一種節能的環形隧道通風裝置

李若溶 狄育慧 蔣 靖

一種節能的環形隧道通風裝置

李若溶 狄育慧 蔣 靖

（西安工程大學城市規劃與市政工程學院 西安 710048）

環形隧道由于其特殊的構造，不利于污染物的排放和消散，隧道通風方式的選擇至關重要。在總結國內外對隧道通風方式研究的基礎上，分析總結環形隧道的特點，并提出一種太陽能隧道通風系統，提高空氣凈化以及能源利用率，可以在一定條件下節約能耗，給隧道帶來良好的通風效果；進一步探討了環形隧道不同的節能措施，為地下環形隧道的通風節能提供一定參考。

隧道通風；節能；環形隧道；能源；污染物

0 引言

近年來，隨著城市化水平的不斷加快，給我國帶來巨大活力的同時，也給城市環境帶來很多困境。城市化水平的升高造成城市道路面積減少，同時路網建設和交通設施滯后引起的交通擁堵問題已成為我國突出問題。為了減緩交通擁堵問題，開始發展城市地下交通系統，城市環形隧道就是一種新型的地下交通形式[1]。

城市環形隧道雖然是解決交通擁堵的重要方式，但由于其在結構上為相對封閉的空間，不利于污染物的遷移和消散[2]，而近年來隨著機動車經濟的飛速發展，機動車的生產和使用量急劇增長，機動車排氣對環境的污染日趨嚴重，許多大城市的空氣污染已由燃煤型污染轉向燃煤和機動車混合型污染，機動車排氣污染對環境和人們身體健康的危害已相當嚴重。而創造一個空氣良好的環境也是建設現代化文明城市的標志，是環境保護工作的當務之急，解決機動車尾氣污染問題已經迫在眉睫。根據生態環境部近日發布《中國機動車環境管理年報（2018）》年報統計，我國機動車保有量持續增長。2017年，全國機動車保有量達到3.10億輛，同比增長5.1%，2017年，全國機動車四項污染物排放總量初步核算為4359.7萬噸，其中，一氧化碳（CO）3327.3萬噸，碳氫化合物（HC）407.1萬噸，氮氧化物（NOx）574.3萬噸，顆粒物（PM）50.9萬噸。機動車是大氣污染排放的主要貢獻者，其排放的CO和HC超過80%，NOx和PM超過90%。所以，城市隧道建設所帶來的環境問題不容忽視。當前城市隧道污染物排放量是否達到標準還有待驗證，當下其所面臨的主要問題就是隧道內廢氣的排放問題[4]，所以通風方式的選擇至關重要。

本文在總結國內外對隧道通風方式研究的基礎上，對比分析環形隧道與長直隧道的不同，根據環形隧道的特點，提出一種太陽能隧道通風系統，使其更好的應用于環形隧道通風系統中，可以最大程度減少給隧道人員造成的傷害。并提出適合于環形隧道的節能措施，對于減少通風系統能耗，對未來城市公路環形隧道的設計及工程造價提供有力的依據，對以后的環形隧道相關研究也提供有力的借鑒。對于減少營運費用，提高隧道空氣質量品質，加快設計速度，形成規范化的設計體系具有重要意義。

1 隧道通風的研究應用狀況

國內外很多專家學者對隧道通風問題進行實驗研究。國外對隧道污染物分布及通風方式的研究狀況起步比較早，美國在1919年研究紐約市荷蘭隧道（2610m）時，開始研究隧道內汽車排放的CO標準問題，國內最早是由西安交通大學在1986年對機動車尾氣排放的污染物進行研究，得出了幾種主要的污染物。隨后，大量的專家學者對隧道通風情況展開研究。Chan-Hoon Yoon等采用熱力學分析原理研究了長大隧道縱向通風系統中通風豎井對隧道內自然風壓的影響[3]。Jaroslav Katolicky運用歐拉—拉格朗日模型并模擬公路隧道內車輛的運動及其對運行通風的影響并得到了通過移動車輛產生的流量作為交通速度和交通率的函數[4]。陳建濤等人從二階偏微分方程表示的隧道通風污染模型中推導出了動態預測隧道出口空氣污染物濃度的線性迭代方程,對方程中新出現的變量提出了可行的計算方法[5]。陳外才，陳林翼分析熱位差對單向單豎井公路隧道冬季通風的影響規律，優化單向單豎井公路隧道冬季通風模式[6]。

