一種隧道通風動態排風方法和裝置的制造方法

一種隧道通風動態排風方法和裝置的制造方法
【專利摘要】本發明屬于公路隧道通風領域，并公開了一種隧道通風動態排風方法和裝置，其利用設于隧道內的兩組集中排風口實現隧道的動態排風，其中一組集中排風口設置在距離隧道出口的100m～200m位置處，其排風模式為分流型通風井排出式，另一組集中排風口設置在與隧道出口距離為隧道全長的15％～20％位置處，其排風模式為合流型通風井排出式。本發明可以根據交通狀況智能選擇更低能耗的排風方式，豐富了隧道排風方式，實現了隧道通風的動態調節，既保證了隧道內空氣質量，又最大限度地節省了風機運行能耗。
【專利說明】
-種隧道通風動態排風方法和裝置
技術領域
[0001] 本發明屬于公路隧道通風領域，具體設及的是一種組合型公路隧道機械排風的方 法和裝置，更具體地，是設及一種隧道通風動態排風方法和裝置。
【背景技術】
[0002] 在公路隧道中，汽車行駛在隧道內時不斷排放尾氣，致使隧道內C0、N0x及顆粒物 等有害物濃度顯著升高。目前，公路隧道內廢氣排放最常用的方法是桐口直接排放和風塔 高空排放。其中，桐口直接排放適用于山嶺隧道和長度較短的城市交通隧道;風塔高空排放 在城市交通隧道中應用廣泛，由于城市隧道桐口往往為商業和居民區等環境敏感區，采用 風塔高空排放的方式可W有效保護周圍環境敏感點，總體造價低，是一種簡單可靠的排風 方式，也是目前國內城市隧道采用的主要排風方式。
[0003] 目前對于風塔高空排放方式，通常首先根據城市規劃、景觀、環評等要求確定排風 塔位置，然后再由排風塔位置就近確定排風機房位置，最后由排風機房位置就近確定集中 排風口位置，通過集中排風口將隧道分為入口段和出口段兩個通風區段，排風口可設于距 隧道出口較近或較遠位置處。對于風塔集中排污方式，有風塔分流排污和合流排污兩種運 營模式，兩種方式獨立運行，分流排污方式適用于行車速度較高的正常行車工況，合流排污 適用于行車速度較低的阻滯運營工況。
[0004] 然而，現有的兩種獨立運行的排風方式存在W下兩個弊端：
[0005] 1)在排風口距離隧道出口較近時，當僅采用風塔合流排污方式會導致出口段的氣 流短路，造成運行能耗的增加，具體原因是阻滯運營工況下隧道內車速較低，交通通風力作 為阻力考慮，需開啟射流風機輔助通風，由于入口段長度遠大于出口段長度，因此合流排污 時會出現氣流短路，大部分廢氣由出口通過風塔排放，為了滿足入口段需風量要求，需進一 步增加入口段射流風機開啟臺數或增大風塔內排風量，由此會導致運行費用增加；
[0006] 2)在排風口距隧道出口較遠時，當僅采用風塔分流排污方式會造成入口段、出口 段和風塔排風量的增加，造成運行費用的增加，具體原因是由于出口段長度較長，為了滿足 出口段新風量和隧道桐口的環境空氣質量要求，需增加出口段的通風量，并且應降低排風 塔處的污染物濃度；由于風塔處污染物濃度的降低，并且排風口距離出口較遠，為了保證風 塔排放的廢氣量滿足要求，需增加風塔的排風量，同時由于風塔排放的污染物濃度較低，隧 道入口段的新風未能有效利用就排出隧道，進一步造成了能耗的浪費；另外，由于出口段和 排風塔內風量同時增加，因此入口段風量也需相應增加。
[0007] 綜上，當排風口距隧道出口較遠或較近時，僅采用風塔合流排污方式或風塔分流 排污方式進行隧道排污，都需要增大風塔排風量，增加運行能耗和運行成本。因此，急需設 計一種適用于隧道通風的動態排風方法和裝置，在滿足隧道排風需要的同時，有效降低運 行成本與能耗。

【發明內容】

