高速公路雾、霾净化技术研究

刘桂丽，黄文博，陈培文，薛绍华

(青岛理工大学　汽车与交通学院，山东　青岛　266520)



高速公路雾、霾净化技术研究

刘桂丽，黄文博，陈培文，薛绍华

(青岛理工大学汽车与交通学院，山东青岛266520)

摘要：对雾、霾产生原因及特点进行了分析，将高速公路地上、地下设施与除湿、过滤装置相结合，研究了高速公路雾、霾净化技术。净化方案提出了新型防护栏设计, 使其兼备空气喷、吸气导管作用，地下空间设置除雾、过滤装置并与上部管道相连接。利用吸气导管吸入安全行车视距空间内的空气，通过除湿、过滤装置对道路上空雾、霾进行净化处理，将雾水及微小颗粒引入排水管线，处理后的干燥气体经过鼓风机加压后由喷气导管喷向道路上空以净化空气, 以满足高速公路雾、霾天气下的能见度要求, 提高道路通行能力，降低交通事故率。在新型边坡防护措施中增加了太阳能发电和储能装置，降低了造价，提高了适用性。

0引言

高速公路的安全运营是关系到国计民生的大事，随着汽车保有量的日益增长，烟尘悬浮物和汽车尾气等污染物排放的不断增加，致使高速公路及周边区域的大气污染日益加剧，交通运营环境日益恶化。据权威部门统计，近几年来，全国高速公路每年发生交通事故约43 257起，死亡6 269人，受伤18 867人，根据对交通事故因素的分析，恶劣天气造成事故约占总数的50%，其中，因雾、霾天气导致的交通事故比例高达30.8%[1]。除此之外，雾、霾天气还造成高速公路封闭、通行能力下降、车辆拥堵等现象，严重威胁着交通的安全运营和人民的正常生活。

雾是近地面层空气中水汽凝结或凝华的产物，是由大量悬浮在近地面空气中的微小水滴或冰晶组成的气溶胶系统。霾是由大量烟、尘等微粒悬浮而形成的浑浊现象，其核心物质是空气中悬浮的灰尘颗粒，气象学上称之为气溶胶颗粒[2-3]。雾、霾的形成需具备3个基本条件：空气湿度、环境温度和微颗粒含量。目前，国内外对大雾天气条件下高速公路的管理基本上采用控制行车的措施，如交警现场指挥交通、封闭路段、限制车速、采用除雾车流动除雾等[4-5]，上述方法均未能从根本上改变雾、霾天气下的行车安全问题，且存在投资高、成效低、水滴在路面沉积造成湿滑和冬季喷洒防冻剂解冻等问题。因此，如何及时高效地改善雾、霾天气条件下高速公路的交通运行环境成为亟待解决的问题。

本文从道路安全行车所需的视距空间具有局域性的特点出发，结合现有的空气除湿、过滤技术，且充分考虑对原有道路设施的改造，对高速公路雾、霾净化技术进行研究，净化处理道路上空驾驶员安全视线内的雾、霾气体，以改善高速公路交通运行环境，实现雾、霾天气条件下高速公路安全、高效运行的目的。

1总体设计

1.1问题分析

雾、霾天气使空气能见度降低，从而导致驾驶员的视距急剧变短，使驾驶员观察能力和判断能力下降，无法做出正确判断；高速公路车辆行驶速度降低，严重时高速公路封闭，通行能力降低，导致高速公路的运营效益和服务水平下降；雾天导致高速公路的附着系数减小，使车辆制动距离增长，易造成高速公路连环追尾或特大交通事故的发生，导致巨大的人员伤亡和经济损失。通过破坏雾、霾形成条件可实现雾、霾的净化处理。雾、霾的形成往往面积大、范围广，如果要将空中的雾气全部消除，从方法、成本、效率等方面来说都不具备可行性。由于道路安全行车所需的视距空间具有局域性，因此，只要能保证驾驶员视距空间范围内有良好的能见度，雾、霾天气条件下车辆就能达到高速、安全行驶。基于此条件，本方案提出技术控制措施，将雾气处理空间控制在道路上空驾驶员安全视线范围内，从而减少雾气的处理总量，降低能源消耗，且充分考虑对原有道路设施进行改造，以减少新增设施建设，实现雾、霾净化和降低资金投入的双重目的。