目前，隧道通風方式主要分為自然通風和機械通風兩類，機械通風又分為全橫向通風、半橫向通風、縱向通風和混合通風方式[7]。對于雙向交通隧道，當×≧6×105時，應設置機械通風；對于單向交通隧道，當×≧2×105時，應設置機械通風[8]。其中：為隧道長度，m；為交通輛，輛/時。近年來國內外各類隧道采用的通風方式[9-11]如表1所示。

表1 國內外隧道通風方式

縱觀國內外隧道通風研究現狀，國內外隧道的主要通風方式是縱向通風或是縱向通風與豎井相結合的通風方式，與橫向通風相比，能節約投資，成本比較低，后期維護比較方便，通風效果較好，但目前的研究主要集中在對于長直隧道的通風方式研究，而對環形隧道的研究較少，適合環形隧道最優的通風方式還有待驗證。

2 環形隧道的特點

2.1 環形隧道與長直隧道對比

2.1.1 結構不同

環形隧道整體結構呈現環狀，結構較為復雜，主要是指由主通道、連接通道與隧道出入口組成的地下交通設施。主通道為連續環形道路[12]。主通道是指車輛在隧道中連續行駛的部分，主要設置在道路地面以下供機動車行駛，連接通道主要是聯系地面交通與地下停車設施。而長直隧道的結構較為簡單，大都為直筒形，只有一個隧道出、入口，無連接通道；環形隧道相對于長直隧道來講最大的特點就是隧道中有很多的弧形隧道，正是由于二者結構的差異，當事故發生時，環形隧道內事故的危險性及救援難度遠遠大于長直隧道。環形隧道彎曲程度由曲率來衡量，曲率的計算公式如下：

式中：為弧長，為與0切線的夾角，為曲率。

2.1.2 污染物分布規律不同

直型隧道由于其結構較為簡單，污染物在隧道內不易聚積，有利于污染物的擴散與遷移，若隧道長度較短，自然通風就可以使污染物很好的排出，但污染物容易堆積在隧道洞口；而環形隧道結構較為復雜，污染物的擴散和遷移比較困難，不利于污染物的排出和消散，污染物容易在隧道內的弧形隧道的拐點處堆積，通風方式相對來說比較復雜，不能用單一的通風方式，應當注重加強隧道內局部通風，促使污染物更快的移動，提高通風效果與效率。

2.1.3 功能不同

城市環形隧道不僅為交通提供了便利，提升利用地下的交通空間、提高隧道區域附近的環境空氣品質，還承擔著一個重要的功能-地下停車庫的連接，由于其有多個支道，可以連接隧道不同出口的地下車庫，匯集不同方向的將其引入到達停車庫，實現資源的高效合理利用，使車輛快捷的到達目的地，很大程度上減輕了交通的擁堵問題。

2.2 環形隧道的交通組織形式

交通組織形式對隧道的安全性也起著很大的作用，隧道的交通組織形式一般有單向交通、雙向交通以及組合式交通形式。單向交通形式是指隧道內所有車輛的行駛方向相同；雙向交通是指隧道內有來自兩個方向行駛的車輛；組合式交通形式是指在主隧道內根據路段的不同，雙向行駛和單向行駛同時存在的方式。對于環形隧道來講，單向交通形式相對來說較為安全，車輛在行駛過程中不容易產生交叉。城市環形隧道的主要功能不僅較大的開發利用了地下空間，便于區域交通發展的同時，補充了道路交通資源并提高了交通環境品質[13]。

