山區(qū)公路隧道的通風(fēng)設(shè)計與節(jié)能

胡光輝

重慶渝黔高速公路有限公司，中國·重慶 401336

1 引言

在公路建設(shè)規(guī)模逐漸擴(kuò)增的趨勢下，為群眾日常出行和交通運輸提供了可靠的基礎(chǔ)保障，尤其是山區(qū)公路也在增多，會受到多種外界環(huán)境因素的影響，加大了建設(shè)的難度。隧道的長度和跨度也在拓展，如何確定合理的通風(fēng)方案，是目前工程項目建設(shè)中的主要難題，會對施工作業(yè)環(huán)境和救災(zāi)工作質(zhì)量等產(chǎn)生直接影響。隧道內(nèi)的瓦斯氣體等是威脅施工安全的主要因素，在通風(fēng)設(shè)計中就是將相關(guān)氣體排出隧道，同時提供更多的新風(fēng)，將濃度控制在無害標(biāo)準(zhǔn)以內(nèi)。通風(fēng)系統(tǒng)的運行能耗較大，為了促進(jìn)公路工程的綠色化發(fā)展，需要采取有效的節(jié)能措施對系統(tǒng)功能實施優(yōu)化和改進(jìn)，在保障空氣質(zhì)量的前提下提高資源利用率。

2 山區(qū)公路隧道的通風(fēng)設(shè)計原則

2.1 安全性

安全性是通風(fēng)設(shè)計的首要原則，需要確保隧道內(nèi)工作人員和設(shè)備的安全性，預(yù)防重大事故問題，這也是保障公路隧道工程質(zhì)量的關(guān)鍵。需要遵循以人為本的原則，全面檢查各類通風(fēng)設(shè)備和系統(tǒng)的運行狀況，防止設(shè)備故障而造成碰撞事故和墜落事故等，確定最佳通風(fēng)形式，在提高設(shè)備利用率的同時，降低隧道施工和通風(fēng)作業(yè)中的事故率。隧道安全隱患較多，受到有毒有害氣體、隧道巖體和機(jī)械設(shè)備等因素的影響，因此在安全性設(shè)計中應(yīng)該做到預(yù)防為主、防治結(jié)合，特別是在前期設(shè)計和后期運維管理中，應(yīng)該對通風(fēng)系統(tǒng)中的各類風(fēng)險隱患進(jìn)行排查與識別，及時采取事前控制措施，起到防患于未然的作用。明確不同通風(fēng)方式的特點，結(jié)合隧道施工的具體要求加以選擇與優(yōu)化設(shè)計。

2.2 標(biāo)準(zhǔn)性

標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)也是通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計的基本原則，特別是技術(shù)手段逐漸增多的趨勢下，更應(yīng)該制定完善的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和方案，確保在整個設(shè)計過程中的規(guī)范性。在確定最佳通風(fēng)設(shè)備的基礎(chǔ)上，還要對系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和空間布局實施優(yōu)化，了解隧道的使用需求和車輛狀況，提升通風(fēng)系統(tǒng)的合理性，防止發(fā)生嚴(yán)重的事故。綜合考量隧道的結(jié)構(gòu)特點和運行要求，重點分析系統(tǒng)的動力調(diào)控特點，同時采取變頻控制的方式優(yōu)化設(shè)備運行狀態(tài)，實現(xiàn)節(jié)能環(huán)保的目標(biāo)。

2.3 經(jīng)濟(jì)性

除了要考慮到技術(shù)方面和安全方面的要求外，還應(yīng)該在隧道通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計中考慮經(jīng)濟(jì)性要素，降低整體成本投入，無論是在建設(shè)中還是在后期運行中，都應(yīng)該以最小的投入獲得最大的效益。注重對各類資源的優(yōu)化配置，包括資金、能源、技術(shù)和人員等，對各個設(shè)計方案進(jìn)行對比分析，以解決重點環(huán)節(jié)的能耗過高問題，落實可持續(xù)發(fā)展的理念要求。

