李若溶 狄育慧 蔣 靖

一種節(jié)能的環(huán)形隧道通風(fēng)裝置

李若溶 狄育慧 蔣 靖

（西安工程大學(xué)城市規(guī)劃與市政工程學(xué)院 西安 710048）

環(huán)形隧道由于其特殊的構(gòu)造，不利于污染物的排放和消散，隧道通風(fēng)方式的選擇至關(guān)重要。在總結(jié)國內(nèi)外對隧道通風(fēng)方式研究的基礎(chǔ)上，分析總結(jié)環(huán)形隧道的特點，并提出一種太陽能隧道通風(fēng)系統(tǒng)，提高空氣凈化以及能源利用率，可以在一定條件下節(jié)約能耗，給隧道帶來良好的通風(fēng)效果；進一步探討了環(huán)形隧道不同的節(jié)能措施，為地下環(huán)形隧道的通風(fēng)節(jié)能提供一定參考。

隧道通風(fēng)；節(jié)能；環(huán)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(huán)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(wǎng)建設(shè)和交通設(shè)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(fā)展城市地下交通系統(tǒng)，城市環(huán)形隧道就是一種新型的地下交通形式[1]。

城市環(huán)形隧道雖然是解決交通擁堵的重要方式，但由于其在結(jié)構(gòu)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(jīng)濟的飛速發(fā)展，機動車的生產(chǎn)和使用量急劇增長，機動車排氣對環(huán)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(zhuǎn)向燃煤和機動車混合型污染，機動車排氣污染對環(huán)境和人們身體健康的危害已相當(dāng)嚴重。而創(chuàng)造一個空氣良好的環(huán)境也是建設(shè)現(xiàn)代化文明城市的標志，是環(huán)境保護工作的當(dāng)務(wù)之急，解決機動車尾氣污染問題已經(jīng)迫在眉睫。根據(jù)生態(tài)環(huán)境部近日發(fā)布《中國機動車環(huán)境管理年報（2018）》年報統(tǒng)計，我國機動車保有量持續(xù)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(shè)所帶來的環(huán)境問題不容忽視。當(dāng)前城市隧道污染物排放量是否達到標準還有待驗證，當(dāng)下其所面臨的主要問題就是隧道內(nèi)廢氣的排放問題[4]，所以通風(fēng)方式的選擇至關(guān)重要。

本文在總結(jié)國內(nèi)外對隧道通風(fēng)方式研究的基礎(chǔ)上，對比分析環(huán)形隧道與長直隧道的不同，根據(jù)環(huán)形隧道的特點，提出一種太陽能隧道通風(fēng)系統(tǒng)，使其更好的應(yīng)用于環(huán)形隧道通風(fēng)系統(tǒng)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(huán)形隧道的節(jié)能措施，對于減少通風(fēng)系統(tǒng)能耗，對未來城市公路環(huán)形隧道的設(shè)計及工程造價提供有力的依據(jù)，對以后的環(huán)形隧道相關(guān)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(zhì)量品質(zhì)，加快設(shè)計速度，形成規(guī)范化的設(shè)計體系具有重要意義。

1 隧道通風(fēng)的研究應(yīng)用狀況

國內(nèi)外很多專家學(xué)者對隧道通風(fēng)問題進行實驗研究。國外對隧道污染物分布及通風(fēng)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(nèi)汽車排放的CO標準問題，國內(nèi)最早是由西安交通大學(xué)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(xué)者對隧道通風(fēng)情況展開研究。Chan-Hoon Yoon等采用熱力學(xué)分析原理研究了長大隧道縱向通風(fēng)系統(tǒng)中通風(fēng)豎井對隧道內(nèi)自然風(fēng)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(nèi)車輛的運動及其對運行通風(fēng)的影響并得到了通過移動車輛產(chǎn)生的流量作為交通速度和交通率的函數(shù)[4]。陳建濤等人從二階偏微分方程表示的隧道通風(fēng)污染模型中推導(dǎo)出了動態(tài)預(yù)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(xiàn)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(fēng)的影響規(guī)律，優(yōu)化單向單豎井公路隧道冬季通風(fēng)模式[6]。

