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公路隧道通風(fēng)系統(tǒng)的節(jié)能設(shè)計(jì)及應(yīng)用

文檔作者：劉力力文檔來源：上海中興雙誠(chéng)隧道養(yǎng)護(hù)有限公司		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時(shí)間： 2021年03月23日
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◎s一?一s
公路隧厘通風(fēng)系統(tǒng)晌節(jié)鏈設(shè)計(jì)及應(yīng)用
劉力力
(上海中興雙誠(chéng)隧道養(yǎng)護(hù)有限公司)
摘要： 隧道內(nèi)保持良好的空氣狀態(tài)是行車安全的必要條件，通風(fēng)的目的是為了把隧道內(nèi)的有害氣體或污染物質(zhì)的濃度降低至一
個(gè)允許的濃度之下，以保證汽車行駛的安全性和舒適性。此時(shí)，隧道通風(fēng)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(yùn)行的節(jié)能效果，以節(jié)約運(yùn)行成本。
關(guān)鍵詞： 隧道通風(fēng)；節(jié)能控制；系統(tǒng)控制；環(huán)保
0 前言
隨著上海城市化進(jìn)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(huì)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(jìn)入
全盛時(shí)期。
在城市建設(shè)大發(fā)展的同時(shí)，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(fēng)是保證其空氣質(zhì)量的關(guān)鍵。通過通風(fēng)把隧
道內(nèi)的有害氣體或污染物質(zhì)的濃度降至一個(gè)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(fēng)能耗，如何能保證空氣質(zhì)量、滿足隧道
各種情況的通風(fēng)要求，同時(shí)減少能源消耗，需要在隧道
通風(fēng)設(shè)計(jì)的各個(gè)環(huán)節(jié)考慮斟酌。
1 通風(fēng)控制要求
進(jìn)行隧道通風(fēng)設(shè)計(jì)之前，需要明確隧道通風(fēng)的控制
要求：
(1)正常行車和發(fā)生交通阻塞時(shí)，隧道通風(fēng)系統(tǒng)應(yīng)
提供足夠的新風(fēng)量，稀釋隧道內(nèi)車輛行駛時(shí)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(nèi)發(fā)生火災(zāi)事故時(shí)，系統(tǒng)應(yīng)具有排煙功能，
控制煙霧和熱量的擴(kuò)散，為逗留在隧道內(nèi)的司乘人員、
消防人員提供一定的新風(fēng)量，以利于人員和車輛的安全
疏散。
(3)通風(fēng)系統(tǒng)盡可能采用新設(shè)備、新工藝、新材料和
新技術(shù)?？紤]到近遠(yuǎn)期相結(jié)合和緩裝的可能性，通風(fēng)設(shè)
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(guó)內(nèi)成熟產(chǎn)品和維修保養(yǎng)
方便的設(shè)備。
(4)注重環(huán)境保護(hù)措施。
2 通風(fēng)方式的合理選擇
隧道通風(fēng)方式的選擇涉及到隧道長(zhǎng)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(fēng)方式
對(duì)于隧道通風(fēng)的效果及造價(jià)等影響重大。
(1)優(yōu)選自然通風(fēng)方式
隧道常用的通風(fēng)方式可分為自然通風(fēng)與機(jī)械通風(fēng)。
