部的空心区域后将管口封死，13是结构板混凝土。相变材料14在蓄能模式下融化以储存隧道外热空气中的能量，在隔冷模式下冻结抵御因各种因素流入隧道内的冷空气，调控天然能源，防治寒区隧道口冻害。
41.按照本实用新型的另一优选实施例，相变材料14的相变温度优选设定为0℃～5℃，相变潜热尽可能大，相变材料层的厚度优选为10cm～20cm,并且优选可以铺设在隧道口隧道内侧从隔冷单元位置往隧道内方向50m以内的范围。在该相变温度范围内的相变材料如正癸醇-棕榈酸97：3混合液(相变温度3.9℃,潜热254.1j/g)、液态石蜡th-sl2(相变温度3.28℃,168.2j/g)等均可选择。
42.较多的实际工程测试表明，上述工作参数能够更好地发挥按照本实用新型的蓄能调节型风幕隔冷防冻装置的蓄能及隔冷效果，并使得以各种方式渗透进入隧道的冷空气在未造成相变材料完全冻结时，空心结构板后面的温度始终维持在0℃以上。
43.此外，在本实用新型中还对两个喷口及风机设置有温控单元进行独立控制。按照本实用新型的另一优选实施例，该温控单元譬如可由温度传感器6，信号传输线7和温控阀8
构成。当温度传感器6监测风幕进风气温超过相变材料14的相变温度时，在温控阀8的控制下，指向隧道内的第二出口5开启，风幕射流将热空气送入隧道内进行蓄能；当温度传感器6监测风幕进风气温低于相变材料14的相变温度时，在温控阀8的控制下，指向隧道外的第一出口4开启，此时风幕射流阻挡外部冷空气的流入。
44.按照本实用新型的另一优选实施例，可以将风幕隔冷防冻装置在隧道口设置为矩形截面。由于风幕风口为直边，为了方便安装，在隧道出口优选可以将隧道截面扩张为矩形，而在最外端面将出口缩小为原形状。
45.下面将具体解释说明按照本实用新型的上述装置的工作过程。
46.本实用新型的装置共有两种运行模式，一种是蓄能模式，另一种是阻隔模式，两种模式的切换通过风幕进风口温度监测反馈控制。
47.更具体地，当风幕进风温度高于相变材料相变温度时，蓄能模式开启，此时指向隧道内的喷嘴工作，将隧道外热空气送向隧道内，相变材料融化蓄能；而当风幕进风温度低于相变材料相变温度时，阻隔模式开启，流向隧道外的喷嘴工作，在隧道口形成封闭空气幕阻挡外部冷空气流入。因车流、大风等因素进入隧道的冷空气造成部分相变材料冻结，该过程中相变材料可释放出所蓄存的能量抵御降温，隧道冻害防治的可靠性显著提高。
48.换而言之，本实用新型中正是意识到寒区隧道口冻害的根源是外部冷空气的流入，因此本实用新型区别于传统风幕装置，通过在隧道口一定范围内设置相变蓄能单元以及在隧道口两侧设置双出口风幕，相应能够充分利用天然能量并阻隔冷风，以达到治理隧道口冻害的目的；装置的工作模式根据风幕进风温度确定，在进风温度较高时进入蓄能模式，在进风温度较低时则进入风幕阻隔模式，通过蓄能与阻隔的混合运行防治隧道口冻害。
49.以此方式，本实用新型中充分结合了寒区隧道外空气随季节、昼夜呈周期性波动等特征，当气温较高时应当充分利用空气中的能量，该能量的利用通过相变蓄能单元实现，当气温较低时，应当阻止隧道外的冷空气流入隧道，该功能通过双出口风幕实现。
50.综上，按照本实用新型的蓄能调节型双出口风幕隔冷防冻装置可靠性高、绿节能、操控自动化，环境适应性强，仅依靠少量组件的自动控制即可顺利实现不同工作模式的切换，是一种低能耗、高质量的风幕隔冷手段，因而尤其适用于寒区隧道口之类对象的冻害防治应用场合，并具备广阔的应用前景。
51.本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

