高速公路隧道通風設計的分析研究

黃志偉 彭曉春

摘要：隧道通風系統(tǒng)為隧道運營安全和行車舒適提供有效保障。文章分析了隧道通風計算過程，梳理了隧道通風節(jié)能計算的相關思路，采用模糊控制的隧道通風控制策略，提高隧道行車環(huán)境的安全性和舒適性，降低隧道通風系統(tǒng)的運營成本，從而起到節(jié)能減排的效果。

關鍵詞：隧道通風;模糊控制;節(jié)能減排

0 引言

隨著《廣西高速公路網規(guī)劃（2018—2030年）》的正式發(fā)布，到2030年，廣西高速公路總里程將達到15200km，形成“1環(huán)12橫13縱25聯(lián)”的高速公路網。

越來越多的高速公路向山區(qū)延伸，意味著高速公路橋隧比越來越高，隧道越來越長，由此帶來的高速公路隧道運營成本勢必增加。如何在確保隧道運營安全的基礎上按需通風、有效節(jié)能，成為了迫在眉睫的研究課題。隧道通風系統(tǒng)旨在把隧道內的煙塵和CO、NO2等汽車排放有害氣體排除到隧道外，提供一個有利于行車安全和舒適的環(huán)境。而且，在火災情況下，隧道通風系統(tǒng)會形成定向的空氣流動，壓制火災煙霧避免形成回流，為隧道應急疏散、救援提供有利條件。但隧道通風系統(tǒng)的運行產生了巨大的能耗，如何確保通風計算過程的精確性和通風控制方案的合理性，對降低隧道通風系統(tǒng)的初期投資和運營成本顯得尤為重要。

1 隧道通風設計過程

本文的高速公路隧道通風系統(tǒng)設計參照《隧道通風設計細則》的相關規(guī)定及計算過程。

1.1 初步判定

根據隧道《公路隧道通風設計細則》的規(guī)定：單向交通隧道，當符合式L·N≥2×106時，可設置機械通風;雙向交通隧道，當符合式L·N≥6×105時，可設置機械通風。

制定隧道火災防煙和排煙的設計原則：不同隧道長度（如：L≤1000m、1000m5000m）的高速公路隧道分別采用火災防煙和排煙方式。

1.2 計算特征年的設計交通量

根據預測年度交通量，設計小時交通量系數(shù)和方向不均勻系數(shù)等參數(shù)，計算項目所處路段的設計特征年高峰小時交通量。

1.3 確定設計標準

計算或設定在設計時速下每10km/h一檔的參數(shù)，主要包括隧道內CO允許濃度、隧道煙霧允許濃度、隧道空間不間斷換氣頻率或換氣風速，以及隧道火災熱釋放率和火災臨界風速。

1.4 計算需風量

計算設計時速下每10km/h一檔的稀釋煙塵、CO、換氣的需風量，取其較大者作為設計需風量，另根據火災臨界風速確定火災排煙需風量。

1.5 計算通風力及風機數(shù)量

計算隧道內沿程阻力、局部阻力、自然通風力、交通通風力等，根據風力平衡式：△Pr+△Pm=△Pt+∑△Pj，確定射流風機總升壓力和射流風機數(shù)量。

2 廣西區(qū)內隧道通風系統(tǒng)現(xiàn)狀分析

目前廣西區(qū)內的隧道通風控制系統(tǒng)主要采用的控制方法有反饋控制法、程序控制法。

2.1 反饋控制法

反饋控制法如圖1所示，隧道現(xiàn)場PLC采集CO/NO2、方向風速值，通風系統(tǒng)自動控制程序判斷是否超出閾值，并根據結果自動控制風機的啟停。也可以由本地PLC輸出報警信號至路段監(jiān)控分中心，由監(jiān)控值班人員進行遠程確認后自動控制，或采取遠程手動控制方式。該方法以預先設定的閾值為判定依據，當檢測值超出閾值時，即控制風機運轉一定的時間，使隧道內CO/VI檢測值逐漸接近并低于設定值，改善隧道環(huán)境。

顯然，由于CO/NO2檢測器采用點式采集方式，無法全方位實時反映隧道內實際環(huán)境情況，使采用反饋控制法的隧道通風系統(tǒng)具有一定的延時性。

2.2 程序控制法

基于隧道長時間運營后，運營單位統(tǒng)計不同時段的交通量及隧道內環(huán)境情況，分析隧道內污染物變化規(guī)律后，制定出分時段開啟風機的通風控制策略，將控制策略轉化為通風自動控制程序。該方法靈活性較差，僅適用于污染物規(guī)律性變化的隧道環(huán)境。

