城市地下空間車行系統的射流式縱向通風設計

張紅兵

（濟南市市政工程設計研究院（集團）有限責任公司，山東濟南 250101）

0 前言

國際上把21世紀作為人類開發利用地下空間的年代。地下空間為城市可持續發展和提高城市功能發揮了巨大的作用，地下車行系統作為城市地下空間開發利用的具體形式之一，是地面道路的延伸和補充，易于與地下公用停車場、地下街、地下儲蓄倉庫、地面交通系統銜接。挪威、加拿大、美國等國家在城市地下空間利用領域已達到相當的規模和水平，建成了許多大型的地下城市車行系統，如美國波士頓中央大道隧道、日本東京中央環線隧道等，這些大型城市車行系統在減小城市交通壓力，增強交通可靠度、改善交通環境方面發揮了積極的作用。近年來，我國越來越重視城市地下空間的開發利用，在北京、上海等地也有成功的案例。

地下車行系統提供給人們交通便利的同時，也給人們提出了許多新的問題，如：內部空間新風量的不足、汽車尾氣的排放、煙霧的增加、地下氡濃度的超標等，解決這些問題需要采取有效的通風方式，從而達到行車的安全性和舒適性。

1 地下車行系統通風方式

按通風動力可分為自然通風和機械通風兩種方式。自然通風比較經濟，主要在通風發展的初期，以及封閉段短、交通量小或頂部有開設天窗條件的系統中運用。隨著汽車時代的到來，交通量日趨增大，道路不斷延伸，再加上火災排煙的要求，依靠自然風就難以滿足隧道各項指標了，必須采用機械通風手段。機械通風以機械設備產生的風壓作為通風換氣的動力，控制進、排風量，充分發揮通風技術的效能。可以按照下列方法初步判斷是否設置機械通風：

雙向交通隧道，當符合下列條件時，宜設置機械通風：

單向交通隧道，當符合下列條件時，宜設置機械通風：

式中：L——車行系統封閉段長度，m；

N——設計交通量，pcu/h。

根據風的流動特性，機械通風又分為縱向通風、半橫向通風和全橫向通風等形式，縱向通風方式中又有單純射流風機、豎井與射流風機組合方式等，射流式縱向通風方式見圖1所示。

圖1 縱向通風示意圖

全橫向式、半橫向式通風效果較好，但這兩種方式的工程投資，設備費與運營管理費均較縱向式高，汽車活塞風也不能得到充分利用。

現代的縱向通風方式自1961年采用以來，得到了大力的推廣應用，其形式愈加多樣化，適用范圍也越來越廣。城市地下空間車行系統應優先采用射流式縱向通風。這種方式有以下優點：車道作為風道，風壓損失小，不另設風道，土建工程量較小；在單向行車系統中可有效利用行車的活塞風作用，節約能源；使用射流風機，價格較低，設備費用小；可根據交通量的增長情況分期安裝風機，從而減少工程前期投入；可根據需要控制風機運轉臺數，有利于降低運營費用；洞內如有火災，著火點前方車輛可較快駛出隧道，由于風力朝向前方，著火點后方的車輛可不受煙火的損害，處于較安全狀態。此外，射流風機還可以逆向運轉，發生火災等緊急事故時，可以根據實際情況決定風機的射流方向，排出煙霧，使人員迅速撤離。

2 地下車行系統通風量計算

隧道內汽油車行駛時，排放廢氣中主要是CO氣體。柴油車行駛時，排放出的CO氣體量極少，但卻放出大量煙霧；地下空氣中也夾雜著異味氣體。這些都影響著安全可見視距和行駛舒適度。同時考慮到防災安全對風速的要求，因此在進行通風量計算時，需要同時進行稀釋汽油車CO濃度、柴油車煙霧濃度和異味達容許標準、火災救援所需通風量的計算，選擇中間較大值作為設計風量。

2.1 按稀釋CO計算需風量

確定需風量時，根據《公路隧道通風照明設計規范》（JTJ026.1-1999）對計算行車速度以下各工況車速按20 km／h為一檔分別進行計算，并考慮交通阻滯狀態，取其較大者作為設計需風量。稀釋CO的需風量按下式計算：