隧道內(nèi)的自然通風(fēng)，就是不用風(fēng)機(jī)設(shè)備、完全靠汽車通
風(fēng)的活塞作用及其剩余能量與自然風(fēng)的共同作用，把有
害氣體和煙塵從隧道內(nèi)排出洞外。自然通風(fēng)由于不依
靠機(jī)械通風(fēng)設(shè)備、不耗費(fèi)額外能源而具有最優(yōu)節(jié)能
效果。
(2)合理的機(jī)械通風(fēng)方式
自然通風(fēng)方式需要開設(shè)足夠的通風(fēng)口，故受地面因
素影響較大。當(dāng)?shù)孛鏃l件不足以滿足自然通風(fēng)需求時(shí)，
要使用風(fēng)機(jī)予以排除稱為機(jī)械通風(fēng)，有時(shí)也稱人工通
風(fēng)。機(jī)械通風(fēng)可以分為縱向式通風(fēng)、半橫向式通風(fēng)、橫
向式通風(fēng)。
① 縱向式通風(fēng)。通風(fēng)機(jī)送出(即壓人)的新鮮空氣，
從隧道一端的風(fēng)道進(jìn)人車道，推動(dòng)和稀釋污濁空氣沿車
道縱向流動(dòng)，向另一端排出洞外(圖la)。
縱向式通風(fēng)工程造價(jià)較低，運(yùn)營(yíng)費(fèi)用也較低。缺點(diǎn)
是污濁空氣將在隧道出口端積累，有害物質(zhì)濃度較高；
一旦發(fā)生火災(zāi)，火勢(shì)會(huì)順著氣流沿縱向蔓延，救援人員
不易進(jìn)入隧道搶救。車流繼續(xù)不斷的長(zhǎng)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(fēng)。通風(fēng)機(jī)送出的新鮮空氣，經(jīng)進(jìn)
氣風(fēng)道在車道底板(或側(cè)壁)上的進(jìn)氣口橫向進(jìn)入車
道，稀釋污濁空氣后橫向穿過車道，經(jīng)頂板(或另一
側(cè)壁)上的排氣口進(jìn)入排氣風(fēng)道(靠通風(fēng)機(jī)吸人)，排
出洞外(圖1b)。
橫向式通風(fēng)在車道中產(chǎn)生橫向氣流，有利于撲滅
火災(zāi)；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(fēng)效果較好，適用于較長(zhǎng)的道
路隧道，但是造價(jià)和運(yùn)營(yíng)費(fèi)用都比較高。
③ 半橫向式通風(fēng)。隧道內(nèi)只設(shè)一條風(fēng)道，一般用
來進(jìn)風(fēng)。新鮮空氣橫向進(jìn)入車道，污濁空氣則沿車道
縱向流動(dòng)排出洞外(圖ic)。
半橫向式通風(fēng)比橫向式通風(fēng)造價(jià)低，但通風(fēng)效果
和控制火災(zāi)蔓延不如橫向式，適用于1 000～3 000 m
長(zhǎng)的道路隧道。
該系統(tǒng)又可分送風(fēng)型和排風(fēng)型兩種通風(fēng)方式。送
風(fēng)型是指新風(fēng)由風(fēng)機(jī)經(jīng)新風(fēng)道送至沿隧道長(zhǎng)度布置的
各個(gè)通風(fēng)口，廢氣則由隧道兩端逸出；排風(fēng)型則相反，
新風(fēng)從兩端洞口吸人，排風(fēng)由布置在隧道不同長(zhǎng)度的
各個(gè)排風(fēng)口抽出至排風(fēng)亭排出。
半橫向通風(fēng)系統(tǒng)選配的風(fēng)機(jī)與全橫向通風(fēng)系統(tǒng)
相同。
a
b
o
1通風(fēng)機(jī)2風(fēng)道3車道4排氣口
5排氣風(fēng)道6進(jìn)氣口 7進(jìn)氣風(fēng)道
圖1 隧道運(yùn)營(yíng)通風(fēng)方式
3 風(fēng)機(jī)的合理選用及布置
射流風(fēng)機(jī)因其投資成本低、指向性好，能夠靈活適
應(yīng)隧道中車流量的變化，在隧道中得到廣泛應(yīng)用。射
流風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的推力與風(fēng)機(jī)送風(fēng)量及風(fēng)機(jī)風(fēng)流與隧道內(nèi)