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

表1 國內(nèi)外隧道通風(fēng)方式

縱觀國內(nèi)外隧道通風(fēng)研究現(xiàn)狀，國內(nèi)外隧道的主要通風(fēng)方式是縱向通風(fēng)或是縱向通風(fēng)與豎井相結(jié)合的通風(fēng)方式，與橫向通風(fēng)相比，能節(jié)約投資，成本比較低，后期維護比較方便，通風(fēng)效果較好，但目前的研究主要集中在對于長直隧道的通風(fēng)方式研究，而對環(huán)形隧道的研究較少，適合環(huán)形隧道最優(yōu)的通風(fēng)方式還有待驗證。

2 環(huán)形隧道的特點

2.1 環(huán)形隧道與長直隧道對比

2.1.1 結(jié)構(gòu)不同

環(huán)形隧道整體結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)環(huán)狀，結(jié)構(gòu)較為復(fù)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(shè)施。主通道為連續(xù)環(huán)形道路[12]。主通道是指車輛在隧道中連續(xù)行駛的部分，主要設(shè)置在道路地面以下供機動車行駛，連接通道主要是聯(lián)系地面交通與地下停車設(shè)施。而長直隧道的結(jié)構(gòu)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(huán)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(jié)構(gòu)的差異，當(dāng)事故發(fā)生時，環(huán)形隧道內(nèi)事故的危險性及救援難度遠遠大于長直隧道。環(huán)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(guī)律不同

直型隧道由于其結(jié)構(gòu)較為簡單，污染物在隧道內(nèi)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(fēng)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(huán)形隧道結(jié)構(gòu)較為復(fù)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(nèi)的弧形隧道的拐點處堆積，通風(fēng)方式相對來說比較復(fù)雜，不能用單一的通風(fēng)方式，應(yīng)當(dāng)注重加強隧道內(nèi)局部通風(fēng)，促使污染物更快的移動，提高通風(fēng)效果與效率。

2.1.3 功能不同

城市環(huán)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(qū)域附近的環(huán)境空氣品質(zhì)，還承擔(dān)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(xiàn)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(huán)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(nèi)所有車輛的行駛方向相同；雙向交通是指隧道內(nèi)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(nèi)根據(jù)路段的不同，雙向行駛和單向行駛同時存在的方式。對于環(huán)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(chǎn)生交叉。城市環(huán)形隧道的主要功能不僅較大的開發(fā)利用了地下空間，便于區(qū)域交通發(fā)展的同時，補充了道路交通資源并提高了交通環(huán)境品質(zhì)[13]。

隨著環(huán)形隧道應(yīng)用的越來越廣，在其建設(shè)中出現(xiàn)了以下幾個問題：（1）由于其相比于長直隧道，結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，所以車輛在隧道內(nèi)行駛時間長，污染物容易聚積，不易排出，因此隧道內(nèi)的通風(fēng)標準要求較高[14]。（2）由于隧道內(nèi)空間狹長，污染物的排放會影響到隧道內(nèi)的照明效果，隧道內(nèi)能見度比較低，發(fā)生事故且危險性高，且一旦發(fā)生事故，救援難度大。（3）環(huán)形隧道內(nèi)污染物分布的規(guī)律比較復(fù)雜，不像長直隧道主要集中在洞口敏感區(qū)域，污染物的分布與隧道的形狀有著密切聯(lián)系，治理起來難度較大，不容易治理。（4）通風(fēng)控制系統(tǒng)會隨著隧道的形狀、長度而發(fā)生變化。（5）隧道通風(fēng)的能耗會變得更大，研究表明，通風(fēng)的費用和隧道的長度是密切相關(guān)的。（6）由于環(huán)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(fēng)系統(tǒng)