[000引針對現有技術的W上缺陷或改進需求，本發明提供了一種隧道通風動態排風方法 和裝置，其中結合不同交通工況下隧道排風的特點，相應設計了適用于隧道通風的動態排 風方法及裝置，其通過在隧道的兩處設置兩組不同的集中排風口，W根據隧道內不同的交 通工況W節能和保證隧道內空氣質量為標準啟用不同的排風口，豐富了隧道排風方式，實 現了隧道通風的動態調節，既保證了隧道內空氣質量，又最大限度地節省了風機運行能耗， 具有實施方便、運營成本低等優點，且能有效節能。
[0009] 為實現上述目的，按照本發明的一個方面，提出了一種隧道通風動態排風方法，在 隧道內開設有兩組集中排風口，其中一組為分流排風口，其設置在距離隧道出口的l〇〇m~ 200m位置處，該分流排風口的排風模式為分流型通風井排出式；另一組集中排風口為合流 排風口，其設置在與隧道出口的距離為隧道全長的15%~20%位置處，該合流排風口的排 風模式為合流型通風井排出式；當隧道內的平均車速大于等于40km/h時，開啟分流排風口 W采用分流排放模式進行排風，當隧道內的車速低于40km/h時，開啟合流排風口 W采用合 流排放模式進行排風。
[0010] 作為進一步優選的，分流排風口的排污量不小于70%，合流排風口的排污量為 100%。
[0011] 作為進一步優選的，所述分流型通風井排出式具體為隧道交通通風力作為排 風動力，隧道內污染物一部分從排風口排出，一部分從隧道出口排出。
[0012] 作為進一步優選的，所述合流型通風井排出式具體為隧道交通通風力作為排 風阻力，隧道內污染物均從排風口排出。
[0013] 按照本發明的另一方面，提供了一種隧道通風動態排風裝置，該裝置包括設于隧 道內的兩組集中排風口，其中一組集中排風口為分流排風口，其設置在距離隧道出口的 100m~200m位置處，該組排風口的排風模式為分流型通風井排出式；另一組集中排風口為 合流排風口，其設置在與隧道出口距離為隧道全長的15%~20%位置處，該組排風口的排 風模式為合流型通風井排出式;兩組集中排風口的一端均與隧道相連，另一端均通過聯絡 風道與排風機房W及排風塔相連。
[0014] 作為進一步優選的，所述分流排風口優選設置在距離隧道出口的150m位置處。
[0015] 作為進一步優選的，所述合流排風口優選設置在與隧道出口距離為隧道全長的 18 %位置處。
[0016] 作為進一步優選的，當隧道內的平均車速大于等于40km/h時，開啟分流排風口 W 采用分流排放模式進行排風，當隧道內的車速低于40km/h時，開啟合流排風口 W采用合流 排放模式進行排風。
[0017] 總體而言，通過本發明所構思的W上技術方案與現有技術相比，主要具備W下的 技術優點：
[0018] 1.本發明通過在隧道內不同處設置兩組專用的排風口，并分別用于風塔合流排污 和風塔分流排污，且可根據隧道不同運營通風工況，選擇開啟對應工況下的排風口，有效實 現隧道通風系統的節能運行，相比傳統通風方式，其節能率可達5%~10%，實用性較強。
[0019] 2.本發明通過研究與試驗，獲得兩組排風口的最佳設置位置，其中分流排風口設 置在距離隧道出口的100m~200m位置處，合流排風口設置在與隧道出口距離為隧道全長的 15%~20%位置處，并獲得排風模式切換的最佳參數，即W隧道內的平均車速作為選擇排 風模式的依據，可實現隧道的最佳排風，且能耗最低。
[0020] 3.本發明在正常行車工況時采用風塔分流排污方式，開啟分流排風口，關閉合流 排風口，風塔排污量不少于隧道全長污染物總量的70% ;阻滯行車工況時采用風塔合流排 污方式，關閉分流排風口，開啟合流排風口，根據不同通風工況對應開啟不同的排風口，可 有效實現隧道通風系統的動態調節，調節模式簡單、操作方便。
