基于半導(dǎo)體溫差發(fā)電的隧道應(yīng)急照明和疏散救援技術(shù)

摘要：傳統(tǒng)的應(yīng)急照明通常需要由大型發(fā)電機(jī)供電，由于應(yīng)急發(fā)電機(jī)主要由內(nèi)燃機(jī)發(fā)電，如果照明系統(tǒng)出現(xiàn)問題，發(fā)電機(jī)將無法及時(shí)啟動(dòng)，當(dāng)緊急情況發(fā)生時(shí)，應(yīng)急照明系統(tǒng)無法正常工作，導(dǎo)致許多不必要的事故發(fā)生，另一方面，隨著負(fù)載的增加，發(fā)電機(jī)供電電壓也會(huì)降低，從而引起電壓波動(dòng)，波動(dòng)大會(huì)影響設(shè)備并損壞設(shè)備。針對隧道煙氣特征速度計(jì)算不準(zhǔn)確、影響測算可用安全疏散時(shí)間的問題，基于半導(dǎo)體溫差發(fā)電提出隧道應(yīng)急照明和疏散救援技術(shù)。采用非穩(wěn)態(tài)模型模擬火源，構(gòu)建隧道火災(zāi)煙氣蔓延模型，利用半導(dǎo)體溫差發(fā)電跟蹤應(yīng)急照明最大功率點(diǎn)，得到發(fā)電組件的輸出功率。根據(jù)動(dòng)態(tài)追蹤結(jié)果，實(shí)時(shí)求出當(dāng)量長度值，更新空間擁擠度，以此確定疏散救援路徑。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)距離疏散點(diǎn)最遠(yuǎn)的位置（500 m處）時(shí)，測試得到的4種隧道工況的可用安全疏散時(shí)間分別高出必需時(shí)間175.29 s、89.21 s、145.6 s和195.46 s ，滿足安全疏散和救援要求。

關(guān)鍵詞：半導(dǎo)體;溫差發(fā)電;隧道應(yīng)急照明;疏散救援

中圖分類號：U458文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號：1009-9492（2021）11-0258-03

Tunnel Emergency Lighting and Evacuation Rescue Technology Based onSemiconductor Thermoelectric Power Generation

Pu Min

（Suzhou Lumlux Power Technology Co.， Ltd.， Suzhou， Jiangsu 215143， China）

Abstract： The traditional emergency lighting usually needs to be powered by a large generator. Because the emergency generator is mainly powered by an internal combustion engine， if there is a problem with the lighting system， the generator will not start in time. When an emergency occurs， the emergency lighting system will not work normally， resulting in many unnecessary accidents. On the other hand， with the increase of load， the power supply voltage of the generator will also be reduced， resulting in voltage fluctuation， which will affect the equipment and damage the equipment. Aiming at the problem of inaccurate calculation of the characteristic velocity of tunnel smoke， which affects the estimation and calculation of the available safe evacuation time， tunnel emergency lighting and evacuation rescue technologies were proposed based on semiconductor thermoelectric power generation. The non-steady state model was used to simulate the fire source， the tunnel fire smoke spreading model was constructed， and the semiconductor temperature difference power generation was used to track the maximum power point of emergency lighting to obtain the output power of the power generation component. According to the dynamic tracking results， the equivalent length value was obtained in real time， and the space congestion degree was updated to determine the evacuation rescue path. The experimental results show that when the distance to the evacuation point is the farthest position （at 500 m）， the available safe evacuation time of the four tunnel conditions obtained by the test is 175.29 s， 89.21 s， 145.6 s and 195.46 s higher than the necessary time， respectively， which meets the safety requirements.

