文韜

上海航天建筑設(shè)計院

城市公路隧道通風(fēng)設(shè)計中的溫度控制初探

文韜

上海航天建筑設(shè)計院

城市公路隧道溫升問題隨著城市機(jī)動車數(shù)量的增加逐漸凸顯。本文就隧道溫升問題的由來、采用高壓細(xì)水霧系統(tǒng)控制隧道溫度的方案及可能存在的問題進(jìn)行了初步的工程分析，希望可以對隧道溫度控制措施提供一些參考。

隧道溫升 高壓細(xì)水霧系統(tǒng) 阻塞工況

0　引言

城市公路隧道是緩解擁堵、加強(qiáng)城市交通能力的重要手段之一。交通流量大是城市公路隧道的特點(diǎn)。機(jī)動車排出的廢熱積聚引起隧道溫度升高，當(dāng)隧道內(nèi)溫度過高（＞40℃）時可能引起汽車油路電路故障、水箱溫度上升，從而導(dǎo)致汽車拋錨引發(fā)交通事故。同時，隧道內(nèi)溫度過高也會引起乘客及隧道工作人員嚴(yán)重的不適感。2009年7月20日武漢長江隧道，室外溫度34℃，在通風(fēng)系統(tǒng)正常工作的情況下，進(jìn)入隧道500m后溫度即升至43.4℃，最高溫度達(dá)到61℃，交通事故頻發(fā)。

由于在隧道設(shè)計時，僅考慮正常及阻塞工況下污染物濃度控制通風(fēng)設(shè)計及火災(zāi)工況下的排煙設(shè)計，對于隧道內(nèi)溫度缺乏針對性的控制措施。而且，至今為止尚未有適用于城市公路隧道溫度、散熱量計算的規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)?，F(xiàn)根據(jù)上海市虹梅南路-金海路通道工程（越江段）（下文簡稱為“本隧道”）在設(shè)計中遇到的溫度問題對城市公路隧道的溫度控制進(jìn)行初步分析。

1　隧道溫度標(biāo)準(zhǔn)

《長大公路隧道溫升的初步探討》[1]綜合“……正常及阻滯運(yùn)營狀況下乘用人員舒適性和峒內(nèi)維修人員合適的工作環(huán)境。此外，工程投資和運(yùn)營成本也是需要兼顧因素之一……”等因素，“參考《工業(yè)企業(yè)衛(wèi)生設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》（GBZ1-2002）以及其他高氣溫場所的溫度設(shè)計要求，根據(jù)人體對溫度的耐受度”，提出了公路隧道空氣溫度標(biāo)準(zhǔn)，見表1。

表1　公路隧道空氣溫度標(biāo)準(zhǔn)

本隧道在制定溫度標(biāo)準(zhǔn)時主要從如下幾個方面考慮：

1）車載空調(diào)正常運(yùn)行溫度；

2）無車載空調(diào)時乘用人員舒適要求；

3）隧道設(shè)備維修人員工作環(huán)境溫度要求。

首先，保證車載空調(diào)正常運(yùn)行的峒內(nèi)溫度不應(yīng)高于45℃；其次，若無車載空調(diào)時，考慮到本隧道60km/h的設(shè)計速度，汽車在隧道內(nèi)行經(jīng)時間約為5分鐘，而且在夏季外部氣溫較高的情況下，乘用人員需要長時間忍受隧道的高溫環(huán)境，因此隧道內(nèi)溫度應(yīng)≤40℃；第三，從峒內(nèi)維修工作人員工作環(huán)境要求出發(fā)，峒內(nèi)溫度應(yīng)≤40℃。

參考已有隧道工程的溫度控制標(biāo)準(zhǔn)，包括崇明越江通道長江隧道、臺灣雪山隧道等，以及《地鐵設(shè)計規(guī)范》中列車車廂設(shè)置空調(diào)，車站設(shè)置屏蔽門時的隧道溫度不高于40℃的要求，本隧道以40℃作為溫度控制標(biāo)準(zhǔn)。