隨著環形隧道應用的越來越廣，在其建設中出現了以下幾個問題：（1）由于其相比于長直隧道，結構較為復雜，所以車輛在隧道內行駛時間長，污染物容易聚積，不易排出，因此隧道內的通風標準要求較高[14]。（2）由于隧道內空間狹長，污染物的排放會影響到隧道內的照明效果，隧道內能見度比較低，發生事故且危險性高，且一旦發生事故，救援難度大。（3）環形隧道內污染物分布的規律比較復雜，不像長直隧道主要集中在洞口敏感區域，污染物的分布與隧道的形狀有著密切聯系，治理起來難度較大，不容易治理。（4）通風控制系統會隨著隧道的形狀、長度而發生變化。（5）隧道通風的能耗會變得更大，研究表明，通風的費用和隧道的長度是密切相關的。（6）由于環形隧道包含很多弧形隧道，彎曲處的污染物容易聚集，難以凈化排出，這些問題都有待去解決。

3 一種太陽能隧道通風系統

隧道通風系統由區間隧道通風系統和車站隧道通風系統構成，影響隧道通風系統能耗的主要因素有室外溫度、節能密度、最為關鍵的是隧道風機的運行模式[15]。現在隧道通風方式大多采用的是機械通風，一般都是在隧道頂壁上等距設置大功率的射流風機來實現對隧道通風，但一直開啟射流風機，耗電量大且浪費能源，而且無法做到對入口灰塵的清潔且環形隧道彎曲處的污染物難以處理。現在提出一種太陽能隧道通風系統，將太陽能技術與隧道通風技術相結合，能在一定程度上節約能源，便于處理隧道洞口及環形隧道彎曲處堆積的污染物，為以后隧道通風系統發展提供一個參考，具體如圖1所示。

圖1 一種太陽能隧道通風系統設計圖

1—收集箱；2—過濾器；3—集氣箱；4—管道；5—風機；6—導線；7—控制器；8—太陽能光伏板；9—蓄電池；10—外殼；11—進風口；12—排風口；13—多孔陶瓷；14—濾網

其工作原理如下：將收集箱1、過濾器2、集氣箱3和風機5這部分裝置安裝在隧道內部，控制器7與太陽能光伏板8、蓄電池9這部分安裝在隧道外部，當有機動車通過時，會產生大量粉塵及顆粒物，這時固定在隧道內的收集箱1收集隧道內的顆粒、粉塵及煙霧，然后經過高效過濾器2，過濾收集箱1中的雜質以及顆粒物，高效過濾器2外的多孔陶瓷13可直接吸附空氣中的懸浮物及膠體以及未被過濾干凈的氣體中的顆粒物。經過過濾后的氣體進入到集氣箱3中。與此同時，太陽能光伏板8受到太陽照射，將太陽能轉化為電能，電能經過控制器7線路將其儲存于蓄電池9內部，而風機5又與控制器7相連，因此蓄電池9可以為風機提供動力來源，到達供電目的，且電池的存在可以起到穩壓作用，保證風機5間歇運轉，保證系統的正常運行。此時，在集氣箱3中的氣體經過管道4通過風機殼體10上的進風口11進入到風機5中，然后經過濾網14后再次過濾，經由排風口12排出外面，以下對其進行節能性分析。

一種太陽能隧道通風系統的節能性分析：

（1）該系統可以合理的利用豐富的太陽能資源，我國陸地面積接收的太陽輻射總量在3.3×103kJ/(m2·年)～8.4×10kJ/(m2·年)之間，相當于2.4×10億t標準煤，屬太陽能資源豐富的國家之一，利用前景十分廣闊。且其安全可靠，無噪聲，無污染排放外，絕對干凈（無公害）；不受資源分布地域的限制，將太陽能轉化為電能供給系統使用。（2）太陽能光伏板產電能有富裕量，將其儲存于鉛蓄電池內，系統在陰雨天或夜間也能維持正常運行；

（3）蓄電池采用免維護鉛酸蓄電池，和鉛酸蓄電池比它的電解液的消耗量非常小，在使用壽命內基本不需要補充蒸餾水。它還具有耐震、耐高溫、體積小、自放電小的特點；

（4）風機采用無動力風機，可大大的節約能耗。風機能耗是影響通風系統能耗的重要因素，下面進行理論分析：

風機所需功率（kW）計算公式為：

故風機效率：

單位風量耗功率計算公式為：

所以單位風量耗功率可以按照下式計算：

式中，為風量，m3/h；為功率，KW；為風機的全風壓，Pa；0為風機的內效率，一般取0.75～0.85，小風機取低值、大風機取高值；1為機械效率，風機與電機直聯取1，聯軸器聯接取0.95～0.98，用三角皮帶聯接取0.9～0.95，用平皮帶傳動取0.85。

