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隧道消防太阳能保温系统工程应用

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摘要:为有效解决寒冷气候条件下隧道消防系统保温问题,文章基于陕北地区充足的环保太阳能资源,以黄延高速公路扩能工程府村川隧道为依托,开展太阳能热水系统用于隧道消防保温研究。通过工程两个周期运行效果监测,对太阳能热水保温系统的应用效果进行评价;为明确太阳能热水保温系统经济效益情况,与传统电伴热系统进行了能耗比对分析。结果表明:太阳能热水保温系统能够满足冬季气候条件下消防保温要求;太阳能热水保温系统能耗约为电伴热能耗的15%。

关键词:隧道消防;管道保温;太阳能热水系统;节能环保

1引言

寒冷地区隧道消防系统经常会面临管道结冰问题,导致消防系统无法正常使用,一旦发生火灾灾害,对整个隧道的安全性将造成极大影响[1]。为解决冬季等不利气候条件下隧道消防管道保温问题,现阶段研究主要采取电伴热系统及保温材料包裹等外部保温技术措施[2-3]。通过实际应用可知,传统电伴热系统等技术措施存在初期投资高、使用能耗大、运行状态不稳定、维养费用高等问题。同时由于采用外部保温方式,其存在升温慢及降温快等缺陷,导致保温效果不佳[4]。本文基于目前保温技术弊端,研究将节能环保型太阳能热水系统用于隧道消防水管道保温中,并采用“管中管”的内加热保温方式,通过合理的集热、储热、循环及控制技术手段,在消防管道内部形成高效循环加热保温,确保消防水在低温条件下不结冰,保证了消防系统在冬季条件下的适用性和稳定性。介绍了太阳能热水保温系统技术原理及其系统组成,根据实体工程监测研究,分析其系统工程应用的可行性;根据太阳能热水保温系统及传统电伴热系统能耗比对分析,分析其系统应用的经济性。

2太阳能热水保温系统技术原理及系统组成

太阳能热水保温系统技术原理为:于消防管道内放置一定尺寸的螺旋形内加热管(地暖管或其他材质)形成一个回路(技术原理如图1所示)。在合理应用太阳能的情况下,将冷水从基础水温加热至60℃左右(可调节参数),通过热水循环泵将太阳能热水送至内加热管道来加热消防管道内的冷水,保证冬季消防管道内的水温维持在5℃~10℃(根据环境条件进行设定)左右,以防止消防管道内消防水结冰。太阳能热水系统是利用一定规模的太阳能集热器部件,将太阳辐射能转化为热能并用来加热水的一种装置[5]。根据隧道消防保温技术要求,本文采用的太阳能热水系统主要由太阳能集热装置、水泵循环装置、系统智能控制装置、辅助(电)加热装置、储热装置及附属装置等组成[6-8]。太阳能热水保温系统组成如图2所示。

3太阳能热水保温系统试运行监测结果及分析

3.1监测仪器及方法

采用RC-4型高精度连续温度记录仪进行太阳能热水保温系统温度参数监测。RC-4型为外置型温度传感器,记录仪通过USB连接电脑后,上位机软件可以直接上传数据(记录仪软件操作界面见图3所示),采集频率为次/15min。本文分别对太阳能热水保温系统的热水供应管温度(进水管)T1、循环回水管(出水管)T2温度进行温度连续监测记录,评价其实际使用效果。

3.2监测数据结果

3.2.1第一阶段系统运行监测①太阳能热水系统进水管温度T1。监测期间进水管道温度T1最大值为60.9℃,温度最小值为43.5℃,温度平均值为51.3℃。其曲线如图4所示。②太阳能热水系统出水管温度T2。监测期间回水管道温度T2最大值为为44.3℃,温度最小值为27.1℃,温度平均值达到34.7℃。其曲线如图5所示。

3.2.2第一阶段系统运行监测①太阳能热水系统进水管温度T1。监测期间进水管道温度T1最大值为50.6℃,温度最小值为13.5℃,温度平均值为38.5℃。其曲线如图6所示。②太阳能热水系统出水管温度T2。监测期间出水管道温度T2最大值为42.2℃,温度最小值为20.9℃,温度平均值为30.8℃。其曲线如图7所示。

