基于城市道路设施的雾、霾净化技术方案研究

刘桂丽，杨 帆，王亚萍

(青岛理工大学 汽车与交通学院，山东 青岛 266520)

基于城市道路设施的雾、霾净化技术方案研究

刘桂丽，杨 帆，王亚萍

(青岛理工大学 汽车与交通学院，山东 青岛 266520)

分析雾和霾的气象特征，结合冷、热气流运动规律，利用城市道路附属设施，研究雾和霾净化技术方案。雾净化方案提出新型路缘石、新型中央及两侧带护栏和新型路灯设计，在满足自身原有功能的基础上增加吸气、排气孔道和太阳能发电装置，利用吸气孔道吸入道路行车安全视距范围内的雾气，通过地下除雾装置处理后的干燥气体经过喷气导管喷向道路上空，聚集的雾水及微尘经地下排水管道排出，达到净化空气的目的。霾净化技术方案提出在分隔带、路面板及人行道地下内埋设铜线圈，利用通电产生的弱静电场吸附空气中的悬浮颗粒物，实现道路行车视距范围内的局部除霾效果。利用城市电网辅助太阳能储电系统的模式为系统提供能源，以降低造价和提高适用性。

道路工程；雾霾净化；技术方案；城市道路；静电吸附

交通事故原因分析数据显示，由灾害性天气直接或间接导致的交通事故约占事故总数的50%，因浓雾、雾霾等恶劣天气造成的交通事故率更是呈显著上升趋势。据中国气象局的数据显示，2013年74个城市空气质量总体超标天数比例为68.4%，平均超标率为68.9%[1]。2014年初，我国中东部大部分地区都出现了雾霾天气，影响面积约为143万平方公里，约占国土面积的15%，严重影响了人们的正常生活。据初步统计，汽车尾气是雾和霾的重要成因之一，随着城市道路建设的不断发展和汽车保有量的与日俱增，雾、霾天气对城市道路的影响范围会进一步扩大，由雾、霾天气导致的交通事故频发、通行能力降低、交通拥堵等问题将日益严重[2]。

目前，为改善道路行车环境，国内外对雾、霾的处理基本上采用“控制行车”的措施，如交警现场指挥交通、封闭路段、限制车速、可变情报板、除雾车流动除雾等[3]。虽然在一定程度上降低了雾、霾天交通事故的发生，但都不能在“短时间”内有效改善城市道路的交通环境状况；车速低、通行能力下降、运营效益降低等问题依然存在；且由于投资过高，现有雾、霾处理技术主要应用于高等级公路，对城市道路应用甚少。

因此，研究雾、霾天气条件下城市道路安全、高效运营的先进技术，是道路科研人员的迫切任务；我国城市道路面积率达到20%～25%，城市道路的雾、霾净化处理，必然为城市空气污染的治理带来积极影响。

1 方案总体设计

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。霾是指大量烟、尘等微粒悬浮形成的浑浊现象，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[4]。雾和霾天气特征的主要区别是相对湿度，相对湿度大于90%时的能见度恶化是雾造成；相对湿度介于80%～90%之间时的能见度恶化是霾和雾的混合物共同造成[5]。针对此特性，笔者分别对雾和霾净化技术进行研究，提出雾、霾净化技术方案。

如图1，检测模块实时检测道路能见度和大气湿度等气象参数，并将相关数据传递给控制中心，判断雾、霾天气是否发生。当检测值达到预设值，控制中心在数据处理分析后，控制喷、吸气装置和除雾、霾装置的工作状态。当检测到雾、霾天气发生且大气相对湿度大于90%时，系统启动“雾净化方案”；如大气相对湿度小于90%，系统将同时启动“雾净化系统”和“霾净化系统”。在雾、霾净化过程中，道路能见度将逐渐提高，当检测装置检测到气象能见度大于1.5 km时，系统关闭。

图1 方案工作流程Fig.1 Working process of scheme

通过对雾、霾天气下道路行车条件的研究发现，只要能保证驾驶员视线空间范围内有良好的能见度条件，车辆即可正常行驶。因此，本系统通过控制气体流向，形成气幕控制相对封闭的除雾空间，实现对道路上空驾驶员视线范围内的局部空间的雾、霾净化处理，从而降低除雾、霾总量，减少能源消耗。为了避免团雾现象或系统某个单元出错而导致系统整体瘫痪，雾、霾净化系统设计为由一个控制中心和多个独立结构单元组成。各个结构单元之间独立运行，由控制中心针对不同路段进行总体控制。