Key words： semiconductor; thermoelectric power generation; tunnel emergency lighting; evacuation rescue

0 引言

現(xiàn)階段我國交通建設(shè)事業(yè)迅速發(fā)展，高速公路的規(guī)模和數(shù)量持續(xù)增加。在交通建設(shè)中，火災(zāi)是運(yùn)營期公路隧道面臨的主要風(fēng)險(xiǎn)之一，由于隧道狹長的結(jié)構(gòu)形式，使得隧道火災(zāi)往往會(huì)造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡。隧道能夠克服地形限制，縮短道路長度，在一定程度上可以減少對生態(tài)環(huán)境的破壞，避免發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害[1-2]。因此，隧道的建設(shè)對于高速公路的發(fā)展來說至關(guān)重要。隨著施工技術(shù)的不斷進(jìn)步，隧道不再局限于直線形式，呈現(xiàn)出向曲線隧道發(fā)展的趨勢，在樣式多樣化發(fā)展的同時(shí)，隧道的長度也在不斷延長，世界各國開始出現(xiàn)特長隧道。由于隧道本身出入口少，具有一定封閉性的特點(diǎn)，再加上隧道中車流量密度大、貨物種類繁多，導(dǎo)致隧道易發(fā)生火災(zāi)等事故[3-4]。受到隧道形態(tài)的限制，一旦發(fā)生火災(zāi)，如果不能得到有效的控制，將造成嚴(yán)重的后果。隧道內(nèi)的火災(zāi)事故不但破壞隧道結(jié)構(gòu)，更對駕駛員和其他隨行人員的人身安全帶來巨大傷害，威脅社會(huì)穩(wěn)定。對此，需要利用有效的隧道應(yīng)急照明和疏散救援技術(shù)，對隧道內(nèi)部環(huán)境和結(jié)構(gòu)進(jìn)行控制，降低火災(zāi)事故帶來的風(fēng)險(xiǎn)，減少事故引起的人身威脅和財(cái)產(chǎn)損失。本文基于半導(dǎo)體溫差發(fā)電對隧道應(yīng)急照明和疏散救援技術(shù)進(jìn)行研究，避免火災(zāi)高溫對隧道承載力帶來威脅，增強(qiáng)隧道行駛的安全性，為隧道搶險(xiǎn)救援等任務(wù)提供技術(shù)支持。

1 基于半導(dǎo)體溫差發(fā)電的隧道應(yīng)急照明和疏散救援技術(shù)

1.1 構(gòu)建隧道火災(zāi)煙氣蔓延模型

在隧道中，火災(zāi)可能發(fā)生在列車的任意位置，其中中部位置發(fā)生火災(zāi)事故對逃生的影響最大。在中部位置，無論何種風(fēng)向，都有一半人員處于煙氣下游的位置，該位置最不利于安全逃生[5-6]。假定火災(zāi)發(fā)生在列車中部車廂內(nèi)，同一時(shí)刻只存在一起火災(zāi)，其規(guī)模設(shè)定為25 MW 。為保證火災(zāi)數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性，本文采用非穩(wěn)態(tài)模型模擬火源。該模型可表示為：

式中：R 為火災(zāi)的熱釋放率;τ為時(shí)間;χ為熱釋放率的增長系數(shù)。

根據(jù)增長系數(shù)的數(shù)值大小，將隧道火源按慢到超快分為4種類型，分別對應(yīng)不同的火源規(guī)模時(shí)間?？紤]列車減速進(jìn)站的時(shí)間，本文設(shè)定達(dá)到火源規(guī)模的時(shí)間為250 s 。依據(jù)隧道的實(shí)際集合尺寸建立計(jì)算模型，并在該模型上劃分網(wǎng)格，以便于后續(xù)計(jì)算。要使模型與原型的兩個(gè)流場相似，需要確保雷諾數(shù)大于1000[7]。通過這一條件，可以建立火災(zāi)模型與隧道原型的尺度關(guān)系。發(fā)生火災(zāi)時(shí)，煙氣受熱驅(qū)動(dòng)發(fā)生流動(dòng)，此時(shí)認(rèn)為煙氣的速度為火羽流的特征速度，具體可以表示為：