3.3运行监测结果分析

①由此两阶段温度监测数据可知,太阳能热水保温系统的热水供应(进水)T1稳定可靠,进水管温度T1达到了38℃~51℃,出水管温度T2达到了30℃~34℃,能够完全满足消防管道水保持在冰点(0℃)以上的保温要求。②太阳能热水保温系统的使用效果会一定程度受到外界环境影响,在低温阶段(降雪、多云等不利气候条件)供水温度会有所波动,但整体运行转态良好,数据均处在30℃以上设计温度要求范围内。③第二阶段进水管温度T1存在小范围低温区,即进水温度约为15℃左右(数据见图8所示)。但温度满足保温要求,其原因为:进水循环不畅,热水供应不足导致测温区温度下降引起。

4太阳能热水保温系统经济效益分析

为明确太阳能热水保温系统的经济效益,本文针对太阳能热水保温系统与隧道传统电伴热系统的工程造价及使用能耗等进行了比对分析。

4.1工程造价分析对比

①太阳能热水系统工程造价。太阳能热水系统工程造价主要包括集热器、水箱、加热管道、辅料配件等材料费、人工费、运输费用等。府村川隧道共设置两套4t规模热水系统,其工程造价约为65万元。②府村川隧道电伴热工程造价。隧道电伴热工程造价主要包括伴热电缆、温控器、配电箱、供电电缆、上位机控制软件等材料设备费及施工安装费等。府村川隧道电伴热系统方案采用两根伴热电缆,缠绕系数为1.2,两个隧道总长度为2900m,经过测算可知,洞内电伴热系统造价约为180.52万元(不包括洞外部分电伴热系统)。

4.2功率能耗比对分析

①太阳能热水保温系统能耗分析。太阳能热水系统功率总计27kw(水泵功率共5kw、水箱电加热功率22kw),其中水泵主要为泵送循环热水进出隧道消防管,水泵为24h运作;水箱电加热设备为辅助加热,主要为在不利气候条件下的温度要求,电加热启动控制温度为30℃。②府村川隧道电伴热系统能耗计算分析。两个隧道电伴热系统总功率约124kw,电伴热系统启动温度为10℃启动,高于15℃停止。根据隧道消防温度监测可知,电伴热在本阶段内平均每天启动时长为8h。电伴热系统第一阶段总功率能耗为4月×30d×8h×124kw=119040kw•h。电伴热系统第二阶段总功率能耗为3月×30d×8h×124kw=89280kw•h。由功率能耗分析可知:太阳能热水系统能耗约为电伴热能耗的15%。

5结语

本文通过工程验证,对太阳能热水保温系统应用效果及能耗进行了分析研究并得出以下结论:①由两阶段温度监测数据可知,太阳能热水保温系统热水稳定可靠,其使用能够完全满足消防管道保温要求,各周期内进水管温度基本维持在30℃以上。②太阳能热水保温系统相比电伴热系统的前期投资较低,可有效降低工程总造价30%~40%左右。③由于采用绿色环保太阳能资源作为系统能量供应,太阳能热水保温系统总能耗明显较传统电伴热系统低,约为电伴热系统总能耗的15%。

参考文献

[1]夏才初.寒区公路隧道防冻保暖技术及其发展趋势[C].全国公路隧道学术交流会论文集,重庆:重庆大学出版社,2009.

[2]朱彤.电伴热技术及其应用[J].节能与环保.2003,(11):51-52.

[3]刘显茜,陈君若.保温材料管道保温性能分析[J].湖南科技大学学报:自然科学版,2009,24(1):41-44.

[4]赖远明,等.寒区隧道保温效果的现场观察研究[J].铁道学报,2003,(02):81-86.

[5]于易平.严寒地区太阳能热水供热系统设计及优化分析[D].哈尔滨:哈尔滨工业大学,2012.

[6]张嘉.集中太阳能热水系统关键技术研究[D].北京:北京建筑大学,2013.

[7]罗运俊,何梓年,王长贵.太阳能利用技术[M].北京:化学工业出版社,2005.

[8]喻勇,高岩,张广宇,等.太阳能集热系统流量优化研究[J].建筑科学,2014,30(6):72-76.

作者:申来明 盖卫鹏 张东省 单位:陕西省交通建设集团公司

隧道消防太阳能保温系统工程应用责任编辑:张雨    阅读:人次

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