3 山區(qū)公路隧道的通風(fēng)設(shè)計要點

3.1 確定通風(fēng)方式

在確定通風(fēng)方式時，需要全面了解隧道的基本特點，分析有毒有害氣體的類型、濃度和變化情況等，以保障通風(fēng)方式的合理性，降低通風(fēng)設(shè)計的難度，改善施工作業(yè)環(huán)境。其中，機(jī)械通風(fēng)和自然通風(fēng)是兩種基本通風(fēng)方式，前者主要是利用機(jī)械設(shè)備加快隧道內(nèi)的空氣流動，以提高通風(fēng)效率；后者則主要依靠自然風(fēng)控制有多有害氣體的濃度狀況。機(jī)械通風(fēng)的方式效率更高，而且也可以降低外界環(huán)境因素的影響，包括了地形地貌、氣候狀況等，主要包括橫向式通風(fēng)、縱向式通風(fēng)和半橫式通風(fēng)等類型。在采用縱向式通風(fēng)模式時，可以在通風(fēng)機(jī)的作用下將新風(fēng)送入車道當(dāng)中，污濁氣體則可以實現(xiàn)縱向流動，進(jìn)而達(dá)到稀釋濃度的目的。相較于其他通風(fēng)形式而言，縱向式通風(fēng)的經(jīng)濟(jì)性較好，但是也存在一定的局限性，像在出口位置會造成有毒有害氣體的累積，導(dǎo)致濃度增大，對施工作業(yè)產(chǎn)生危害?？v向式通風(fēng)也會受到火災(zāi)的威脅，會加劇火勢的嚴(yán)重性，縱向蔓延速度加快，給火災(zāi)撲救工作造成困難[1]。在單向行車的公路隧道中，縱向式通風(fēng)模式的應(yīng)用效果較好。通過車道底板的進(jìn)氣口，可以橫向輸入新鮮的空氣，進(jìn)而對隧道內(nèi)的有毒有害氣體加以稀釋和排出，這是橫向式通風(fēng)的主要原理，該方式對于火災(zāi)的控制效果較好，防止造成局部范圍內(nèi)有毒有害氣體的累積，如果公路隧道的距離較長，則可以采用橫向式通風(fēng)模式，但是經(jīng)濟(jì)性相對較差。半橫向式通風(fēng)的方式運用一條風(fēng)道滿足進(jìn)風(fēng)需求，通過車道縱向?qū)τ卸居泻怏w進(jìn)行排出，當(dāng)隧道距離不超過3000m 且在1000m 以上時，可以采用該通風(fēng)模式。

3.2 資料收集與計算

對于各類資料和文件的收集與整理，也能夠為隧道通風(fēng)設(shè)計提供可靠的依據(jù)，基礎(chǔ)資料主要包括了交通資料、地形資料、地質(zhì)資料、地物資料和氣象資料等，防止在設(shè)計中出現(xiàn)盲目性的問題，確保系統(tǒng)功能的實用性，同時降低對周圍環(huán)境的影響。在前期要做好全面的調(diào)查分析工作，了解通風(fēng)豎井的設(shè)計要求，合理計算氣壓值、氣溫值等，為設(shè)備選型提供幫助。在需風(fēng)量計算過程中，還應(yīng)該全面了解未來車輛的通行需求，避免造成系統(tǒng)能耗不斷升高的狀況。一氧化碳是隧道中的主要有毒氣體，會對人體健康安全形成威脅，在計算全長稀釋一氧化碳的需風(fēng)量時，應(yīng)該獲取各項參數(shù)值，包括隧道氣壓值[2]。標(biāo)準(zhǔn)氣溫值。隧道夏季設(shè)計氣溫值和標(biāo)準(zhǔn)大氣壓等等，嚴(yán)格按照相關(guān)公式計算。煙霧也是威脅施工作業(yè)和人員安全的關(guān)鍵，在稀釋煙霧的需風(fēng)量計算中，應(yīng)該確定最佳的煙霧設(shè)計密度。去除空氣中的異味，也是通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計的主要目的，需要控制換氣頻率在5 次/小時以上，如果隧道長度不大則可以適當(dāng)降低頻次，控制在3～4次/小時左右。在縱向式通風(fēng)模式下，還應(yīng)該確定最佳風(fēng)速值，一般在2.5m/s 以上。