式中：v 為煙氣的特征速度。

根據(jù)上述公式可以計(jì)算得到不同位置的火源特征直徑，并將其與網(wǎng)格尺寸相對應(yīng)。單位網(wǎng)格的劃分服從泊松分布。在此基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)模型的邊界條件，主要包括入口速度、初始溫度、兩端壓力以及環(huán)境參數(shù)等。

1.2 基于半導(dǎo)體溫差發(fā)電跟蹤應(yīng)急照明最大功率點(diǎn)

以構(gòu)建的隧道火災(zāi)煙氣蔓延模型為基礎(chǔ)，利用半導(dǎo)體溫差發(fā)電跟蹤應(yīng)急照明最大功率點(diǎn)，由此得到發(fā)電組件的輸出功率，為疏散救援路線的設(shè)計(jì)提供數(shù)據(jù)支持[8-9]。在理想狀態(tài)下，半導(dǎo)體溫差發(fā)電組件可以被認(rèn)定為電壓源，此時(shí)存在：

式中：w 為最大輸出功率; V1為輸出電壓;r1和 r2分別為內(nèi)阻和負(fù)載電阻。

在線性化電路中，匹配內(nèi)阻和負(fù)載電阻，即可得到最大輸出功率。在同等溫差的外界條件下，通過對參考電壓施加擾動(dòng)，可以得到放大信號并實(shí)現(xiàn)電壓控制。直接給出功率占比后，每一個(gè)變換器都處于開環(huán)狀態(tài)。此時(shí)施加反饋電壓回路，得到的電壓與原來的方向相反[10]。輸出動(dòng)力變化后，意味著工作點(diǎn)向最大功率點(diǎn)的方向趨近。上述過程利用計(jì)算公式可表示為：

Δα=β+[β-β（l -1）]sign[p -p（l -1）] （4）

式中：Δα為擾動(dòng)變量的振幅，即固定步長;β為擾動(dòng)變量;l 為時(shí)間間隔;p 為輸出功率;sign為符號函數(shù)。

上述計(jì)算方法的優(yōu)點(diǎn)是無需測量溫度等外界條件。只利用固定最終補(bǔ)償就可以得到功率振蕩與時(shí)間效率。在狀況變化不穩(wěn)定的情況下，仍具有較高的最終效果，適合用于隧道模型的動(dòng)態(tài)特性分析，并且能夠減少功率損失。

1.3 設(shè)計(jì)隧道疏散救援最優(yōu)路徑

根據(jù)應(yīng)急照明最大功率的動(dòng)態(tài)跟蹤結(jié)果，設(shè)計(jì)路徑權(quán)重算法，篩選隧道疏散救援的最優(yōu)路徑。在實(shí)際的隧道火災(zāi)疏散救援中，現(xiàn)場環(huán)境隨時(shí)都會(huì)出現(xiàn)劇烈的變化，需要以某一固定時(shí)間間隔更新疏散空間的溫度和煙氣等有害氣體濃度信息[11-12]。以環(huán)境探測裝置得到的數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，實(shí)時(shí)求出當(dāng)量長度值，以此確定疏散路徑。完成全局路徑優(yōu)化的同時(shí)，更新空間擁擠度值。為提高計(jì)算效率，將具有相同屬性的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行合并，減少空間節(jié)點(diǎn)總量。更新后節(jié)點(diǎn)具有對應(yīng)的參數(shù)值。同理，當(dāng)空間范圍較大時(shí)，將節(jié)點(diǎn)進(jìn)行拆分，以此提高計(jì)算精度。例如，當(dāng)隧道連接處坡度發(fā)生變化，或者相鄰?fù)ǖ罃?shù)不一致時(shí)，可將隧道分解為若干段，每一段視作一個(gè)節(jié)點(diǎn)，以此完成岔路口或轉(zhuǎn)彎點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)分割。根據(jù)寬度或坡度變化對節(jié)點(diǎn)位置進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整。如果某一節(jié)點(diǎn)沒有與其他特殊通道相連接，則可剔除該節(jié)點(diǎn)，順次連接下一層次。隧道內(nèi)疏散通道主要為疏散站臺和橫通道，整個(gè)逃生路線位于同一平面內(nèi)。以上述兩種通道為例，同時(shí)考慮行使列車的車門以及橫通道出入口的位置，以此構(gòu)建逃生路徑節(jié)點(diǎn)。