風(fēng)流的相對(duì)速度有關(guān)。僅考慮選用大風(fēng)量風(fēng)機(jī)或全壓
sHANGHAI Hz一◎
大風(fēng)機(jī)并不能得到最佳的能效比，應(yīng)同時(shí)考慮具體風(fēng)
機(jī)的性能曲線與隧道內(nèi)的增壓公式，共同解得合理的
風(fēng)機(jī)型號(hào)及工作點(diǎn)。
安裝時(shí)，每組射流風(fēng)機(jī)需有足夠的縱向布置間距，
射流才能有效地?cái)U(kuò)展至全斷面，將推力傳遞給隧道空
氣。若射流擴(kuò)散減速不完全，則影響前一組射流風(fēng)機(jī)
的運(yùn)行性能。因此需要根據(jù)相應(yīng)公式合理確定機(jī)組的
縱向間距(一般情況下，風(fēng)機(jī)之間的間隔為隧道橫截面
的當(dāng)量水力直徑的1O倍以上)。
4 通風(fēng)系統(tǒng)控制的合理選擇
為確保隧道通風(fēng)滿足不同需求，并且能以最小的
電力消耗來維護(hù)隧道內(nèi)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(nèi)，以及及時(shí)有效地處理火
災(zāi)等緊急狀態(tài)，便又涉及到隧道的通風(fēng)控制系統(tǒng)。
目前隧道通風(fēng)自動(dòng)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(nèi)各點(diǎn)的煙霧透過率傳
感器和CO濃度傳感器，直接檢測(cè)行駛車輛排放出的
煙霧濃度和CO濃度值，將隧道內(nèi)當(dāng)前的污染濃度(VI
值和CO值)與控制目標(biāo)進(jìn)行比較，以不超過目標(biāo)值為
原則，經(jīng)計(jì)算處理后，給出控制信號(hào)，啟動(dòng)不同數(shù)量的
風(fēng)機(jī)，從而滿足隧道內(nèi)排煙的需風(fēng)量。
基于濃度信息的反饋式控制方法無法預(yù)測(cè)功能，
與事態(tài)常產(chǎn)生延遲現(xiàn)象，同時(shí)風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)無追蹤性，其運(yùn)
轉(zhuǎn)時(shí)間較長(zhǎng)。在交通形態(tài)變化大，不良車輛行走時(shí)，易
產(chǎn)生波動(dòng)，此方法適用于風(fēng)機(jī)臺(tái)數(shù)較少的中短隧道。
(2)程序控制法
該方法是基于長(zhǎng)時(shí)間地了解隧道運(yùn)營(yíng)情況的前提
下，獲知在何時(shí)隧道內(nèi)的車流量較多，污染物排放較
多，從而制定按時(shí)問為主要控制依據(jù)，預(yù)先編制程序來
控制風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。
(3)前饋式控制法
該方法是依據(jù)進(jìn)入隧道前區(qū)段的交通量信息，以
及洞內(nèi)的車輛檢測(cè)器監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)了解隧道內(nèi)交通
量、行車速度、車輛構(gòu)成等，通過檢測(cè)交通流狀況，對(duì)以
后的交通量進(jìn)行預(yù)測(cè)，并分析交通量特征，用數(shù)值模擬
手段計(jì)算出以后一段時(shí)間內(nèi)的污染濃度隨時(shí)間、空間
的分布形態(tài)。
該濃度預(yù)估值作為前饋信號(hào)參與控制，由c()／vI
N。．2 2010上馮么贍49
◎s一?一s
傳感器檢測(cè)的污染物濃度作為反饋信號(hào)參與控制，由
前饋信號(hào)和反饋信號(hào)共同完成風(fēng)機(jī)的控制。
這種控制方式能根據(jù)交通量的變化，對(duì)風(fēng)機(jī)進(jìn)行
追蹤控制，不易產(chǎn)生大的波動(dòng)現(xiàn)象。與反饋控制法相
比，在達(dá)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(fēng)機(jī)臺(tái)數(shù)較多的大長(zhǎng)隧道。