2　隧道溫升分析

城市公路隧道內(nèi)的溫度變化取決于室外溫度、交通流量、隧道通風(fēng)方式、隧道壁面?zhèn)鳠岬纫蛩?。其中，隧道通風(fēng)方式對溫度影響差異較大，在參考文獻(xiàn)[2]中提到：“……幾種通風(fēng)方式中，橫向通風(fēng)和送風(fēng)型半橫向通風(fēng)的溫度在隧道縱深方向上較為平均……縱向通風(fēng)由于沿程沒有空氣進(jìn)入，而機(jī)動車不斷排出熱量，所以在隧道縱深方向上溫度不斷升高……”。本隧道下穿黃浦江，地下段4746m，圓隧道內(nèi)徑13.3m，屬于特長隧道。正常工況時，西線（北→南）高峰小時流量2760pcu/h，東線（南→北）高峰小時流量3050pcu/h，交通繁忙，車輛通過時汽油、柴油燃燒后排出大量廢熱。隧道通風(fēng)系統(tǒng)采用射流風(fēng)機(jī)誘導(dǎo)，在隧道靠近出口處設(shè)置集中排風(fēng)口排出廢氣的縱向通風(fēng)方式。原理如圖1。

圖1　隧道通風(fēng)系統(tǒng)原理圖

在夏季室外通風(fēng)計算溫度31.2℃的情況下，本隧道內(nèi)溫度分布根據(jù)正常工況和全線10km/h阻塞工況分別計算，溫度分布曲線見圖2。

圖2　隧道正常工況及阻塞工況溫度分布圖

由圖2可以看出，正常工況時由于壁面散熱，隧道前段（入峒口2500m前）溫度基本保持室外溫度不變，隨著長度的增加，熱量的累積超過壁面散熱能力，隧道后段（入峒口2500m后）的溫度明顯上升，出峒口溫度達(dá)到37.89℃；全線10km/h阻塞工況溫度與隧道長度近似成正比關(guān)系，不考慮加大通風(fēng)量及其他降溫措施時，隧道2150m處溫度為40.05℃，出峒口4746m處溫度達(dá)到50.74℃。

若考慮夏季室外溫度38℃以上或極端交通條件，隧道內(nèi)計算溫度更可高達(dá)55℃，其溫升問題不容忽視，需要對本隧道采取合適的降溫措施以保證人員及行車安全。

3　隧道溫度控制措施

3.1隧道溫度控制方式

目前，國內(nèi)隧道溫度控制措施有兩種方式：利用隧道自身的通風(fēng)系統(tǒng)降溫和利用高壓細(xì)水霧系統(tǒng)降溫。在崇明越江通道長江隧道之前，國內(nèi)隧道主要是利用通風(fēng)的方式達(dá)到降溫的目的。但是，對于本隧道，如果以純通風(fēng)的方式降溫，將存在以下幾個主要問題：

1）隧道內(nèi)斷面風(fēng)速將高達(dá)10.3m/s，影響行車安全；

2）隧道內(nèi)每隔40m需要設(shè)置一組射流風(fēng)機(jī)，不滿足規(guī)范中射流風(fēng)機(jī)最小安裝間距80m的要求；

3）功耗將增加3000kW。

由以上三點(diǎn)可以看出，利用純通風(fēng)的方式降溫不具有工程可實(shí)施性。

本隧道考慮在保持正常通風(fēng)的情況下，采用高壓細(xì)水霧作為隧道專用的輔助降溫系統(tǒng)。

3.2高壓細(xì)水霧降溫原理

高壓細(xì)水霧具有顆粒直徑極小，經(jīng)采用的粒徑僅為60μm、分布密集而均勻、在空中停留時間長的特點(diǎn)。表2列出了霧滴直徑、每升水的表面積、汽化時間及自由下落速度之間的關(guān)系。從表2可以看出，在總水量一定時，霧滴直徑越小，表面積越大，汽化所需要的時間也越短，吸熱作用和效率就越高。對于相同的水量，高壓細(xì)水霧霧滴所形成的表面積至少比傳統(tǒng)水霧噴出的水滴大100～1000倍，冷卻降溫作用非常明顯。