2 實(shí)驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

本文基于半導(dǎo)體溫差發(fā)電設(shè)計(jì)了隧道應(yīng)急照明和疏散救援技術(shù)，為檢驗(yàn)本文技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用效果，下面設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。本次實(shí)驗(yàn)選取我國某高速公路隧道為研究對象，該隧道全長23.51 km ，采用左右雙線分修的雙洞方案。其中左線長22.18 km ，右線長21.56 km 。隧道內(nèi)具有人字形狀的縱坡。緊急救援站位于隧道中部，并與左線和右線通道互為救援通道。站內(nèi)設(shè)置有正線區(qū)域和疏散站臺。為避免產(chǎn)生黑洞和白洞效應(yīng)，隧道內(nèi)部洞口-洞身-洞外依次呈現(xiàn)出高-低-高的變化趨勢，匹配人眼的視覺規(guī)律。隧道的照明由此劃分為五大區(qū)間，依次從入口段向出口段過渡。隧道采用雙列縱向布燈方式，應(yīng)急照明的數(shù)量為基本照明的25%，即左側(cè)的一半為應(yīng)急照明。信號燈和可變信息板位于洞外1.5 m處，用于發(fā)布道路警告信息。以上述條件為基礎(chǔ)，建立疏散模型，并建立以下3個(gè)假設(shè)：（1） 假設(shè)著火列車為電力動(dòng)車組，車上乘客年齡和性別構(gòu)成均衡;（2）假設(shè)列車車門為雙側(cè)單車門，位于車廂中部，該車門為疏散起點(diǎn);（3）救援站內(nèi)通風(fēng)排煙等設(shè)施運(yùn)行良好，具有正常疏散和通行能力。除了著火點(diǎn)外，其他區(qū)域均未致災(zāi)。以上述疏散模型為基礎(chǔ)，測試本文提出的技術(shù)的疏散能力。

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

本文選擇可用安全疏散時(shí)間為評價(jià)指標(biāo)，評價(jià)本文所提出的技術(shù)的疏散能力。由于隧道救援站工況較多，本文選取4種典型工況進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測試。4種工況分別為：豎向自然、機(jī)械排煙以及半橫向自然、機(jī)械排煙。著火列車緊急停靠在救援站時(shí)，人員下車的距離與疏散寬度相等時(shí)，人員可快速到達(dá)安全區(qū)域。根據(jù)這一關(guān)系，可以得到可用安全疏散時(shí)間的計(jì)算公式為：

式中：t 為可用安全疏散時(shí)間;S1和 S2分別為定員數(shù)量最多車廂和全列車的人員數(shù)量;v 為人員下車速度;α為通過通道的能力;β為防護(hù)門寬度。

不同類型人員的疏散速度存在差異，本文將疏散速度折減系數(shù)設(shè)定為0.648。測算不同隧道工況情況下的可用安全疏散時(shí)間，測試結(jié)果如表1所示。

根據(jù)列車額定人員數(shù)量，考慮20%加載后的人員數(shù)量，由此計(jì)算得到實(shí)際情況中的必須安全疏散時(shí)間為205 s 。根據(jù)表中的實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果，本文所設(shè)定的4種隧道工況的可用安全疏散時(shí)間均大于所需要的必須時(shí)間。以距離疏散點(diǎn)最遠(yuǎn)的位置為例（500 m處），測試得到的4種隧道工況的可用安全疏散時(shí)間分別高出必須時(shí)間175.29 s 、89.21 s 、145.6 s 和195.46 s 。由上述結(jié)果可知，本文提出的技術(shù)具有充分的疏散時(shí)間，能夠在4種典型的隧道工況中安全疏散人員，滿足安全