3 改進型隧道通風系統(tǒng)研究

考慮隧道阻滯工況和火災工況發(fā)生的概率較低，本文僅對日常運營通風工況進行研究。日常運營隧道通風系統(tǒng)以滿足行車安全性及舒適性為基本準則，通風系統(tǒng)設計與縱坡、隧道長度、時速及交通量存在緊密聯(lián)系。其中，時速和交通量作為變量因子，對隧道通風設計的節(jié)能控制策略研究具有較高價值。

總結設計經驗，長度<4km的隧道憑借活塞風的作用即可滿足隧道日常運營的通風、除塵、換氣要求;長度>4km的隧道，在交通量達到一定數(shù)值時需要開啟一定數(shù)量的風機進行通風除塵、換氣，并且隨著隧道長度增加，通風除塵成為隧道通風系統(tǒng)的主要功能要求。來賓至都安高速公路的龍灣2號隧道長度約為5km，本文以此為研究對象，分析時速、交通量對于隧道通風系統(tǒng)的擾動關系。

3.1 通風系統(tǒng)-時速關系分析

圖2所示曲線基本規(guī)律包括以下兩點：

（1）近景年

當隧道行車時速>60km/h時，隧道所需風機升壓力<0，即不需要開啟風機;隧道行車時速<60km/h時，隧道行車時速越低，隧道所需風機升壓力越大，開啟的風機也越多。

（2）遠景年

當隧道行車時速處于90～120km/h之間時，行車時速越小，則隧道所需風機升壓力越大;當隧道行車時速處于70～90km/h之間時，行車時速越小，則隧道所需風機升壓力越小;當隧道行車時速處于10～70km/h之間時，行車時速越小，則隧道所需風機升壓力越大。

不同時速下對隧道通風系統(tǒng)的需求不同，基于時速的通風控制策略輸出，可避免通風不足或風能過剩的情況發(fā)生，對精細化控制具有積極意義。

3.2 通風系統(tǒng)-交通量關系分析

如圖3所示，說明交通量和隧道通風系統(tǒng)之間存在最佳平衡點，即當交通量為某個值時，對機械通風驅動力的額外需求最小，直接反映為需開啟的風機數(shù)量最少，當交通量高于或低于該交通量時，即表現(xiàn)為需開啟的通風換氣風機或通風除塵風機數(shù)量的直接增加。

3.3 基于模糊控制決策的通風控制方法

隧道通風需風量和所需射流風機升壓力的變化規(guī)律與隧道行車時速、交通量密切相關，根據二者的變化趨勢，采用模糊化的控制方法進行預測。如圖4所示，輸出最優(yōu)化的通風控制策略，通過動態(tài)調整射流風機運行時間，可實現(xiàn)按需通風，確保隧道行車安全性和舒適性。

（1）實時檢測隧道內行車平均車速，模糊化其變化規(guī)律，作為通風控制系統(tǒng)的輸入因子。

（2）實時檢測隧道內交通量，模糊化其變化規(guī)律，作為通風控制系統(tǒng)的輸入因子。

（3）根據平均車速，動態(tài)調整CO、VI設定值，采用模糊控制策略控制射流風機的運行。

4 結語

本文指出當前隧道通風系統(tǒng)設計存在的不足之處，基于通風設計過程中的數(shù)據分析，提出更為完善的控制設計方案。利用模糊控制決策方法，消除隧道通風不足和能耗過剩的現(xiàn)象，為精細化的運營管理提供可靠的理論基礎和科學技術手段，對不斷完善的智能化運維管理和智慧高速發(fā)展具有積極推進作用。

本文研究的重點在于隧道內行車環(huán)境對通風設計算法的影響，對于隧道外場的環(huán)境變化會給隧道通風系統(tǒng)設計帶來多大影響，目前尚未做深入研究。下一步研究的重點將在以下幾個方面：

（1）隧道洞內外溫度場變化對隧道通風系統(tǒng)的影響。

（2）隧道洞外自然風與隧道通風節(jié)能的關系研究。

（3）隧道照明燈具技術發(fā)展對煙塵設計濃度的取值影響。

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