1.2设计思路

充分利用现有的信息控制、气象检测、空气除湿和过滤技术，在高速公路上引入雾、霾净化技术方案，破坏雾、霾形成条件，对高速公路上空局部空间进行消雾。新型防护栏兼备地上喷、吸气导管的作用，与置于地下的除湿、过滤装置连接，吸气导管吸入雾气并引入地下除湿、过滤装置进行处理，处理后的干燥、洁净气体经鼓风机加压后由喷气管道排入道路上空；具有一定压力和温度的洁净气流形成气幕阻隔雾气的进一步侵入，从而确保设定的除雾范围；处理后形成的水滴和微尘引入高速公路地下排水管线直接排除；新型边坡防护设施与太阳能电池板相结合，充分利用太阳能发电装置为雾、霾净化提供所需能量，以减少能源消耗。

1.3技术方案

高速公路上存在雾的路段有局域性特点，全路段可设计为由多个独立结构单元和控制中心组成。单位里程(1 km)内的各个结构单元依次编号，相互之间无关联，以便于控制中心对各个结构单元工作状态分别进行控制。每个结构单元由地上和地下两部分组成，见图1。

图1　技术方案效果图Fig.1　Impression drawing of technic scheme

地上主要为新型防护栏结构，由数根竖向钢管和两根横向钢管组成，横管上按一定距离和角度安装喷气头和吸气头，在满足自身原有防护功能的基础上兼备技术方案中喷、吸气管道的作用。布置在高速公路中央分隔带和两侧路肩处(详细布置及结构设计见管线模块)。每个独立单元在吸气口附近安装气象指标检测装置，检测空气湿度、能见度、微颗粒含量等气象信息，处理后的气象信息数据传送至控制中心以控制地下除湿、过滤装置的工作状态。

路下结构是技术方案中的核心构件——初效过滤器、除湿器、深效过滤器(霾过滤装置)和鼓风机。由于雾、霾气体中通常会夹杂粒径较大的固体颗粒，为了防止固体颗粒进入除湿器，影响其正常工作而降低其使用寿命。首先将吸入的雾、霾气体通过初级过滤器，然后再进入除湿器和深效过滤器进行净化处理，最后经鼓风机加压后排出。因此新型防护栏与地下初效过滤器入口端相连，初效过滤器出口端依次连接除湿器、深效过滤器和鼓风机，除湿器与过滤器均与地下排水管道连接，净化处理后形成的水及微尘引入地下排水管线。

1.4工作流程

总体工作流程如图2所示。实时监测空气湿度、能见度、微颗粒含量等大气指标，将检测数据传递给控制中心，由控制中心进行数据处理和判断。当检测数据达到预设值时，控制中心接通能源模块，相应路段的雾、霾净化装置启动，各个组件进入工作状态，此时防护栏的吸气导管吸入雾、霾气体，经过初效过滤器过滤后传送到除湿器进行干燥处理，然后经深效过滤器进行霾颗粒的净化处理，处理后产生的水分和微颗粒杂质引入高速公路地下排水管道中；对处理后的干燥洁净气体经鼓风装置进行加压后，再经防护栏的喷气导管按一定角度喷向高速公路上空，形成的气幕起到阻隔或减缓雾气进一步下降的作用。以此循环，直至检测到的大气数据满足预定指标。本方案利用电能辅助太阳能的模式为组件提供能源，太阳能电池板实时吸收太阳能并存入储能装置。当储能装置电量充满，可开启变电装置为沿线线路供电，雾、霾处理装置启动后，先由储能装置提供能源；当电量不足时，控制中心接通道路沿线供电系统，继续为净化装置提供能源。

图2　技术方案工作流程图Fig.2　Working process of technic scheme

2模块设计

高速公路雾、霾净化技术方案的每个独立结构单元均由核心模块(初效过滤器、除湿器、深效过滤器和鼓风机)、控制模块(检测装置、控制中心)、能源模块(太阳能电池板、储能装置、变电装置、沿线的供电设施)、管线模块(喷、吸气导管、排水管道)组成。

