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公路隧道通風系統(tǒng)的節(jié)能設計及應用

文檔作者：劉力力文檔來源：上海中興雙誠隧道養(yǎng)護有限公司		點擊數：	更新時間： 2021年03月23日
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◎s一?一s
公路隧厘通風系統(tǒng)晌節(jié)鏈設計及應用
劉力力
(上海中興雙誠隧道養(yǎng)護有限公司)
摘要： 隧道內保持良好的空氣狀態(tài)是行車安全的必要條件，通風的目的是為了把隧道內的有害氣體或污染物質的濃度降低至一
個允許的濃度之下，以保證汽車行駛的安全性和舒適性。此時，隧道通風系統(tǒng)的控制就顯得尤其重要，并且在日益提倡可持續(xù)發(fā)展的
前提下，也要考慮系統(tǒng)運行的節(jié)能效果，以節(jié)約運行成本。
關鍵詞： 隧道通風；節(jié)能控制；系統(tǒng)控制；環(huán)保
0 前言
隨著上海城市化進程的快速發(fā)展，城市地面空間的
稀缺性不斷加劇，地下道路及越江隧道正面臨著新一輪
大發(fā)展。按照規(guī)劃，2010年上海中心城區(qū)的越江通道
(含隧道和橋梁)將有2O處之多，世博會后在黃浦江底
將再建9條公路越江隧道，上海市地下空間開發(fā)已進入
全盛時期。
在城市建設大發(fā)展的同時，節(jié)能與環(huán)保更是城市可
持續(xù)發(fā)展的主題。在公路隧道中，保持良好的空氣狀態(tài)
是避免環(huán)境污染，保證行車安全的必要條件。因此，公
路隧道通風是保證其空氣質量的關鍵。通過通風把隧
道內的有害氣體或污染物質的濃度降至一個允許濃度
以下，以保證汽車行駛的安全性和舒適性。隨之帶來的
還有巨大的通風能耗，如何能保證空氣質量、滿足隧道
各種情況的通風要求，同時減少能源消耗，需要在隧道
通風設計的各個環(huán)節(jié)考慮斟酌。
1 通風控制要求
進行隧道通風設計之前，需要明確隧道通風的控制
要求：
(1)正常行車和發(fā)生交通阻塞時，隧道通風系統(tǒng)應
提供足夠的新風量，稀釋隧道內車輛行駛時排出的廢
氣，為安全行車提供良好的空氣清新度和舒適性。
(2)隧道內發(fā)生火災事故時，系統(tǒng)應具有排煙功能，
控制煙霧和熱量的擴散，為逗留在隧道內的司乘人員、
消防人員提供一定的新風量，以利于人員和車輛的安全
疏散。
(3)通風系統(tǒng)盡可能采用新設備、新工藝、新材料和
新技術?？紤]到近遠期相結合和緩裝的可能性，通風設
收稿日期：2O1O—O2 26
48上踢么咯N。．2 2010
備的選用和配置盡可能采用國內成熟產品和維修保養(yǎng)
方便的設備。
(4)注重環(huán)境保護措施。
2 通風方式的合理選擇
隧道通風方式的選擇涉及到隧道長度、車流量、通
行方式、安全性、地面條件等因素，選擇合理的通風方式
對于隧道通風的效果及造價等影響重大。
(1)優(yōu)選自然通風方式
隧道常用的通風方式可分為自然通風與機械通風。
隧道內的自然通風，就是不用風機設備、完全靠汽車通
風的活塞作用及其剩余能量與自然風的共同作用，把有
害氣體和煙塵從隧道內排出洞外。自然通風由于不依
靠機械通風設備、不耗費額外能源而具有最優(yōu)節(jié)能
效果。
(2)合理的機械通風方式
自然通風方式需要開設足夠的通風口，故受地面因
素影響較大。當地面條件不足以滿足自然通風需求時，
要使用風機予以排除稱為機械通風，有時也稱人工通
風。機械通風可以分為縱向式通風、半橫向式通風、橫