3.3 風(fēng)機(jī)選擇與結(jié)構(gòu)設(shè)計

風(fēng)機(jī)的類型是決定通風(fēng)系統(tǒng)運行狀態(tài)的主要因素，因此應(yīng)該加強(qiáng)對選型過程的嚴(yán)格把控。射流風(fēng)機(jī)和軸流風(fēng)機(jī)是目前常見的兩種風(fēng)機(jī)類型，需要做好全面分析和評估，了解具體的規(guī)格、型號、運轉(zhuǎn)方式和轉(zhuǎn)速、葉片安裝角度等，確保在整個使用過程中能夠獲得充足的風(fēng)量，提高設(shè)備的運轉(zhuǎn)效率，降低成本投入[3]。射流風(fēng)機(jī)是目前隧道通風(fēng)中的良好選擇，經(jīng)濟(jì)性特點顯著，除了可以滿足通風(fēng)需求外，還能夠為火災(zāi)救援中的排煙工作提供支持。

4 山區(qū)公路隧道的通風(fēng)節(jié)能措施

4.1 首選自然通風(fēng)

在通風(fēng)系統(tǒng)的節(jié)能設(shè)計中，應(yīng)該優(yōu)先選擇自然通風(fēng)的方式，可以降低設(shè)備和系統(tǒng)的運行能耗，具有經(jīng)濟(jì)性特點。在該通風(fēng)模式下，可以發(fā)揮自然風(fēng)和汽車活塞作用，以實現(xiàn)煙塵和有毒有害氣體的排出與稀釋，達(dá)到改善隧道空氣質(zhì)量的目的。該方式不需要設(shè)置額外的設(shè)備，成本更低，具有便捷性特點，通風(fēng)口的分散程度更高，因此滿足了分散排放的需求，可以為軸流風(fēng)機(jī)的安裝和土建工作創(chuàng)造條件[4]。在構(gòu)建自然通風(fēng)模式時，需要對隧道周圍的環(huán)境狀況進(jìn)行全面分析和評估，了解具體的地形地貌和隧道走向、氣候狀況等，確定最佳風(fēng)口數(shù)量。在設(shè)計工作當(dāng)中，還要做好通風(fēng)口的優(yōu)化，防止加強(qiáng)照明而導(dǎo)致能耗增大。

4.2 引入靜電除塵技術(shù)

煙霧控制是通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計中的基本功能，尤其是要關(guān)注隧道內(nèi)部煙塵的處理，因此可以引入靜電除塵技術(shù)優(yōu)化環(huán)境狀況。該系統(tǒng)主要分為除塵機(jī)和相關(guān)附屬設(shè)備，為了提高除塵工作的效率與質(zhì)量，需要合理選擇各類設(shè)備的性能參數(shù)，比如高壓發(fā)生機(jī)和水處理裝置、計測器、控制器和送風(fēng)機(jī)等。在高壓靜電場的作用下，能夠?qū)崿F(xiàn)含塵氣體的有效分離，從而促進(jìn)負(fù)離子和塵粒的有效融合，再通過陽電極對其進(jìn)行沉積集中處理。集塵板的應(yīng)用能夠滿足高效化處理的要求，同時隨著塵粒數(shù)量的增多，可以運用清灰裝置進(jìn)行清理，防止對設(shè)備的性能產(chǎn)生影響。相較于傳統(tǒng)的除塵手段而言，靜電除塵技術(shù)的效率較高，而且可以滿足大氣量處理的要求，降低了系統(tǒng)的運行能耗，呈現(xiàn)出節(jié)能環(huán)保的特點[5]。同時，靜電除塵裝置在隧道內(nèi)部的應(yīng)用，能夠?qū)π栾L(fēng)量實施控制，所以通風(fēng)系統(tǒng)的運行更加高效，節(jié)約58%左右的費用成本。

4.3 合理布置風(fēng)機(jī)

