城建院论文增刊
CHINA MUNICIPAL ENGINEERING
工程与管理
隧道通风设计节能探讨
严 涵
（上海市城市建设设计研究院，上海 200125）
摘要：通过对隧道通风设计中通风方式的选用、需风量的计算等各个环节的思考，对可采取的节能措施进行了归纳。提出了采用射流风机、轴流风机变频调速、通风系统控制等节能措施。最后介绍了空气净化系统的节能设计。关键词：隧道通风；节能；射流风机；变频调速
中图分类号：U453.5 文献标识码：A 文章编号：1004-4655（2008）S1-0053-03
道路交通作为城市重要的基础设施，对经济和社会的发展有着举足轻重的影响。随着城市地面空间的稀缺性不断加剧，地下道路以及越江隧道正面临着新一发展。目前，上海市有十多个道路交通相关项目正在施工、设计或积极筹划之中。东西通道的建设以及研究中的南北大通道，更是打开了城市地下道路的新领域。与此同时，由于地下道路车行空间相对封闭，需要为其考虑专门的通风系统，及时稀释、排除隧道内的污染空气，保障乘用人员的健康、安全，所以随之带来的是巨大的通风能耗。设计人员应当对系统的各个环节加以斟酌， 挖掘节能潜力。本文对其中可能采用的节能措施进行一些归纳探讨。1 选用适当的隧道通风方式
隧道通风方式的选择，需要综合考虑隧道的长度、车流量、通行方式（单、双向）、安全性、地面条件等因素。典型的隧道通风系统主要有自然通风和机械通风两类。机械通风包括纵向通风、半横向通风、横向通风等基本形式。1.1 优选自然通风方式
自然通风一般在隧道顶部间隔开设自然通风口，充分利用自然风压、隧道内热压以及车辆行驶时的交通通风力，实现隧道的通风换气。由于不依靠机械通风设备，不耗费额外能源，其节能效果最为突出，同时，分散的通风口有利于隧道废气的多点排放，节省了进一步建造高风塔的土建投资及增设轴流风机产生的能耗。因此，方案阶段应首先考虑自然通风的可能性。
在自然通风设计中通常会遇到两个问题。其一，限于城市地面条件、景观需求等因素，需要给出风口数量与面积的最小值，以满足隧道自然通风的要求。目前，相关设计规范中，针对自然通风方式的指导意见尚不完备，自然风、交通通风力和热压联合作用下
收稿日期：2008-09-10
的综合效应,有待于深入地研究。设计中，可采用适当简化的工程模型求解，并辅以计算软件模拟参考。其二，设计时必须考虑到隧道的总体节能，须避免因设置顶部通风口，导致加强照明能耗剧增的情况。可通过适当划分自然通风段，控制通风口数量，或采用侧条形风口，乃至侧方外挂自然通风井等方式，减少加强照明的使用，有效解决上述问题。1.2 利用活塞通风效应
若不具备自然通风方式的使用条件，由于目前新建隧道普遍为单向通行，所以仍应充分利用车辆行驶时的活塞通风效应，在隧道正常及阻塞工况下，优先采用纵向或分段纵向通风方式。2 隧道需风量的计算
隧道需风量的计算主要着眼于合理预估隧道污染空气的排放量，并设定适当的污染物浓度控制标准，避免通风系统的设备容量过大、数量过多，造成能源浪费。影响计算结果的因素主要有，预测车流量及车种比例、污染物基准排放量以及隧道各项污染物的设计浓度3项。
2.1 预测车流量及车种比例
由于预测条件有限，往往在设计前期缺乏较为准确的流量数据，所以涉及具体建设项目时，需要主动与相关专业商讨，拟定合理的预测数据。2.2 污染物基准排放量
近几年我国对车辆尾气排放量的要求正在不断提高。2004年7月及2007年7月，我国已分别实行了与欧Ⅱ、欧Ⅲ标准相当的国Ⅱ、国Ⅲ标准，2010年7月与欧Ⅳ标准相当的国Ⅳ标准也将实行。因此，污染物基准排放量应按工程的近、中、远设计年限分别进行选用，并参照相应的限值进行折减。需要注意的是，由于计算方式不同，该系列限值的基本排放因子不可直接用于我国JTJ 026.1—1999《公路隧道通
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风照明设计规范》,应参考PIARC2002、2004报告中的相关方法进行计算。以CO排放量计算为例，小客车的CO排放量可按下列公式计算：
(1)
式中：为CO排放量(g/h.veh)；为基本排放因子，由平均速度v和道路坡度i决定；为海拔高度修正系数；为车辆使用年限修正系数。2.3 污染物设计浓度