2.1核心模块

(1)核心模块的构成组件和工作流程

本技术方案按固体颗粒大小分为粗、中、细3级过滤。防护栏吸气口处设置滤网，过滤路面扬尘、柳絮等粗颗粒，然后经初效过滤器进行 5 μm 以上细颗粒的2级过滤，最后由深效过滤器进行2.5 μm 以下霾颗粒的深效过滤。

初效过滤器见图3，从压缩机出来的压缩空气被引进导流板，导流板上有均匀分布的类似风扇扇叶的斜齿，迫使高速流动的压缩空气沿齿的切线方向产生强烈的旋转，混杂在空气中的液态水和杂质在强大的离心力作用下分离出来，甩到水杯的内壁上，流到水杯的底部[6]，然后从出口输出除去液态水和杂质的压缩空气。伞形挡水板将水杯分隔成上、下两部分，下部保持压力静区，可以防止高速旋转的气流吸起杯底的水。聚集在杯底的水从排水阀排入高速公路的排水管道。排水阀的开关由安装在杯底的重力传感器控制，当过滤的杂物重量达到一个预设值时，重力传感器将采集的数据传递到控制中心，控制中心控制排水阀打开，将杂物排入管道，若管道关闭期间因吸气口处阀门损坏等原因使得雨、雪水或微尘进入管道，亦可由此排水阀排出。

1—金属保护外壳；2—固定轴；3—球形初效过滤器；4—伞形挡水板；5—隔板；6—自动排水阀；7—过滤填充介质；8—进气道滤网；9—空气压缩器；10—球形过滤器滤网层图3　初效过滤装置Fig.3　Primary efficient filtering device

除湿装置见图4，由中效过滤器、热交换器、风扇、电机、机壳、加热器等组成。是本技术方案路下结构部分中的核心消雾构件。经过中效过滤(过滤 5～2.5 μm微颗粒)后的雾气，由转动轴系带动风扇抽入中效过滤器进一步过滤，然后进入热交换器，经由内部结构管道和网芯使空气中的水分冷凝成水珠[7]，然后从出水口排入地下排水导管，产生出干燥空气经过电热管加热后进入深效过滤器。

1—转动轴系；2—保温外层；3—排气管道；4—金属加热网；5—电热管；6—硅胶干燥剂；7—缓冲滤网；8—内部结构管道；9—网芯；10—中效过滤器；11—进气管道图4　除湿装置Fig.4　Dehumidification device

深效过滤器是本方案路下结构部分中 2.5 μm 以下霾颗粒的处理装置。安装在除湿器与鼓风机之间，利用装置内部的铜线圈通电制造静电场，借助线圈产生的静电场来吸附气体中的悬浮颗粒物，实现道路除霾的目的。最后将吸附的微尘排入排水管道中。

为保证排出的洁净气体具有一定的压力，在深效过滤器后设计鼓风机，以形成稳定气幕阻隔雾、霾气流下降，最终实现限定的除雾范围(驾驶员安全行车所需的视线空间)。

(2)核心结构连接与布置

为了便于各组件的后期维护，初级过滤器、除湿器、深效过滤器和鼓风机顺序平行连接，安装在道路两侧路肩和中央分隔带下侧。除湿器、初效过滤器和深效过滤器底部均与地下排水管道相接，为了防止排水管道中的水倒流进入核心部件内，需在管道与地下排水管道连接位置安装单向阀门(见图5)，鼓风机与喷气口之间同样安装单向阀门，以防止异物从喷气口进入连接管道，影响净化装置的正常运行。

1—进气管道；2—初效过滤器；3—冷却器；4—沟槽连接管件；5—单向止回阀；6—排水管道；7—卡箍和紧锁螺栓；8—连接管道；9—加热器；10—深效过滤器；11—鼓风机；12—排气导管图5　地下核心部件连接Fig.5　Connection of underground key parts

2.2管线模块

(1)新型防护栏设计

技术方案创新性地将喷、吸气导管与防护栏进行一体化设计，防护栏在完成自身功能的同时，兼备喷、吸气导管的作用，这种新型防护栏间隔一定距离设为一个独立单元，以便实现对不同路段的控制。