2 雾净化技术方案

雾净化方案组件由地上和地下两部分组成，地上为吸、喷气装置及太阳能吸收装置，地下主要包括除雾装置、吸气风机、加压装置。由吸气装置吸收潮湿雾气，吸气风机将雾气流以一定压力喷到除雾装置上，由除雾装置将水和微颗粒等杂质与空气分离。除雾装置底部与城市道路排水管道相连，将除雾产生的水分和杂质引入城市道路排水管道中，洁净空气经加压装置加压后以一定压力喷向道路上空。干热洁净气流形成气幕并逐渐上升，产生的空气压力可减缓湿冷空气的下降，此时驾驶员视线内雾气逐渐消减，最终形成冷气流进入除雾系统，热气流喷出后上升的气流循环路径。系统总体布置效果图如图2。

图2 方案总体布置效果Fig.2 Design sketch of general layout of scheme

2.1 吸、喷气装置

吸、喷气装置由新型路缘石、新型路灯、新型分隔带护栏等组成。由吸气口将驾驶员安全行车视线空间以内的雾气吸入除雾装置，经处理后由喷气口喷出，形成动态除雾循环。

2.1.1 新型分隔带护栏

新型分隔带护栏为技术方案的主要喷气装置，设置于城市道路中央或两侧[5]。4 m×1.1 m高的新型防护栏内部为中空设计，下端通过连接管线与地下除雾装置连接。喷气口上端设有盖板，系统启动时方可打开，以防止雨雪水或其他杂物进入，如图3。

图3 新型防护栏Fig.3 New type of guardrail

2.1.2 新型路灯

未设置护栏或仅设有中央护栏的城市道路，其两侧的喷、吸气功能由新型路灯枝干和新型路缘石来实现。

如图4，新型路灯支杆为中空设计，设有喷气孔和吸气孔，横截面图中蓝色圆圈代表吸气管部分，在高度为2 m处分布喷气孔。气体从灯杆上的吸气孔吸入，通过灯杆中的吸气管到达地下除雾装置，被除雾装置处理后的干净气体经加压装置加压后，经过管道从道路中间新型护栏和路灯支杆上布置的排气孔中排出。新型路灯为卤素路灯，由3个灯头组成，在不同环境下，控制中心设定不同的亮灯数目，满足道路交通对灯光的需求，实现节约能源的目的。路灯顶端设有太阳能电池板，非雾、霾天气下吸收太阳能，并将太阳能转化产生的电能存储到埋置于地下的储能装置中，为除雾组件运行提供能源，如图5。

图4 新型路灯示意Fig.4 Schematic diagram of novel street lamp

图5 新型路灯与能源模块示意Fig.5 Diagram sketch of novel street lamp and energy module

2.1.3 “R”型路缘石

由于路灯间距设置过大，为了保证除雾效率，方案对路缘石进行改造，实现除雾方案的吸气装置功能。新型路缘石吸气孔高度接近设计车辆排气孔口的近地高度，吸气孔均匀布置，通过管线与地下除雾相连，如图6。为了使其具有缓冲汽车撞击作用，新型路缘石采用 “R”流线型设计[6]，建立如图7所示抛物线模型，计算出流线型坡度为37°，其他设计参数为：底宽50 cm, 净高27 cm, 出地高度22 cm, 出地宽度30 cm, 线角度21.7, 质量146.4 kg, 承受力5×105N, 吸气孔倾斜角度53°。

图6 新型路缘石效果Fig.6 Design sketch of novel curb

图7 新型路缘石设计详图(单位：cm)Fig.7 Design details of novel curb

为了保证新型路缘石的稳定性，本设计增大了其着地面积，形成了20 cm地埋区。汽车与路缘石撞击为非弹性碰撞[7]，取大众桑塔纳车辆参数为例，假设汽车以时速60 km/h与路缘石呈30°角撞击，汽车撞击后运动0.5 m停止，即“R”型路缘石的曲面长度约为50 cm，根据动量公式(1)：

m×v=F×t

(1)

得m=1 500+60=1 560 kg

得t=0.061 2 s

则：

新型“R”路缘石防撞性能满足要求。

2.2 除雾装置

除雾装置为地下空气净化装置，实现空气和杂质分离的功能。雾气以一定的速度通过除雾装置，与除雾装置内丝网结构相撞，并依附在其表面上。在除雾器内部结构的表面上，雾滴经过扩散和重力的作用会逐步聚集，当重量达到一定水平后，就会从除雾器内部结构上分离下来[8]，如图8。