技术特征：

1.一种寒区隧道口蓄能调节型双出口风幕隔冷防冻装置，其特征在于，该风幕隔冷防冻装置成对布置在隧道口的两侧，并包括风幕隔冷单元、相变蓄能单元和温控单元，其中：所述风幕隔冷单元包括进风口、风道、出风口和风机，其中该进风口开设于隧道混凝土壁上，用于将隧道外的空气导入；该风道的一端与所述进风口相连通，另外一端与所述出风口相连通；该出风口包含双出口，其中第一出口指向隧道外，第二出口指向隧道内；该风机安装在所述风道的内部；所述相变蓄能单元由填充有相变材料的构件组成，其设置在隧道内侧，并处在所述风幕隔冷单元附近；所述温控单元用于对所述进风口处的温度进行监测，其中当监测温度值高于或等于所述相变材料的相变温度时，驱动所述第二出口和所述风机开启，将隧道外空气送入隧道内，相变材料吸热蓄能；而当监测温度值低于所述相变材料的相变温度时，驱动所述第一出口和所述风机开启，喷射气流以在隧道口形成隔冷风幕。2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，处于隧道口两侧的所述进风口、风道和出风口均关于隧道中轴面对称布置。3.如权利要求1或2所述的装置，其特征在于，对于所述风幕隔冷单元而言，它的风道由金属材质制成，其在工厂预制加工后现场安装。4.如权利要求1或2所述的装置，其特征在于，对于所述风幕隔冷单元而言，它的第一出口、第二出口采用条缝形喷口的形式，并且所述第一出口与隧道横截面呈10
°
～20
°
的第一角度，所述第二出口与隧道横截面呈30
°
～50
°
的第二角度。5.如权利要求1或2所述的装置，其特征在于，对于所述相变蓄能单元而言，其采用空心结构板的形式，该空心结构板具备连接管和连接凹槽，其中该连接管用于将相变材料注入至空心结构板的内部，并在封闭管口后插入相邻另一空心结构板的所述连接凹槽完成组装。6.如权利要求5所述的装置，其特征在于，对于所述相变蓄能单元而言，其布置在从所述风幕隔冷单元的位置起往隧道内方向50m的范围内，并且可作为隧道衬砌使用，或者独立作为能量储存单元。7.如权利要求6所述的装置，其特征在于，对于所述相变蓄能单元而言，它的相变材料具备0℃～5℃的相变温度，并且相变材料层的厚度为10cm～20cm。8.如权利要求1或2所述的装置，其特征在于，对于所述温控单元而言，其包括温度传感器、信号传输线和温控阀，其中该温度传感器用于对所述进风口处的温度进行监测，然后通过该信号传输线将监测信号传递给所述温控阀；该温控阀用于对所述风机、第一出口和第二出口分别独立驱动，以将其开启或关闭。9.如权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述隧道口将其截面扩大为矩形，同时在其最外端面再缩小为原形状。10.如权利要求1或2所述的装置，其特征在于，上述双出口风幕隔冷防冻装置配备有远程控制单元。

技术总结

本实用新型属于隧道冻害防治相关技术领域，并公开了一种寒区隧道口蓄能调节型双出口风幕隔冷防冻装置，其包括风幕隔冷单元、相变蓄能单元和温控单元，其中风幕隔冷单元包括进风口、风道、出风口和风机，并且该出风口包含分别指向隧道外和隧道内的双出口。当监测温度值高于或等于相变材料的相变温度时，开启蓄能工作模式，指向隧道内的喷口打开，相变材料吸热蓄能；而当监测温度值低于相变材料的相变温度时，开启隔冷工作模式，指向隧道外的喷口打开，形成阻隔外部气流的风幕。本实用新型还公开了相应的方法。通过本实用新型，充分利用了寒区气温季节及昼夜性波动，调控天然能量并阻隔隧道外冷空气，双管齐下防治冻害。双管齐下防治冻害。双管齐下防治冻害。