疏散和救援要求，因此具有良好的實(shí)際應(yīng)用效果。

3結(jié)束語

綜上所述，本文基于半導(dǎo)體溫差發(fā)電對隧道應(yīng)急照明和疏散救援技術(shù)進(jìn)行了研究，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該技術(shù)的可用安全疏散時(shí)間大于必需時(shí)間，滿足安全疏散要求。本文研究選取了列車中部發(fā)生火災(zāi)的相關(guān)工況為主要研究對象，其他位置的研究涉及的內(nèi)容較少，因此存在一定局限性。未來應(yīng)該更加系統(tǒng)地對列車頭部和尾部的相關(guān)工況進(jìn)行研究，總結(jié)更多疏散特征，并將其應(yīng)用于緊急疏散救援中，以提高模型的適用性。希望本文研究能夠?yàn)楹罄m(xù)研究提供依據(jù)。

參考文獻(xiàn)：

[1]范磊，楊昌宇.特長鐵路隧道超深豎井模式下防災(zāi)疏散及救援技術(shù)研究[J].現(xiàn)代隧道技術(shù)，2020，57（6）：1-7.

[2]王明年，郭曉晗， 崔鵬，等.高海拔大規(guī)模鐵路隧道群防災(zāi)疏散救援工程關(guān)鍵技術(shù)探討[J].現(xiàn)代隧道技術(shù)，2020，57（1）：1-7.

[3]王明年，胡蕭越， 于麗，等.公路隧道動(dòng)態(tài)火災(zāi)規(guī)模及人員疏散研究[J].消防科學(xué)與技術(shù)，2020，39（2）：203-207.

[4]武文韜，馬春燕， 陳燕，等.低溫半導(dǎo)體溫差發(fā)電單元數(shù)值模擬與仿真研究[J].電源技術(shù)，2020，44（1）：85-89.

[5]寧文萱， 齊勝男， 張長銘，等.一種基于半導(dǎo)體溫差發(fā)電的應(yīng)急照明系統(tǒng)[J].中國科技信息， 2020（2）：51-52.

[6]房書琪， 齊勝男，王海明，等.一種基于半導(dǎo)體溫差發(fā)電的單車充電系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].中國科技信息，2020（Z1）：98-99.

[7]張洗玉， 陳國慶，李佩琦，等.一種實(shí)驗(yàn)型半導(dǎo)體溫差發(fā)電儀器的研制[J].中國儀器儀表， 2019（2）：51-55.

[8]王瑞清.關(guān)于疏散指示與應(yīng)急照明基于新規(guī)范 GB51309-2018的方案論證[J].科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新， 2020（28）：188-189.

[9]錢正富， 鄧曉雁， 馬培.公路隧道應(yīng)急救援控制技術(shù)應(yīng)用研究[J].公路交通科技（應(yīng)用技術(shù)版），2020， 16（3）：273-276.

[10]戎賢， 張曉巍，孫子正，等.公路隧道智能火災(zāi)應(yīng)急與疏散體系結(jié)構(gòu)[J].隧道與地下工程災(zāi)害防治，2020（3）：27-33.

[11]王子甲， 高永鑫， 陳峰，等.基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的地鐵火災(zāi)疏散仿真平臺研發(fā)與應(yīng)用[J].都市快軌交通，2020，33（1）：39-43.

[12]沈海青，林龍.基于超導(dǎo)熱管和溫差發(fā)電技術(shù)協(xié)同作用下發(fā)動(dòng)機(jī)排氣熱能回收研究[J].時(shí)代汽車，2020（15）：143-145.

作者簡介：浦敏（1981-），男，江蘇蘇州人，碩士，高級工程師，研究領(lǐng)域?yàn)檎彰麟娫?、照明控制系統(tǒng)。

（編輯：王智圣）