由上式可知，若通風系統中風機采用無動力風機，可大大節約風機能耗，利用自然界的自然風速推動風機的渦輪旋轉，及利用室內外空氣對流的原理，將任何平行方向的空氣流動，加速并轉變為由下而上垂直的空氣流動，能大大的節約能耗。

從以上四點來看，該系統能夠充分利用現有富裕的太陽能資源，在一定范圍內緩解用電的情況，解決了現有的現有隧道通風一般都是在隧道頂壁上等距設置大功率射流風機來實現對隧道通風，不耗電量大，浪費能源的問題。節約了能耗，提高了空氣凈化效果，提高了能源利用率，能夠給隧道帶來良好的通風效果。

4 隧道節能措施

節能是我國的基本國策，調查顯示，城市軌道交通系統用電量較大，其中通風空調系統占系統耗電的50%以上，隧道通風系統又是影響通風空調系統耗電的重要因素之一。為了相應節能減排這一基本國策，需要不斷的去探索采取隧道節能減排的措施，故提出以下幾點予以參考：

（1）熱能的利用。隧道內的熱能一般來源于車輛尾氣、照明等。用于動力輸出的車輛尾氣只占20%～30%，大部分的熱量都以熱能的形式遺失，而照明燈具的大部分熱量也會轉化為熱能，且公路隧道由于其埋深大，導致隧道內地熱能比較豐富，這些熱能都是提高隧道內熱位差的途徑，通過提高熱位差來來提高自然風的利用，節約能耗[16]；

（2）隧道內壁材料。隧道內照明環境是非常重要的，由于隧道中污染物的排放，隧道內會形成一定量的煙霧，會降低隧道內的能見度，駕駛人員的安全無法保證，所以將反光蓄光材料應用到隧道上。不僅可以改善照明環境，更可以進行輔助照明，起到節能降耗的作用，隧道燈具的安裝間距也是節能的重要因素[17]。

（3）一種隧道除塵車。應用靜電除塵的原理，能夠更好的處理隧道內部的汽車尾氣，當污染物中的粒子直徑較大時，靜電除塵系統依然能夠保證汽車尾氣的排放質量[18]。且隧道除塵車為可移動式，不占用空間，除塵效率高，不僅提高隧道內空氣質量和空氣凈化效果，也為隧道的良好通風效果提供了保障。

（4）通風方式的選擇。通風方式的選擇對隧道通風來講至關重要，由于自然通風最節能，應大大提倡選用自然通風的方式，在此基礎上，應當采取自然通風與機械通風相結合的方式來提高隧道內空氣質量。其次，在機械通風方式中應采取中豎井與射流風機組合方案。研究表明，這種方式能最大程度的節約能耗，經濟效益最為優良[19]。

（5）通風系統控制的合理選擇。隧道通風方式的選擇影響著工程造價及營運費用。為了讓隧道通風系統更好的滿足不同的需求，將污染物控制在合理范圍內，提高控制效果，節約能源，隧道通風方式的選擇是十分有必要的，目前常用的通風系統控制方法有模糊控制方法、反饋式控制方法、前饋式模糊方法、程序控制方法以及神經網絡控制方法。研究表明，前饋式模糊方法能最大的節省電力消耗，并延長風機的壽命[20]。

5 結束語

太陽能隧道通風系統是一項值得研究和推廣的新型通風方式，將太陽能技術與通風技術相結合，不僅有好的通風效果，在公路隧道通風系統耗能大的情況下，更能大大節約能源，也可以很好的解決弧形隧道污染物處理難度大的問題，同時也為隧道通風提供了新的發展思路。在日后隧道通風的應用方面的研究需要更多的專家學者對來環形隧道的節能通風方式進行研究，對于減少營運費用，加快設計速度，形成規范化的設計體系具有重要意義，進一步在工程中實現通風節能的效果，為國家節能減排政策獻力，環形隧道作為地下交通隧道的一種方式，隨著城市建設的不斷發展，會發揮越來越重要的作用。

[1] 周艷召.城市地下環路隧道排煙試驗研究[D].天津:天津商業大學,2018.