新型防护栏由竖向钢管和上、下两根平行横钢管组成(见图6)。竖向钢管为支撑和连接杆件，与地面刚性连接；距离地面1 m的上横管为喷气管道，与地下鼓风装置连接；距离地面0.5 m的下横管为吸气管道，与地下初效过滤器连接；两横管之间设置防护挡板，固定于管壁外侧以增强新型防护栏的防护功能，防护挡板亦可阻止道路行车道外侧气流进入，确保气幕的形成，实现限定的除雾范围；喷、吸气横管上每间隔3 m安有喷、吸气头，上、下彼此交错，避免喷、吸气相互干扰。为了防止净化装置关闭期间雨、雪、霜或空中杂物从喷、吸气口进入管道损坏净化装置，每个喷吸气口均安装一个由控制中心控制开关的盖板。净化装置启动期间盖板打开，否则，盖板关闭。

图6　新型防护栏效果图Fig.6　Impression drawing of new type of guardrail

(2)管线结构连接

图7　管线连接效果图Fig.7　Impression drawing of connected pipeline

如图7所示,地上新型防护栏与路面采用刚性连接，以确保其防护功能，考虑到防护栏受到运行车辆等外力撞击时发生的变形和位移会对地下设施造成连带破坏，方案设计采用柔性接头连接地上管线与地下设施，结合目前现有的柔性连接材料和工艺进行设计，使其可产生横向、轴向、角向位移，避免管道不同心和法兰不平行的限制[8]，满足道路运行环境的需要。为了后期维护和破坏后维修方便，地上管线之间采用拆装灵活的法兰联接和承插联接两种连接方法，并在连接部位进行柔性处理，在满足防撞效果的同时，提高吸振能力，减少管线彼此之间的干扰。

(3)喷、吸气头角度设计

喷、吸气头角度是控制雾、霾净化范围(即满足道路行车安全的视线范围)的重要指标。气流运动需考虑气、液、固3相运动的耦合作用，利用气溶胶粒子运动理论建立数学模型，综合空气流动、车速及车道宽度、气流压力等因素的影响，确定路上喷、吸气导管端部角度、孔口高度等指标，以控制气流运动轨迹，形成的气幕保障道路安全行车所需的消雾空间。以道路横截面与防护栏轴线交点为原点，建立直角坐标系。利用上述原理确定喷气口喷出热气轨迹方程，再利用导数和正切函数的性质，求得喷气导管和吸气导管角度。

2.3控制模块

控制模块由检测装置和控制中心两部分组成。检测装置为数据采集部件，间隔一定距离安装在防护栏吸气导管周边，实时检测气象数据并传送给控制中心。雾的能见度检测器见图8，利用红外线散射技术测量经过大粒子或小粒子中的散射光总数来测量能见度，传感器通过测量微小悬浮颗粒和大颗粒计算大气消光系数[9]，从大气消光系数导出气象光学视程和能见度，再将采集的数据传送到控制中心。控制中心的主要职能是信息接收、汇集、统计、分析、判断、确认、指令发布等，除雾装置的控制模块程序流程图见图9。

图8　能见度传感器Fig.8　Visibility sensor

2.4能源模块

能源模块即雾、霾净化技术方案采用电能辅助太阳能的模式为各装置提供能源。首先利用能量来源于太阳能电池板的储能装置提供能量，该模块由太阳能电池板(见图10)、充电控制器、储能装置、变电装置、沿线的供电设施组成。太阳能电池板安装在高速公路边坡，兼备高速公路护坡的作用。系统关闭期间，当储能装置能量存储满后，多余的能量由线路传给变电装置，再由变电装置传递给沿线的用电设施。系统运行过程中，当储能装置供电不足时，则直接由沿线的线路供电，保证除雾各装置正常运行。