(4)前饋式智能模糊控制法
該方法基本構(gòu)成與前饋式控制法相同，將前饋信
號(hào)與反饋信號(hào)輸人AI模糊控制器，采用模糊控制策
略進(jìn)行推演，提出多種模擬通風(fēng)方案進(jìn)行評(píng)價(jià)，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(fēng)效果，能從細(xì)微處出發(fā)，對(duì)風(fēng)機(jī)進(jìn)
行最優(yōu)化組合，最大限度地減少風(fēng)機(jī)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(zhǎng)風(fēng)機(jī)的適用壽命，適用于風(fēng)機(jī)臺(tái)數(shù)多，通風(fēng)方式復(fù)雜
的長(zhǎng)及特長(zhǎng)隧道。
上述四種通風(fēng)控制方法各有特點(diǎn)，分別適用于不
同特點(diǎn)的隧道，其性能對(duì)比見表1。
表l 四種通風(fēng)控制方法性能對(duì)比
控制方法 控制效果 算法復(fù)雜度 適用對(duì)象 輸出穩(wěn)定性 電力消耗
程序控制法 差 簡(jiǎn)單 交通流穩(wěn)定的短隧道 高 高
反饋控制法 一般 較簡(jiǎn)單 交通流穩(wěn)定的隧道 一般 一般
前饋控制法 較好 較復(fù)雜 交通流有擾動(dòng)的隧道 低 較少
前饋模糊控制法 好 復(fù)雜 交通流擾動(dòng)大的隧道 較低 少
5 上海市越江隧道通風(fēng)系統(tǒng)的選用及節(jié)能體現(xiàn)
(1)上海市的越江隧道長(zhǎng)基本在2 000～3 000 m
之間，屬于長(zhǎng)隧道，基本為單向交通模式。根據(jù)上海
市越江隧道特點(diǎn)，多采用射流風(fēng)機(jī)誘導(dǎo)式縱向通風(fēng)方
式，理由如下：
① 設(shè)備簡(jiǎn)單，安裝方便，經(jīng)濟(jì)性強(qiáng)，投資最少，被國(guó)
內(nèi)外隧道普遍采用，實(shí)踐證明通風(fēng)效果好。
② 上海市越江隧道多為單向交通模式，車輛活塞
風(fēng)可以利用，當(dāng)車速在正常設(shè)計(jì)車速(40—8O km／h)
時(shí)其活塞風(fēng)已足夠用來稀釋有害物質(zhì)濃度，滿足通風(fēng)
要求，此時(shí)射流風(fēng)機(jī)不需開啟，減少設(shè)備營(yíng)運(yùn)費(fèi)。
根據(jù)盾構(gòu)法施工條件，隧道為圓形斷面，采用縱向
通風(fēng)最為合適。
(2)目前上海市隧道通風(fēng)控制多采用前饋控制法
與手動(dòng)控制法相結(jié)合的方式，以滿足在正常情況、交通
事故情況、火災(zāi)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(shè)消聲材料、選用噪聲較小的射流風(fēng)
50上馮么 N。．2 2010
機(jī)、風(fēng)機(jī)房?jī)?nèi)風(fēng)機(jī)設(shè)置消聲減震及隔聲等措施。
②將隧道內(nèi)的污染空氣通過風(fēng)塔高空排放，保證
洞口排放的污染物濃度不超標(biāo)。
6 結(jié)語
公路隧道中的運(yùn)營(yíng)通風(fēng)系統(tǒng)耗能最多，且通風(fēng)費(fèi)
用占整個(gè)工程投資的1／3以上，選擇合理經(jīng)濟(jì)的通風(fēng)
方案尤為重要。同時(shí)，節(jié)能環(huán)保也是一項(xiàng)系統(tǒng)工程，節(jié)
能設(shè)計(jì)的發(fā)展必然要求設(shè)計(jì)者從更多的切入點(diǎn)著手，
發(fā)掘節(jié)能空間，使節(jié)能效果真正在實(shí)際經(jīng)營(yíng)中得以
體現(xiàn)。
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