污染物设计浓度的确定，主要涉及CO和烟雾两类。CO能阻碍O2与血红蛋白的结合，轻则引起头痛，浓度过高时危及生命安全，因而一直是隧道中需要严格控制的污染物。反映CO浓度、经历时间与活动状态三者关系的May氏实验曲线，是CO最低卫生标准的理论依据。实际上，近80 a来，CO设计浓度经历了从卫生标准向舒适标准的过渡。1927年通车的世界首条机械通风隧道——美国霍兰（Holland）隧道仅采用400×10-6 mL/m3的设计标准，目前各相关规范、报告中的CO设计浓度见表1。
表1 各规范、标准中CO设计浓度比较
规范、标准
CO浓度/×10-6 mL・m-3
风机诱导的纵向通风系统整体节能性好，但其本身效率较低。因而，应选用适当的射流风机型号并进行合理布置，以提高其在隧道中运行的通风效率，达到节约能耗的目的。
射流风机在隧道内的实际通风效果计算公式为： 式中：
(2)为射流风机的升压力(N/m2)；为空气密度
；为射流风机的出口风速（m/s）；为射流（kg/m3）
风机的出口面积(m2)；为隧道的断面风速（m/s）；为隧道的断面面积（m2）；为安装位置摩阻损失折减系数。
由式(2)可见，增大出口面积、增加出口风速均能提高射流风机的实际升压力。但在功率一定的前提下，射流风机的出口面积与出口风速负相关，且总机械效率受风机性能曲线的状态点位置影响。因此，仅考虑选用大直径或出口风速较高的射流风机并不能得到最佳的能效比。应同时考虑具体风机的性能曲线与隧道内的增压公式，共同解得较优的风机型号及工作点。此外，在隧道限界上方空间条件允许时，适当增加射流风机与顶板的安装距离，有助于减少射流摩阻，提高升压效果。
安装时，每组射流风机需有足够的纵向布置间距，射流才能有效地扩散至全断面，将推力传递给隧道空气。若射流扩散减速不完全，则将影响前一组射流风机的运行性能。一般每组射流风机的纵向间距，应大于隧道断面水力当量直径的10倍[1]。以单孔双车道隧道为例，纵向间距可按不小于80 m控制。同组射流风机间的横向间距以大于风机直径的2.5倍为宜。
此外，一种新型的香蕉形射流风机已在国外的隧道中安装使用，它改变了传统射流风机与消声器位于同一轴线的形式，将风机两端的消声器向下方车道处小角度倾斜（与风机轴线夹角一般≤7°）。其原理主要是通过上述改变，减少空气射流与隧道壁面的摩擦损失，达到提高实际通风效率的目的。提升效果可达15%以上。其产品示意图见图1。
中国JTJ 026.1—1999《公路隧正常：200道通风照明设计规范》阻滞：≤300，（停留时间≤20 min）PIARC 2004
正常：100/70
阻滞：150/100
日本《道路隧道技术基准（换正常：100～150气篇）》(2001)阻滞：150～200上海地方DG/TJ 08-2033—2008正常：150《道路隧道设计规范》阻滞：200
由表1可见，目前PIARC及日本的CO设计浓度要求均高于我国。由于设计浓度与需风量成反比，需风量与能耗近似二次方关系，CO的取值对运营能耗的影响十分显著。考虑到上述取值均已在舒适标准的范畴内，DG/TJ 08-2033—2008《道路隧道设计规范》兼顾了国内外相关规范及实际需求，因此上海地区设计时可按此要求进行取值。
烟雾影响隧道内的清晰视距乃至行车安全，对其浓度的设计要求一直以来均较为成熟稳定，表2列出参阅值。
表2 烟雾设计浓度（钠灯光源）
计算车速/ km・h-1烟雾设计浓度K/m-1
100 0.006 5
800.007 0
600.007 5
400.009 0
图1 香蕉形（banana）射流风机示意图3 射流风机的选用及布置
射流风机因其投资成本低、指向性好、能灵活适应隧道中车流量的变化、调整开启台数，所以近20 a来，尤其在3 km以下的单向隧道中得到广泛应用。射流
4 轴流风机的变频调速
变频调速是通过整流器、逆变器和控制电路将工频的交流电变成直流，再将直流逆变为不同频率的交流，以达到对交流异步电机进行调速控制的目的。风