图10　太阳能电池板Fig.10　Solar panel

3工程方案实效分析

3.1雾、霾净化空间计算

以山东省内的济青高速公路(见图11)为例进行具体分析，其他高速公路可借鉴该模式及结果。

图11　济青高速公路Fig.11　Jinan-Qingdao expressway

根据交通运输部《超限运输车辆行驶公路管理规定》，重型、中型载货汽车的高度从地面起不得超过4.0 m，载运集装箱车辆不得超过4.2 m[10]，且我国载运汽车一般靠右行驶，故右侧车道边缘设为4.2 m；高速公路左侧车道一般小轿车居多，驾驶员视线高度为1.5～2.0 m。为了快速消除驾驶员视线前的雾气，方案将紧急车道右侧上空雾气高度设为2.0 m。

通过模拟气流运动轨迹发现，喷出的干燥洁净气流按近似抛物线轨迹运行。以高速公路横截面与防护栏轴线交点为原点，建立直角坐标系(见图12)。设θ1为喷气管头角度，y1为空气质点距离路面的高度，x为空气质点距离防护栏的水平距离，已知A，B，C，D，E，F的坐标以及抛物线的性质，求得喷气口喷出热气的运行轨迹方程为：

y1=-102.9x2+1 312.5x+1 000。

(1)

图12　雾、霾净化空间计算示意图(单位:mm)Fig.12　Schematic diagram of calculating fog and haze purification space (unit: mm)

利用导数及正切函数的性质，计算可得喷气导管角度θ1为41°，同理可得设计吸气导管角度θ2为11°。综合考虑空气流动、车道宽度和气流压力等因素的影响，最终确定喷气口的角度取值范围为35°～45°，吸气口的角度取值范围为8°～15°。

3.2能源装置匹配

为了保证太阳能发电系统提供足够的能源，需根据各装置的功率[11]合理布置太阳能发电系统。太阳能电池板以100 W为输出功率，按每天平均有效工作5 h计算，平均每天输出功率p1为500 W，考虑到充电效率和充电过程中的损耗，太阳能电池板使用功率p2为0.3p1，即150 W。

假设每个单元需要设置n块太阳能电池板，则每个单独除雾装置每年需耗电量为：

Ps=p2×365×24×n。

(2)

初步统计本方案中各装置功率总和∑pi、 济青高速公路青岛地区全年雾、霾出现的天数d(即各装置工作时间)及每天系统有效工作时间h，则本方案每套装置每年需耗电量为：

(3)

若要满足用电需求，则需满足Ps≥Pd，即可解得所需太阳能电池板块数n。

计算结果如表1所示。

表1　太阳能电池板计算结果汇总

3.3实效分析

高速公路雾、霾净化技术方案的经济效益分析需将雾天导致的损失与该装置的建设、运行费用进行比较。经济损失包括两部分，一是由于雾、霾直接或间接(起重要作用)造成的车祸所造成的经济损失，二是由于雾、霾导致封路所造成的经济损失。装置花费按市场同类产品价格进行估算。

(1)雾天导致的经济损失

①车祸损失y

车祸损失y包括大型货车车祸导致的严重损失和小型货车损伤导致的轻微损失。从2006年至2013年12月，在济青高速路段上，因为雾、霾原因导致发生了5次大型货车车祸，造成184辆车追尾相撞，车辆损伤严重，6人死亡，多人受伤。由道路交通事故赔偿标准[12]，估算这5次大型货车车祸造成的直接经济损失大约为800万元，则平均每年损失为100万元。据统计，雾、霾天气导致的济青高速公路的车辆剐擦、追尾等小型车辆损伤大约为每年500起[13]，每起车辆损伤的直接经济损失约为200元，则年均损失为10万元。

因此，由于车祸造成的直接经济损失y为110万元。

②雾天封路导致的路费损失z

济青高速公路南线贯穿山东9个市(县、区)，全线设立了22个收费站，驾乘人员可以就近上、下高速公路。济青高速公路南线总长307 km，全程通行费120元[14]。由于该线翻山越岭，全线共有特大桥4座、隧道4条，全线的4条隧道将收取部分桥(隧)通行费用。以小轿车型为代表的一类车桥(隧)通行费收费标准为每车次15元，二、三、四、五类车型特大桥(隧道)收费标准在一类车基础上递加5元[15]。

济青高速公路青岛地区年平均雾、霾日为51.5 d，济南地区年平均雾天为20 d，雾、霾天气导致的封路约为每年4 d左右。2012年至2013年，济青高速公路北线日车流量达到过5万多辆。2013年1月至9月济青高速公路的车流量同比增长14%，日均车流量为39 297辆[16]。路费收入同比也增长9%，达17.15亿元。