隧道通風(fēng)系統(tǒng)由區(qū)間隧道通風(fēng)系統(tǒng)和車站隧道通風(fēng)系統(tǒng)構(gòu)成，影響隧道通風(fēng)系統(tǒng)能耗的主要因素有室外溫度、節(jié)能密度、最為關(guān)鍵的是隧道風(fēng)機的運行模式[15]。現(xiàn)在隧道通風(fēng)方式大多采用的是機械通風(fēng)，一般都是在隧道頂壁上等距設(shè)置大功率的射流風(fēng)機來實現(xiàn)對隧道通風(fēng)，但一直開啟射流風(fēng)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(huán)形隧道彎曲處的污染物難以處理?，F(xiàn)在提出一種太陽能隧道通風(fēng)系統(tǒng)，將太陽能技術(shù)與隧道通風(fēng)技術(shù)相結(jié)合，能在一定程度上節(jié)約能源，便于處理隧道洞口及環(huán)形隧道彎曲處堆積的污染物，為以后隧道通風(fēng)系統(tǒng)發(fā)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(fēng)系統(tǒng)設(shè)計圖

1—收集箱；2—過濾器；3—集氣箱；4—管道；5—風(fēng)機；6—導(dǎo)線；7—控制器；8—太陽能光伏板；9—蓄電池；10—外殼；11—進風(fēng)口；12—排風(fēng)口；13—多孔陶瓷；14—濾網(wǎng)

其工作原理如下：將收集箱1、過濾器2、集氣箱3和風(fēng)機5這部分裝置安裝在隧道內(nèi)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(dāng)有機動車通過時，會產(chǎn)生大量粉塵及顆粒物，這時固定在隧道內(nèi)的收集箱1收集隧道內(nèi)的顆粒、粉塵及煙霧，然后經(jīng)過高效過濾器2，過濾收集箱1中的雜質(zhì)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(jīng)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(zhuǎn)化為電能，電能經(jīng)過控制器7線路將其儲存于蓄電池9內(nèi)部，而風(fēng)機5又與控制器7相連，因此蓄電池9可以為風(fēng)機提供動力來源，到達供電目的，且電池的存在可以起到穩(wěn)壓作用，保證風(fēng)機5間歇運轉(zhuǎn)，保證系統(tǒng)的正常運行。此時，在集氣箱3中的氣體經(jīng)過管道4通過風(fēng)機殼體10上的進風(fēng)口11進入到風(fēng)機5中，然后經(jīng)過濾網(wǎng)14后再次過濾，經(jīng)由排風(fēng)口12排出外面，以下對其進行節(jié)能性分析。

一種太陽能隧道通風(fēng)系統(tǒng)的節(jié)能性分析：

（1）該系統(tǒng)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(dāng)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(zhuǎn)化為電能供給系統(tǒng)使用。（2）太陽能光伏板產(chǎn)電能有富裕量，將其儲存于鉛蓄電池內(nèi)，系統(tǒng)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(nèi)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(fēng)機采用無動力風(fēng)機，可大大的節(jié)約能耗。風(fēng)機能耗是影響通風(fēng)系統(tǒng)能耗的重要因素，下面進行理論分析：

風(fēng)機所需功率（kW）計算公式為：

故風(fēng)機效率：

單位風(fēng)量耗功率計算公式為：

所以單位風(fēng)量耗功率可以按照下式計算：

式中，為風(fēng)量，m3/h；為功率，KW；為風(fēng)機的全風(fēng)壓，Pa；0為風(fēng)機的內(nèi)效率，一般取0.75～0.85，小風(fēng)機取低值、大風(fēng)機取高值；1為機械效率，風(fēng)機與電機直聯(lián)取1，聯(lián)軸器聯(lián)接取0.95～0.98，用三角皮帶聯(lián)接取0.9～0.95，用平皮帶傳動取0.85。

由上式可知，若通風(fēng)系統(tǒng)中風(fēng)機采用無動力風(fēng)機，可大大節(jié)約風(fēng)機能耗，利用自然界的自然風(fēng)速推動風(fēng)機的渦輪旋轉(zhuǎn)，及利用室內(nèi)外空氣對流的原理，將任何平行方向的空氣流動，加速并轉(zhuǎn)變?yōu)橛上露洗怪钡目諝饬鲃樱艽蟠蟮墓?jié)約能耗。