向式通風。
① 縱向式通風。通風機送出(即壓人)的新鮮空氣，
從隧道一端的風道進人車道，推動和稀釋污濁空氣沿車
道縱向流動，向另一端排出洞外(圖la)。
縱向式通風工程造價較低，運營費用也較低。缺點
是污濁空氣將在隧道出口端積累，有害物質濃度較高；
一旦發(fā)生火災，火勢會順著氣流沿縱向蔓延，救援人員
不易進入隧道搶救。車流繼續(xù)不斷的長道路隧道不宜
采用，只用于單向行車的短道路隧道。
② 橫向式通風。通風機送出的新鮮空氣，經進
氣風道在車道底板(或側壁)上的進氣口橫向進入車
道，稀釋污濁空氣后橫向穿過車道，經頂板(或另一
側壁)上的排氣口進入排氣風道(靠通風機吸人)，排
出洞外(圖1b)。
橫向式通風在車道中產生橫向氣流，有利于撲滅
火災；車輛排放的煙氣以最短的路程被排除，又被均勻
稀釋，不易局部積累，通風效果較好，適用于較長的道
路隧道，但是造價和運營費用都比較高。
③ 半橫向式通風。隧道內只設一條風道，一般用
來進風。新鮮空氣橫向進入車道，污濁空氣則沿車道
縱向流動排出洞外(圖ic)。
半橫向式通風比橫向式通風造價低，但通風效果
和控制火災蔓延不如橫向式，適用于1 000～3 000 m
長的道路隧道。
該系統(tǒng)又可分送風型和排風型兩種通風方式。送
風型是指新風由風機經新風道送至沿隧道長度布置的
各個通風口，廢氣則由隧道兩端逸出；排風型則相反，
新風從兩端洞口吸人，排風由布置在隧道不同長度的
各個排風口抽出至排風亭排出。
半橫向通風系統(tǒng)選配的風機與全橫向通風系統(tǒng)
相同。
a
b
o
1通風機2風道3車道4排氣口
5排氣風道6進氣口 7進氣風道
圖1 隧道運營通風方式
3 風機的合理選用及布置
射流風機因其投資成本低、指向性好，能夠靈活適
應隧道中車流量的變化，在隧道中得到廣泛應用。射
流風機產生的推力與風機送風量及風機風流與隧道內
風流的相對速度有關。僅考慮選用大風量風機或全壓
sHANGHAI Hz一◎
大風機并不能得到最佳的能效比，應同時考慮具體風
機的性能曲線與隧道內的增壓公式，共同解得合理的
風機型號及工作點。
安裝時，每組射流風機需有足夠的縱向布置間距，
射流才能有效地擴展至全斷面，將推力傳遞給隧道空
氣。若射流擴散減速不完全，則影響前一組射流風機
的運行性能。因此需要根據相應公式合理確定機組的
縱向間距(一般情況下，風機之間的間隔為隧道橫截面
的當量水力直徑的1O倍以上)。
4 通風系統(tǒng)控制的合理選擇
為確保隧道通風滿足不同需求，并且能以最小的
電力消耗來維護隧道內良好的視覺環(huán)境、控制空氣污
染狀態(tài)在規(guī)定的允許范圍內，以及及時有效地處理火
災等緊急狀態(tài)，便又涉及到隧道的通風控制系統(tǒng)。
目前隧道通風自動控制采用的主要方法有反饋式
控制法(也稱FB控制法)、程序控制法、前饋式控制法
(也稱FF控制法)、前饋式智能模糊控制法。
(1)反饋式控制法
該方法是通過分布在隧道內各點的煙霧透過率傳
感器和CO濃度傳感器，直接檢測行駛車輛排放出的
煙霧濃度和CO濃度值，將隧道內當前的污染濃度(VI
值和CO值)與控制目標進行比較，以不超過目標值為
原則，經計算處理后，給出控制信號，啟動不同數量的
風機，從而滿足隧道內排煙的需風量。
基于濃度信息的反饋式控制方法無法預測功能，
與事態(tài)常產生延遲現象，同時風機運轉無追蹤性，其運
轉時間較長。在交通形態(tài)變化大，不良車輛行走時，易
產生波動，此方法適用于風機臺數較少的中短隧道。
(2)程序控制法
該方法是基于長時間地了解隧道運營情況的前提
下，獲知在何時隧道內的車流量較多，污染物排放較
多，從而制定按時問為主要控制依據，預先編制程序來