按照2013年收入额保守估计，在收入不计增长量的情况下，2013年平均每天收入额z0为475万元。

因雾天关闭导致的路费损失z即为1 900万元(按4 d计算)。雾天导致的损失总和W为上述两者相加，即2 010 万元。

(2)装置所需费用

每套装备所需费用为3.3万元，加上每单元所需管线1 000 m(目前济青高速公路为双向六车道，宽度为33.5 m)，按市场价3元/m计算，每个单元管线所需费用为3 000元，则每个单元所需费用为3.6万元，按10 a的使用寿命计算，每年的投入约为0.36万元。济青高速公路总长318 km，则需布置636个单元，济青高速公路上总需装置费用W0即为114.48万元。

因此，总装置费用W0远低于雾天导致的损失总和W，表明此方案在经济上具有良好的可行性。

4结论

(1)技术方案利用新型防护栏及边坡防护等高速公路原有附属设施，实现了原有功能基础上兼备吸、喷气管道和太阳能发电的功能；处理后具有一定压力和温度的洁净气流形成气幕，阻隔雾气的进一步侵入，从而确保设定的除雾范围，减少雾气处理总量，降低能源消耗；储能装置储满电后，多余的电能可用于沿线的供电设施。设计方案可减少新增设施投入和能源消耗，提高了适应性和经济性。

(2)检测模块实时检测气象数据，实时反映天气变化情况，适时开启净化装置进行雾、霾净化处理；吸入道路上空的潮湿雾、霾气体，通过除湿、过滤装置喷出干燥、洁净的气体，使高速公路视线空间内快速实现气体交换，雾、霾的消散比传统模式更加及时、高效。

(3)方案由无数个结构单元组成，每个结构单元负责相应路段，可独立运行，各部分构造连接拆装灵活方便，以便各装置的后期维护和更新。各个结构单元与沿线的供电线路相连接，实现电能辅助太阳能的模式为组件运行提供能源，因此方案具有良好的可控性。

(4)该净化技术把除雾、霾产生的水和微尘直接排入地下排水管道中，和原有除雾方法相比，不会导致水在路面沉积而造成因路面附着系数减小而使车速降低、冬天路面结冰使车辆制动距离增加等问题，增加了行车安全性。

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关键词：环境工程；雾霾净化；技术研究；高速公路；防护栏

Research of Fog and Haze Purification Technology for ExpresswayLIU Gui-li, HUANG Wen-bo, CHEN Pei-wen, XUE Shao-hua

(School of Automobile and Transportation, Qingdao Technological University, Qingdao Shandong 266520, China)

Abstract：The causes and characteristics of fog and haze are analyzed, combining the ground and underground facilities on expressway with dehumidification and filtration devices, the fog and haze purification technology for expressway is researched. In the purification scheme, a new type of guardrail is designed. The guardrail acts the function as both air spray pipe and air suction pipe, in the underground space of expressway, dehumidification and filtration devices are installed to connect with these pipes, inhaling the air within safely driving visual space from the suction pipes, and dehumidifying and filtering the fog and haze though dehumidification and filtration devices, the mist and small particles are leaded into the drainage pipeline, the processed dry gas pressurized by blower with high pressure and temperature is sprayed on the road through the spray pipes for air purification to meet the requirements of air visibility, improve traffic capacity and reduce accident rate on expressway in hazy and fog weather. In the new type of slope protection measure, a solar power generation and energy storage system is added to reduce the cost and improve the applicability of the technic scheme.

Key words：environment engineering; fog and haze purification; technology research; expressway; guardrail

文献标识码：A

文章编号：1002-0268(2016)02-0143-08

中图分类号：X513

doi:10.3969/j.issn.1002-0268.2016.02.022

作者简介：刘桂丽(1976-)，女，山东安丘人, 副教授. (1526976986@qq.com)

基金项目：国家自然科学 (51178231)；国家高技术研究发展计划(八六三计划)项目(2007AA11Z219)

收稿日期：2014-05-05