表2　霧滴直徑、表面積、汽化時間和自由下落速度的關(guān)系

另外一方面高壓細(xì)水霧霧滴重量很輕，不會輕易下落到地面，而是跟隨空氣流動，增加了與空氣的換熱時間，有利于霧滴的吸熱降溫過程。

3.3高壓細(xì)水霧降溫系統(tǒng)本隧道應(yīng)用方案

本隧道根據(jù)阻塞工況溫升計算結(jié)果，高壓細(xì)水霧降溫系統(tǒng)單管隧道設(shè)計總需水量約為 400L/min（6.67kg/s），可控制出峒口空氣溫度不超過40℃。高壓細(xì)水霧噴頭噴霧粒徑60μm，單只噴頭噴霧量約為1.75L/min。隧道入峒口設(shè)計溫度為31.2℃，出峒口計算溫度為50.74℃，在計算溫度為35℃斷面處開始進(jìn)行保護(hù)，按照溫度上升曲線與隧道長度近似成正比關(guān)系，即在進(jìn)入隧道后900m處開始設(shè)置高壓細(xì)水霧溫度控制斷面。圖3為高壓細(xì)水霧工作原理圖，每管隧道共需設(shè)置45個噴霧斷面，分為3個噴霧段，每個噴霧段含15個噴霧斷面，每個噴霧斷面為一組，各組5只噴嘴。一段靠近閔行工作井，一段位于隧道中部，第三段靠近奉賢工作井。每組噴頭間距75m，每個噴霧段長度約1125m，全程3375m需設(shè)置噴霧頭。

圖3　高壓細(xì)水霧工作原理圖

結(jié)合溫度控制和節(jié)能要求，采用3個斷面作為一組控制單元，每組控制單元測點(diǎn)為3個，分別位于隧道頂部和兩側(cè)面。單根隧道內(nèi)噴霧斷面分為15組控制單元，每組控制單元由該處的溫度及出峒口處的溫度決定是否噴霧?？刂茥l件如下：每個噴霧段5個控制單元獨(dú)立控制，當(dāng)出峒口溫度高于40℃且該控制單元平均溫度高于40℃時，該控制單元所含的3個斷面噴霧開啟；當(dāng)該控制點(diǎn)平均溫度低于40℃時，噴霧關(guān)閉。

4　存在問題

車輛通過隧道時，尤其是阻塞工況下，車輛在隧道內(nèi)行進(jìn)速度較慢，通過細(xì)水霧的方式降溫，車窗有結(jié)露的可能性，對行車安全造成影響。

假定車內(nèi)空調(diào)設(shè)定溫度為26℃，車窗溫度與車內(nèi)溫度一致。峒口空氣溫度為狀態(tài)點(diǎn)1，隧道內(nèi)負(fù)荷以顯熱為主，經(jīng)等濕加熱至狀態(tài)點(diǎn)2，最后經(jīng)細(xì)水霧噴霧等焓冷卻至狀態(tài)點(diǎn)3。狀態(tài)點(diǎn)1至狀態(tài)點(diǎn)3變化過程焓濕圖及狀態(tài)參數(shù)見圖4及表3。

圖4　狀態(tài)點(diǎn)1～狀態(tài)點(diǎn)3空氣狀態(tài)變化過程線

表3　狀態(tài)點(diǎn)1～狀態(tài)點(diǎn)3狀態(tài)參數(shù)表

由圖4及表3可以看出，經(jīng)細(xì)水霧降溫后的隧道內(nèi)空氣濕球溫度為26℃，有結(jié)露的可能性。

5　結(jié)論

高壓細(xì)水霧降溫系統(tǒng)從系統(tǒng)設(shè)計上可以有效控制隧道內(nèi)的溫度，同時也存在造成車窗結(jié)露的可能性。該系統(tǒng)的實(shí)際降溫效果尚需經(jīng)過應(yīng)用驗證。

[1]蔣衛(wèi)艇,鄭晉麗,勞衡生.長大公路隧道溫升的初步探討[J].地下工程與隧道,2006,(1):44-47

[2]韓星,張旭.公路隧道穩(wěn)態(tài)縱向溫度升高研究[J].地下空間與工程學(xué)報,2006,2(4):591-595

[3]陳建勛,羅彥斌.寒冷地區(qū)隧道溫度場的變化規(guī)律[J].交通運(yùn)輸工程學(xué)報,2008,8(2):44-48

The Temperature Control Analysis of City Road Tunnel Ventilation

WEN Tao
Shanghai Aerospace Construction Design Institute

The temperature increase problem of city road tunnel appears as the increase of the amount of motor vehicles.This paper analyzed how the problem comes about,the method to control temperature using high pressure water mist system and the probably defects.It provides reference for project design.

temperature increase,high pressure water mist system,blocking condition

1003-0344（2015）06-071-4

2014-9-19

文韜（1982～），男，碩士，工程師；上海市閔行區(qū)金都路3805號（201108）；E-mail:wentao8287@qq.com