2.2 按稀釋煙霧計算需風量

2.3 按稀釋空氣中異味計算需風量

隧道空間不間斷換氣頻率，不宜低于每小時5次；交通較小或特長隧道，可采用每小時3～4次。采用縱向通風的隧道，隧道內換氣風速不應低于2.5 m/s。

2.4 按防災救援臨界風速計算需風量

為確保火災工況下人員和車輛的安全疏散，避免煙氣產生回流需要確定臨界風速。臨界風速的定義為：當采用縱向排煙時，控制煙霧沿隧道坡度逆向流動的最小風速。臨界風速要根據火災時可燃物質的熱釋放率計算確定。火災時煙氣流向見圖2所示。

圖2 火災時煙氣流向示意圖

當隧道采用縱向通風排煙時，縱向氣流的速度應高于臨界風速，但不應小于2 m/s，根據美國礦務局計算公式，臨界風速需要聯立方程組求解，可按下式計算：

式中：VC——臨界風速，m/s；

Q——火災規模，kW；

H——隧道最大凈空高度，m；

A——隧道橫斷面積，m2；

Kg——坡度修正系數；

i——隧道坡度，%；

Cp——空氣比熱，kJ/kg.K；

g——重力加速度，m/s2；

T——火場遠區空氣溫度，K；

Tf——煙氣平均溫度，K；

ρ——火場遠區空氣密度，kg/m3。

3 地下車行系統通風壓力計算

隧道內通風風速一般都較低，通常均不考慮空氣的壓縮性影響，通風中涉及到的流動，在微觀上是復雜的，但在宏觀上可視為恒定流。要達到隧道內所需要風量，隧道內必須維持一定的壓力才能克服相應風量下的壓力損失。對于全射流縱向通風系統而言，隧道內的升壓主要由交通風升壓力和射流風機升壓力來提供，隧道內的壓力損失或者說阻力主要有自然風阻力和通風阻抗力，根據《公路隧道通風照明設計規范》（JTJ026.1-1999）隧道內的壓力平衡應滿足下式：

式中：ΔPm——自然風阻力，Pa；

ΔPr——通風阻抗力，Pa；

ΔPt——交通通風力又稱為活塞力，Pa；

ΣΔPj——射流風機升壓力，Pa。

射流通風是在隧道中將多組風機按照一定間距串聯，利用射流的誘導效應和增壓效應，在隧道中形成空氣的縱向流動，滿足隧道通風的需要。射流通風系統中每一組風機射流作用的單元流動模型如圖3所示。

射流風機產生的升壓力與風機的風量，以及風機風流與隧道內風流的相對速度有關，可按下式計算：

圖3 射流通風系統的單元流動模式示意圖

在隧道縱向通風設計中，通常是按照上述步驟計算，最終通過計算不同型號的射流風機的升壓力，選取不同型號風機所需臺數、布置間距等。

4 地下車行系統通風計算實例

4.1 計算條件

封閉段長度：1 525 m；

隧道斷面積：89.3 m2；

行車方式：單向行車；

當量直徑：9.6 m；

設計交通量：4 200 pcu/h；

大型車混入率：2%；

行車速度：10 km/h；

隧道需風量：267.9 m3/s。

4.2 所需升壓力

4.3 射流風機選型及臺數

風機選用高性能的可逆射流風機，風機性能參數如下：葉輪直徑1250 mm、軸向推力不小于1143 N、出口風速不小于29.4 m/s、流量不小于36 m3/s、每臺電機功率為30 kW；則每臺的升壓力為：

4.4 風機布置

經過上述計算，確定左、右線需開啟風機臺數各為6臺，實際配置風機臺數時考慮一組備用（每2臺一組），即該項設計安裝風機臺數為左、右線各8臺，均為4組。風機考慮進出口集中布置。風機在進出口各布置兩組，第一組距洞口200 m，第二組距第一組200 m，在出口布置時同進口布置相對稱。安裝時風機的任何部分不得侵入建筑限界內。

5 結語

城市地下空間車行系統，有其通風設計的特殊性，通風方式的選擇需要綜合考慮車行系統的結構形式及所處地理條件。在進行縱向通風需風量計算時，臨界風速需要進行坡度修正。射流通風單元流動模型，為射流風機的組合設計提供幫助，車行系統通風實例計算，實現了進行射流風機的選型及配置數量，為同類型工程通風計算提供參考。

[1]金學易.隧道通風及隧道空氣動力學[M].北京：中國鐵道出版社，1983.

[2]鄭道訪.公路長隧道通風方式研究[M].北京：科學技術文獻出版社，2000.

[3]黃強.城市地下空間開發利用關鍵技術指南[M].北京：中國建筑工業出版社，2006.

[4]JTJ026.1—1999，公路隧道通風照明設計規范[S].