控制風機運轉。
(3)前饋式控制法
該方法是依據進入隧道前區(qū)段的交通量信息，以
及洞內的車輛檢測器監(jiān)測數據，實時了解隧道內交通
量、行車速度、車輛構成等，通過檢測交通流狀況，對以
后的交通量進行預測，并分析交通量特征，用數值模擬
手段計算出以后一段時間內的污染濃度隨時間、空間
的分布形態(tài)。
該濃度預估值作為前饋信號參與控制，由c()／vI
N。．2 2010上馮么贍49
◎s一?一s
傳感器檢測的污染物濃度作為反饋信號參與控制，由
前饋信號和反饋信號共同完成風機的控制。
這種控制方式能根據交通量的變化，對風機進行
追蹤控制，不易產生大的波動現象。與反饋控制法相
比，在達到相同控制效果的情況下，可節(jié)省5 的電力
消耗。適用于風機臺數較多的大長隧道。
(4)前饋式智能模糊控制法
該方法基本構成與前饋式控制法相同，將前饋信
號與反饋信號輸人AI模糊控制器，采用模糊控制策
略進行推演，提出多種模擬通風方案進行評價，最后用
AI模糊控制器演算出最優(yōu)方案。與前饋法相近，它能
獲得更加安定的通風效果，能從細微處出發(fā)，對風機進
行最優(yōu)化組合，最大限度地減少風機的開停頻率，與反
饋式控制法相比，最大可節(jié)省25 的電力消耗，并延
長風機的適用壽命，適用于風機臺數多，通風方式復雜
的長及特長隧道。
上述四種通風控制方法各有特點，分別適用于不
同特點的隧道，其性能對比見表1。
表l 四種通風控制方法性能對比
控制方法 控制效果 算法復雜度 適用對象 輸出穩(wěn)定性 電力消耗
程序控制法 差 簡單 交通流穩(wěn)定的短隧道 高 高
反饋控制法 一般 較簡單 交通流穩(wěn)定的隧道 一般 一般
前饋控制法 較好 較復雜 交通流有擾動的隧道 低 較少
前饋模糊控制法 好 復雜 交通流擾動大的隧道 較低 少
5 上海市越江隧道通風系統(tǒng)的選用及節(jié)能體現
(1)上海市的越江隧道長基本在2 000～3 000 m
之間，屬于長隧道，基本為單向交通模式。根據上海
市越江隧道特點，多采用射流風機誘導式縱向通風方
式，理由如下：
① 設備簡單，安裝方便，經濟性強，投資最少，被國
內外隧道普遍采用，實踐證明通風效果好。
② 上海市越江隧道多為單向交通模式，車輛活塞
風可以利用，當車速在正常設計車速(40—8O km／h)
時其活塞風已足夠用來稀釋有害物質濃度，滿足通風
要求，此時射流風機不需開啟，減少設備營運費。
根據盾構法施工條件，隧道為圓形斷面，采用縱向
通風最為合適。
(2)目前上海市隧道通風控制多采用前饋控制法
與手動控制法相結合的方式，以滿足在正常情況、交通
事故情況、火災等特殊情況下不同的控制要求。
(3)控制隧道噪聲污染及污染物排放。
① 隧道頂部設消聲材料、選用噪聲較小的射流風
50上馮么 N。．2 2010
機、風機房內風機設置消聲減震及隔聲等措施。
②將隧道內的污染空氣通過風塔高空排放，保證
洞口排放的污染物濃度不超標。
6 結語
公路隧道中的運營通風系統(tǒng)耗能最多，且通風費
用占整個工程投資的1／3以上，選擇合理經濟的通風
方案尤為重要。同時，節(jié)能環(huán)保也是一項系統(tǒng)工程，節(jié)
能設計的發(fā)展必然要求設計者從更多的切入點著手，
發(fā)掘節(jié)能空間，使節(jié)能效果真正在實際經營中得以
體現。
參考文獻：
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獻出版社，2000．
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