图8 除雾装置工作原理Fig.8 Working principle of dehumidification device

除雾装置与地下排水管道连接处设置单向弹簧挡片，防止地下排水倒流进入除雾装置，如图9。

图9 地下结构连接效果Fig.9 Design sketch of underground structure connection

除雾装置利用烟尘过滤理论分离废气中夹带的液滴和微颗粒[9]。通过材料选择、尺寸计算等，设计出适合城市道路的除雾装置。在其规格设计中，运用除雾装置间隔和所需除雾时间等因素来确定除雾装置的工作效率以及通过装置的空气流速，确定除雾装置的尺寸，具体设计规格见表1。

表1 除雾装置设计规格

2.3 吸气风机

如图10，吸气风机的主要作用为加快气体流动，使道路上方的雾气经吸气管道通过吸气风机后形成具有一定流速的气流喷到除雾装置上，为除雾装置的工作提供气流条件，提高除雾效率。

图10 吸气风机示意Fig.10 Diagram sketch of vent fan

为保证除雾装置的工作效率，需要根据气体流量选择合适的吸气风机。假设道路为双向六车道，路幅总宽为30 m，照明路灯一般高度为8 m，两路灯间的间隔30 m，为满足安全行车视线要求，系统处理雾气高度设定为路面以上2.5 m，求得吸气风机功率。吸气风机参数为：处理气体体积1 125 m3, 丝网除雾装置半径0.5 m, 装置面积0.785 m2, 处理能力0.312 5 m3/s, 电机容量安全系数1.1, 全压P2.3 kpa, 输出功率1.129 kw。

(2)

2.4 关键技术

2.4.1 喷气孔口角度及高度设置

喷气孔口角度和高度为保障系统运行效率的关键指标，该指标与喷出气流压力共同控制气流运动轨迹，保障道路安全行车所需的消雾空间。

交通部《城市道路交通规划设计规范》设计要求：驾驶员视线高度为1.5 m，载运集装箱的车辆不得超过4.2 m[10]。根据上述要求建立数学模型，为了快速消除驾驶员视线前雾气，本方案将喷气孔高度设为2 m，假设在无大风、雨雪等恶劣天气时，系统喷出的干燥热气以抛物线轨迹运行。以城市道路双幅路为例，道路横截面与道路中轴线的交点为原点，建立直角坐标系，见图11。

图11 吸、喷气角度计算模型Fig.11 Calculation model of air spray and suction angle

由上述可知，关键点的坐标以次为：A(0, 110)；B(187.5, 420)；C(750, 200)；D(187.5, 150)；E(750,110)(单位为cm)，根据抛物线的性质，利用MATLAB计算软件可求得喷气口喷出热气轨迹方程y1即：

y1=-0.002 73×x2+2.164 4×x+110

(3)

y1′=-0.005 45×x+2.164 4

(4)

则tanθ1=2.164 4，tanθ1=1.923 1

θ1=55.80°，θ1=54.90°

式中：θ1为新型中央分隔带护栏喷气角度；θ2为新型路灯喷气角度；即护栏喷气导管角度为55.80°，路灯喷气导管角度为54.90°。

2.4.2 地下结构设计

地下核心结构的丝网除雾装置具有除湿及过滤净化功能，由于道路运行环境中的气液固三相组分存在差异，因此其气溶胶粒子与粒子群具有特殊性，利用烟尘过滤理论进行分析时，需综合常规袋式除尘、静电增强纤维过滤等方式的特点，进行丝网过滤除尘系统的设计[11]。道路系统运行环境具有特殊性，需要对过滤净化和除湿设备进行技术改造，达到适合道路运行环境的目的。

2.4.3 连接设计

该部分包括地上地下设施的连接和地上管线之间的连接。防护栏受到运行车辆等外力撞击时会发生变形和移位，为了避免或减少该破坏对地下设施的影响，地上喷吸气装置与地下管线的连接考虑采用柔性接头连接。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，避免管道不通心、法兰不平行的限制[12]，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，地上管线之间需采用拆装灵活的连接形式，并在连接部位进行柔性处理，满足防撞效果的同时，提高吸振能力，减少管线彼此之间的影响。