風(fēng)機(jī)的布置狀況會影響通風(fēng)的整體成效，其中射流風(fēng)機(jī)在實踐中得到廣泛應(yīng)用，該設(shè)備具有良好的靈活性，而且成本投入不大，可以在多種環(huán)境條件下使用。針對隧道的車流狀況，可以對其實施針對性調(diào)節(jié)，確保系統(tǒng)達(dá)到最佳運行狀態(tài)，但是也會降低運行效率。為了消除上述問題對通風(fēng)質(zhì)量的限制，可以對頂板和風(fēng)機(jī)的距離加以優(yōu)化，防止造成較大的射流摩阻，確保獲得良好的升壓效果。在安裝過程中，應(yīng)該對隧道的結(jié)構(gòu)特點進(jìn)行評估，確保在開啟后能夠?qū)⑿嘛L(fēng)送入斷面中，同時對風(fēng)機(jī)的間距實施優(yōu)化，改善風(fēng)機(jī)的運行環(huán)境，設(shè)計人員需要了解橫截面當(dāng)量水力直徑大小，以此為依據(jù)確定最佳間距值，一般不低于10 倍值[6]。

4.4 融合變頻調(diào)速技術(shù)

變頻調(diào)速技術(shù)是一種先進(jìn)的節(jié)能技術(shù)，可以結(jié)合實際通風(fēng)需求對系統(tǒng)的運行狀態(tài)進(jìn)行調(diào)整，防止造成浪費。在逆變器、整流器和控制電路的作用下，實現(xiàn)交流向直流的轉(zhuǎn)換，再對直流實施逆變處理，因此可以有效控制交流異步電機(jī)，通過調(diào)速控制降低設(shè)備能耗[7]。除了能夠增強(qiáng)設(shè)備的可控性之外，變頻調(diào)速技術(shù)也能夠有效延長設(shè)備的使用年限，為無極調(diào)速和軟啟動奠定了保障，噪聲控制效果也十分顯著，避免在通風(fēng)中造成嚴(yán)重的噪聲污染問題。

4.5 優(yōu)化通風(fēng)控制系統(tǒng)

通風(fēng)控制系統(tǒng)能夠針對系統(tǒng)和設(shè)備的運行實施控制，不僅能夠?qū)ξ廴緺顟B(tài)加以調(diào)控，而且可以有效降低電子資源的消耗，同時在應(yīng)對火災(zāi)等情況中也能夠發(fā)揮至關(guān)重要的作用。反饋式控制法是控制系統(tǒng)的常見控制方式，在采用該方法時需要設(shè)置一氧化碳濃度傳感器和煙霧透過率傳感器設(shè)備，設(shè)定預(yù)期的控制標(biāo)準(zhǔn)并對實際情況進(jìn)行監(jiān)測，設(shè)定相應(yīng)的閾值，結(jié)合監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行控制。特別是在風(fēng)機(jī)啟動的過程中，可以結(jié)合采集的數(shù)據(jù)信息確定具體的數(shù)量，在排煙和稀釋一氧化碳濃度的同時，防止啟動過多的設(shè)備而造成能耗升高問題[8]。然而，該方法也存在一定的局限性，尤其是預(yù)測效果不佳，無法達(dá)到提前控制的目的，尤其是一氧化碳濃度和煙霧濃度發(fā)生較大的波動時，會對控制效果產(chǎn)生一定影響。前饋式控制法可以達(dá)到實時化監(jiān)控的目的，采用數(shù)值模擬的方式進(jìn)行預(yù)測，提高控制工作的精準(zhǔn)性和時效性。

5 結(jié)語

通風(fēng)設(shè)計是保障山區(qū)公路隧道施工順利實施的關(guān)鍵，可以創(chuàng)造良好的施工作業(yè)環(huán)境，避免對人員生命健康安全造成威脅，提高隧道施工效率與質(zhì)量。在設(shè)計工作中應(yīng)該遵循安全性、標(biāo)準(zhǔn)性和經(jīng)濟(jì)性的原則，提高通風(fēng)系統(tǒng)的應(yīng)用效果。設(shè)計人員要確定具體的通風(fēng)方式，做好資料收集與計算、風(fēng)機(jī)選擇與結(jié)構(gòu)設(shè)計等工作，編制切實可行的設(shè)計方案。在通風(fēng)形式上優(yōu)先選擇自然通風(fēng)，同時通過引入靜電除塵技術(shù)、合理布置風(fēng)機(jī)、融合變頻調(diào)速技術(shù)和優(yōu)化通風(fēng)控制系統(tǒng)等方式，達(dá)到節(jié)能環(huán)保的效果，降低通風(fēng)系統(tǒng)的能耗，創(chuàng)造良好的經(jīng)濟(jì)效益。