從以上四點來看，該系統(tǒng)能夠充分利用現(xiàn)有富裕的太陽能資源，在一定范圍內(nèi)緩解用電的情況，解決了現(xiàn)有的現(xiàn)有隧道通風(fēng)一般都是在隧道頂壁上等距設(shè)置大功率射流風(fēng)機來實現(xiàn)對隧道通風(fēng)，不耗電量大，浪費能源的問題。節(jié)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(fēng)效果。

4 隧道節(jié)能措施

節(jié)能是我國的基本國策，調(diào)查顯示，城市軌道交通系統(tǒng)用電量較大，其中通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)占系統(tǒng)耗電的50%以上，隧道通風(fēng)系統(tǒng)又是影響通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)耗電的重要因素之一。為了相應(yīng)節(jié)能減排這一基本國策，需要不斷的去探索采取隧道節(jié)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(nèi)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(zhuǎn)化為熱能，且公路隧道由于其埋深大，導(dǎo)致隧道內(nèi)地?zé)崮鼙容^豐富，這些熱能都是提高隧道內(nèi)熱位差的途徑，通過提高熱位差來來提高自然風(fēng)的利用，節(jié)約能耗[16]；

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

（3）一種隧道除塵車。應(yīng)用靜電除塵的原理，能夠更好的處理隧道內(nèi)部的汽車尾氣，當(dāng)污染物中的粒子直徑較大時，靜電除塵系統(tǒng)依然能夠保證汽車尾氣的排放質(zhì)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(nèi)空氣質(zhì)量和空氣凈化效果，也為隧道的良好通風(fēng)效果提供了保障。

（4）通風(fēng)方式的選擇。通風(fēng)方式的選擇對隧道通風(fēng)來講至關(guān)重要，由于自然通風(fēng)最節(jié)能，應(yīng)大大提倡選用自然通風(fēng)的方式，在此基礎(chǔ)上，應(yīng)當(dāng)采取自然通風(fēng)與機械通風(fēng)相結(jié)合的方式來提高隧道內(nèi)空氣質(zhì)量。其次，在機械通風(fēng)方式中應(yīng)采取中豎井與射流風(fēng)機組合方案。研究表明，這種方式能最大程度的節(jié)約能耗，經(jīng)濟效益最為優(yōu)良[19]。

（5）通風(fēng)系統(tǒng)控制的合理選擇。隧道通風(fēng)方式的選擇影響著工程造價及營運費用。為了讓隧道通風(fēng)系統(tǒng)更好的滿足不同的需求，將污染物控制在合理范圍內(nèi)，提高控制效果，節(jié)約能源，隧道通風(fēng)方式的選擇是十分有必要的，目前常用的通風(fēng)系統(tǒng)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(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制方法。研究表明，前饋式模糊方法能最大的節(jié)省電力消耗，并延長風(fēng)機的壽命[20]。

5 結(jié)束語

太陽能隧道通風(fēng)系統(tǒng)是一項值得研究和推廣的新型通風(fēng)方式，將太陽能技術(shù)與通風(fēng)技術(shù)相結(jié)合，不僅有好的通風(fēng)效果，在公路隧道通風(fēng)系統(tǒng)耗能大的情況下，更能大大節(jié)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(fēng)提供了新的發(fā)展思路。在日后隧道通風(fēng)的應(yīng)用方面的研究需要更多的專家學(xué)者對來環(huán)形隧道的節(jié)能通風(fēng)方式進行研究，對于減少營運費用，加快設(shè)計速度，形成規(guī)范化的設(shè)計體系具有重要意義，進一步在工程中實現(xiàn)通風(fēng)節(jié)能的效果，為國家節(jié)能減排政策獻力，環(huán)形隧道作為地下交通隧道的一種方式，隨著城市建設(shè)的不斷發(fā)展，會發(fā)揮越來越重要的作用。

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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