2.5 实验模拟

为了验证系统效率，笔者使用Gambit软件建立高速路面及上部区域网格模型并做离散化处理，导入Fluent，根据雾、霾天气大气指标、系统热功率系数进行计算和统计。模拟实验设定初始环境温度285.15 K，空气含水量6.251 g/kg，喷气温度320 K，喷气角度43°，喷气速度1.5 m/s；模拟单向三车道高速路面总宽12.5 m，最高点4.2 m，吸、喷气口高度各为0.5和1 m；进行喷、吸气流模拟，比对湿度变化，记录模拟次数为50、100、150、350次的特征点温度过程值、最终值和模拟效果图，如图12。

图12 道路视线空间温度分布Fig.12 Distribution sketch of spacial temperature in driving area

由数据和模拟图可知，路面上空最终形成温度稳定在297.15 K，含水量2.923 g/kg的局部空气幕，在驾驶员安全视距内开辟出能见度良好的通道。

3 霾净化技术方案

3.1 设计原理

霾是正电性颗粒物质，平流层正电性对霾正电性颗粒产生斥力，从而使霾在大气对流层中聚积。霾在空气中分布较为均匀，具有呈酸性、呈正电性、范围广、密度小、颗粒较小、不分解、不沉降、消解速度慢等特点。根据这些特点，本设计的除霾原理是：在分隔带、路面板或人行道地下埋置铜线圈，与供能系统连接，通过变压转换器等设备进行通电，在其上方产生一定范围的负静电场(称为负极板装置)，根据电力学原理，道路上空部分范围的正电性霾颗粒能够在电场的作用下，由空中降至地面。从而使路面上空一定范围内呈现出清晰、可视性强的范围，开阔驾驶员视野，保证行驶安全。

3.2 技术方案

在城市道路分隔带、路面板或两旁人行道地下铺设铜线，每间隔500 m形成一个闭合线圈[13]。闭合线圈开关接到控制模块，若经系统检测装置检测雾、霾浓度超标且空气相对湿度小于90%，控制模块自动发出指令，启动霾净化系统，地下埋置线圈通入较弱直流电产生静电场。在其上空形成一个静电场，吸附空气中的霾颗粒，落至绿化带内的微颗粒随着雨水或人工浇水自然融入大地，散落到路面的微颗粒可通过新型路缘石上安装的吸气系统或除尘车进行收集处理，以防止二次霾现象发生。系统工作流程如图13。

图13 霾净化系统工作流程Fig.13 Working process of haze purification system

3.3 硬件布置

霾净化系统包括检测装置、控制中心、由绝缘外壳构成的外部结构和铜线圈(负极板装置)、微尘回收装置、静电调节器以及静电发生器等内部结构构成。供电装置与太阳能板结合，使其成为一个拥有正负极的电源。负极板装置为用铜线卷成的铜线圈，当铜线圈与电源负极相连接时，铜线圈与道路上空的正电性霾层产生吸引作用[14]。

图14为城市二块板道路静电除尘系统布置图，主要分成左侧线圈和右侧线圈两类，左侧线圈埋置于左侧人行道、左侧路面板和中央分隔带的左侧防护栏的下方，右侧线圈埋置于中央分隔带右侧防护栏、右侧路面板和右侧人行道下方。把铜线卷成铜线圈，线圈与线圈间隔一定距离埋置于此，将太阳能板所储存的电能经过电能转换器形成一个直流电源，然后将电源与铜线圈相连，从而铜线圈变成一个有大量负电荷聚集的负极板，而道路上空的霾颗粒层相当于有大量正电荷聚集的正极板[15]，在类似电容的环境下，雾霾微颗粒慢慢在路面集聚，达到除霾效果。

图14 静电除尘横断面布置Fig.14 Cross-section profile of electrostatic precipitation

4 可行性分析

4.1 交通影响分析

本方案通过合理设计喷、吸气导管端部角度、孔口高度和气流压力，以确保气流运行轨迹覆盖目前车辆高度极限值，由此避免具有一定压力和温度的干燥洁净气体直接喷向道路空间内运行车辆和行人，从而消除系统运行对交通产生的影响。

道路行车视线空间内的雾、霾净化使能见度不断提高，由此，道路沿线行车道以外区域的能见度与行车道范围内的能见度会产生差异，这种能见度的变化会对驾驶员的心理产生不利影响，因此，和良好天气条件下的道路行车相比，该条件下的车速依然会有所降低，但和雾、霾天气条件下的车速相比依然有很大提高，有效改善行车条件。为了保证安全，系统运行时，可考虑采用电子信息技术给予驾驶员充分提示。