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机转速与功率成三次方关系，转速与频率成正比关系，因此变频调速具有实现节能、设备启动能耗小、无机械调节装置、增加设备寿命等优点。
变频技术作为一种节能措施，近年来受到广泛关注。但由于变频设备初始投资高，其本身有电能损失，因此采用变频方式前，应对工程的特点及适用情况进行分析。一般而言，单台容量大、各工况荷载变化幅度明显的设备能为变频节能提供更大的施展空间。因此，隧道通风系统中，对大容量轴流风机进行变频控制，易获得理想的节能效果。表3是2006年某日，上海延安东路隧道及复兴东路隧道小时双向车流量的实测数据。
表3 隧道特征小时双向车流量 pcu/h
隧道\\时间延安东路隧道复兴东路隧道
4:00~5:00183/21478/82
8:00~9:002 657/2 9973 060/2 248
17:00~18:002 414/2 7602 266/1 746
该方式可靠度高，但是，由于需要先收集大量信息，经处理后再作用于设备控制，往往会有滞后性，不利于节能。
前馈控制系统一般由6个部分组成:交通流预测模型、污染物扩散模型、模糊控制器、检测元件、执行元件和控制对象[2]。它通过增加的数学模型，可对交通流及污染物浓度变化趋势进行预测，提前动作，以解决控制上的滞后性问题。同时，由于引入模糊推理方法,采用经验法对风机进行控制,在一定程度上提高了系统抗干扰的能力,缓解了传统控制法风机频繁开停问题。该方法与传统后馈控制法相比，可节省约9%的能耗。6 空气净化系统的节能
目前，上海正从引进技术及自主研发两条技术路线同时开展隧道大风量空气净化处理及其工程化应用的研究。由单一的清除颗粒物，提升到对颗粒物、CO以及NOX等隧道内的主要污染进行全面净化。空气净化处理的主要作用是降低隧道内污染物浓度，改善空气质量或减少隧道污染物的对外排放，使之达到环保要求。
无论是旁通型还是外排型空气净化系统，净化设备及其所连接的大风量风机均需消耗大量的电能。节约空气净化系统的能耗，大致可从设备工艺和工程应用两方面进行考虑。一是提高设备的净化效率，并降低设备风阻，二是工程应用中注意设备的合理布置，使隧道内浓度较高的废气流经处理设备，提高单位风量的污染物处理量。7 结语
全国节能工作推动至今，全社会对其重要性的认识已经提升到了前所未有的高度。节能设计的发展也必然要求设计者从更多的切入点，发掘节约能耗的空间。同时，节能又是一项系统工程，某些环节的节能措施可能引发相关环节的变化，因而设计中必须尽可能多的考虑相关因素的影响，使节能效果真正在工程实际运营中得以显现。
由表3可见，隧道的车流量在全天中的变化幅度极大，凌晨与早晚高峰小时的流量可相差10倍以上。采用变频调速，以适应不同工况下的需风量，有节约能耗的巨大潜力。
轴流风机若要应用变频调速技术，还需在风机叶片、电机硬件方面进行一定的调整，校核风机变频工作的性能曲线，使之适应各工况的风量、风压要求，以保证正常运行。5 隧道通风系统控制
隧道通风系统的控制目标，是以最小的电力消耗来维持隧道内良好的视觉环境，控制空气污染物浓度低于设计限值。在设计及实际运营中，国内外隧道通风所采用的控制方法主要有：手动控制法、程序控制法（开环控制）、后馈控制法（闭环控制）及前馈控制法（闭环控制）。应当根据具体隧道工程的特点，选择适当的控制方式，或是几项控制方式结合使用，以达到节约能耗，便于操作的目的。
手动控制和程序控制法适用于隧道长度短，通风模式简单，车流量变化具有一定周期性特征的隧道。对于通风模式较为复杂的长、大隧道而言，随着隧道实际流量、污染物浓度等情况的变化，进行实时调整的闭环控制模式则更具优势。
传统的闭环控制大多采用后馈控制法。简单地说，就是将隧道内实时测得的CO和U/I数据，传送给控制器，通过程序计算，控制、调整设备的运行模式。
参考文献：
[1] 杨洪海,崔兴华.公路隧道纵向通风系统射流风机选型计算[J]. 风
机技术, 2000(2): 17-19,41.
[2] 何川,李祖伟,方勇,等.公路隧道通风系统的前馈式智能模糊控
制[J].西南交通大学学报,2005(5): 575-579.
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