[2] 張浩.城市地下道路污染物排放與擴散特性反問題研究[D].北京:北方工業大學,2015.

[3] Chan-Hoon Yoon, Min-Suk Kim, Jin Kim. The evaluation of natural ventilation pressure in Korean long road tunnels with vertical shafts[J]. Tunneling and Underground Space Technology, 2006,(21):472.

[4] Jaroslav Katolicky′, Miroslav J ′cha. Eulerian– Lagrangian model for traffic dynamics and its impact on operational ventilation of road tunnels[J]. Journal of Wind Engineering and IndustrialAerody- namics, 2005,(93):61-77.

[5] 陳建濤,李運華,劉東曉.縱向通風公路隧道空氣污染濃度短時預報算法[J].北京航空航天大學學報,2011, 1(37):114-118.

[6] 陳外才,陳林翼.基于熱力學的單向單豎井公路隧道冬季通風模式分析[J].工程技術,2018(33):114.

[7] 朱德康.基丁.智能控制的隧道通風節能系統的研究[D].長沙:湖南大學,2007.

[8] 王麗.長大隧道的智能通風節能技術研究[D].昆明:昆明理工大學,2013.

[9] 劉克.城市地下交通聯系隧道煙氣控制研究[D].沈陽:沈陽航空航天大學,2015.

[10] 劉明.長大公路隧道火災集中通風排煙方式系統研究[D].長沙:中南大學,2009.

[11] 華高英,李磊,南化祥,等.城市環隧全橫向排煙模式的煙氣控制分析[J].消防科學與技術,2014,33(1):21-25.

[12] 朱江.綜述城市地下環形隧道及其設計要點[J].特種結構,2011,28(6):79-83.

[13] 劉力力.公路隧道通風系統的節能設計及應用[J].橋隧工程,2010,(2):48-50.

[14] 王影.城市特長水下公路隧道組合式通風方案研究[D].成都:西南交通大學,2018.

[15] 趙馳.城市軌道交通綜合節能管理系統的設計與實現[D].廣州:華南理工大學,2014.

[16] 陳艷超.多種能量綜合利用的公路隧道自然通風系統仿真及實驗分析研究[D].西安:長安大學,2016.

[17] 劉易家.高速公路隧道照明節能和通風聯動研究[D].廣州:華南理工大學,2018.

[18] 吳冬英.公路隧道的通風設計與節能簡析[J].黑龍江交通科技,2018,(12):179-181.

[19] 楊超,王志偉.公路隧道通風技術現狀及發展趨勢[J].地下空間與工程學報,2011,7(4):820-823.

[20] 朱江.綜述城市地下環形隧道及其設計要點[J].特種結構,2011,28(6):79-83.

Energy-saving Annular Tunnel Ventilation Device

Li Ruorong Di Yuhui Jiang Jing

( School of Urban Planning and Municipal Engineering, Xi’an Polytechnic University, Xi’an, 710048 )

Due to its special structure,the choice of tunnel ventilation mode is very important.the circular tunnel is not conducive to the discharge and dissipation of pollutants. Based on the summary of research on tunnel ventilation methods at home and abroad, this paper analyzes and summarizes the characteristics of circular tunnels, and proposes a solar tunnel ventilation system to improve air purification and energy utilization. It can save energy under certain conditions and bring good ventilation effect to the tunnel. The different energy-saving measures of the circular tunnel are further discussed, which provides a reference for the ventilation and energy saving of the underground circular tunnel.

Tunnel ventilation; Energy saving; Annular tunnel; Energy; Contaminants

1671-6612（2019）06-664-05

U459.2

A

李若溶（1994.11-），女，在讀研究生，E-mail：418460440@qq.com

狄育慧（1964-），女，教授，E-mail：470836165@qq.com

2019-06-18