霾净化系统主要吸附粒径为2.5 μm以下的霾颗粒，因此所需静电场的电流微小，不会对人体造成伤害，也不会吸附行人毛发等物质；且静电场中的电流为直流电，不会对手机信号造成干扰，具有较高的安全性。

4.2 经济效益分析

依据2013年山东省道路交通事故赔偿标准，考虑系统前期费用、设施费用及其他费用，估计每百公里费用见表2。

表2 系统经济效益分析

青岛市开发区嘉陵江东路全长4.8 km，是青岛开发区重要的运输干道，同时也是雾霾天气频繁发生的道路。经济分析如下：系统建设费用180.8×4.8%=8.68万元，雾、霾天气导致交通事故年平均数量12起，事故直接经济损失15.6万元，可获收益6.92万元。

由上述可知，雾、霾净化技术方案建设初期具有良好的经济效益，在后续的运行中，随着基础设施投入的降低，效益将更加明显，因此该系统具有良好的经济性。

5 创新特色

1) 本技术方案对防护栏、路灯支杆、路缘石等道路原有附属设施进行改进，在原有功能基础上实现系统吸、喷气和太阳能发电等功能，以减少新增设施的投入和能源消耗，降低系统投入，提高系统的适应性和经济性。

2) 检测模块实时检测雾、霾的浓度，第一时间反映天气变化情况，控制模块适时开启系统进行雾、霾净化处理；吸入道路上空的潮湿雾、霾气体，通过净化装置喷出干燥洁净气体，快速实现气体净化，与传统的雾、霾处理技术相比，本系统更加及时、高效。

3) 技术方案把除雾装置产生的水和颗粒物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的因路面附着系数减小而使车速降低、冬天路面结冰等问题，增加了行车安全性。

4) 技术方案是由多个独立结构单元组成，每个结构单元负责相应路段，各部分构造连接拆装灵活方便，便于后期维护和更新；可根据实际需求接入沿线城市电网；不同天气条件分别启动雾净化系统或雾、霾净化系统，有针对性的治理雾、霾天气；具有良好的可控性。

6 结 语

随着经济发展，烟尘悬浮物和汽车尾气等污染物不断增加，导致雾、霾问题将更加突出。据有关资料显示，今后雾、霾天的频率和等级会不断地增加。雾、霾将会严重威胁人们的出行安全。“城市道路雾、霾净化系统”适应时代发展的需求，借助于感应技术和新能源转化技术，突破了除雾、霾过程中及时性与经济性的限制，适应当今时代可持续发展的主题，可实现改善交通状况和保护环境的双重目的。

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Technology Scheme of Fog and Haze Purification Based on City Road Facilities

LIU Guili, YANG Fan, WANG Yaping

(School of Automobile & Transportation Engineering, Qingdao Technological University, Qingdao 266520, Shandong,P.R.China)

The characteristics of the fog and haze were analyzed and the fog and haze purification technology scheme was also researched, combining with the movement regularity of cold and hot air and using subsidiary facilities of city road. The fog purification technology scheme proposed a new design of the curb, the guardrail at central and both sides as well as the street lamp, in which the air spray, suction pipe and solar power generation device were added on the base of their original functions; the fog was inhaled by the suction pipes within safely driving visual space; the air was dehumidified and purified through dehumidification device installed in the underground space of city road, the mist and small particles were leaded into the drainage pipeline and the processed dry gas with high pressure was sprayed on the city road through the spray pipes; so the purpose of air purification for improving air visibility in driving area was achieved. The haze purification technology scheme proposed that copper coils were set up under the separator, pavement and sidewalk, and the suspended particulate matter in air was absorbed by weak electrostatic fields of copper coils when they were electrified, which realized the purpose of eliminating haze partly in driving area. The energy of the system used the city power network and assisted solar electricity storage system, which reduced costs and improved applicability.

highway engineering; fog and haze purification; technology scheme; city road; electrostatic adsorption

2014-11-07；

2015-04-09

国家自然科学基金项目(51178231)；国家高技术(863)研究计划课题项目(2007AA11Z219)

刘桂丽(1976—)，女，山东安丘人，副教授，硕士，主要从事道路工程设计和交通环境控制技术的研究。E-mail：guili4301@163.com。

10.3969/j.issn.1674-0696.2016.01.07

U121

A

1674-0696(2016)01-033-07