[0021] 4.本發明具有功能多樣結構簡單的優點，本發明在功能上既可W實現分流排污又 可W實現合流排污，在結構上相比于傳統的排風井只需增加一組排風口，兩種排風模式下 共用一套排風機，兩組排風口相互配合與協調，實現隧道內的智能動態排風。
[0022] 5.本發明利用人工智能可W在任一交通狀況下選擇較為節能的模式進行運行，并 且根據實際排污效果對運行模式進行修正，在節能的同時也保障了隧道內的空氣品質。
[0023] 6.本發明在合流排風口的選擇上充分考慮了節能的目標，W兩側壓力平衡點作為 排風口安裝點，避免了典型阻塞交通工況下壓力不平衡開啟射流風機增加的電耗。
【附圖說明】
[0024] 圖1是本發明實施例提供的一種隧道通風動態排風裝置的結構示意圖。
【具體實施方式】
[0025] 為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，W下結合附圖及實施例，對 本發明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用W解釋本發明，并 不用于限定本發明。此外，下面所描述的本發明各個實施方式中所設及到的技術特征只要 彼此之間未構成沖突就可W相互組合。
[0026] 本發明的基本原理是利用設于隧道內的兩組集中排風口實現隧道的動態排風，其 中一組適用于分流排放工況，另一組適用于合流排放工況，根據隧道內不同的交通工況，合 理的開啟對應的排風口，實現風塔合流排污與分流排污兩種排污方式的合理利用，進而實 現隧道通風的動態調節，具有調節方便，運營成本低，節能效果好等優點。
[0027] 如圖1所示，本發明實施例提供的一種隧道通風動態排風裝置，該裝置布置在隧道 1的內部，用于實現隧道內的通風，該隧道1設有隧道進口 2和隧道出口 3,行車方向從隧道進 口向隧道出口延伸，所述排風裝置包括設于隧道內的兩組集中排風口，其中一組集中排風 口設置在距離隧道出口 3的100m~200m位置處，優選設置在距離隧道出口 3的150m位置處， 其采用合流型通風井排出的排風模式進行排風，將該排風口稱為分流排風口 5。
[0028] 具體的，分流型通風井排出式具體是W隧道交通通風力作為排風動力，隧道內污 染物一部分從排風口排出，一部分從隧道出口排出，其排污量不小于70 %。
[0029] 其中，分流排風口5具體設置位置的選擇采用如下方式進行確定：
[0030] (1)已知:隧道信息、車流量、車速
[0031] (2)假設:隧道入口段到排風口處為1段，排風口段到隧道出口段為2段，排風口到 排風塔出口為3段，在隧道進口、排風口和隧道出口處分別設置污染物濃度傳感器，測得的 污染物濃度分別為圳、心02，入口段和出口段實際通風量分別為化、92。
[0032] (3)設計計算:分流排風口位置的確定
[0033] (3.1)為保證桐口環境要求，通常風塔排污量不小于隧道內污染物總量的70%，由 于隧道內車速較高，車輛行駛產生的活塞風較大，其余污染物通過隧道桐口排出，則有：
[0034] 排風口污染物排出量/隧道整體污染物產生量>70%
[0035]
[0036] (3.2)考慮排風口位置對隧道運營通風能耗的影響，假設排風口分別在而 且有1/ ，兩種工況下隧道出口處污染物濃度均按隧道設計濃度考慮，風塔排污量均按 70%考慮；
[0037] 根據出口處污染物濃度均按隧道設計濃度條件可得:C2 = c/2 [003引由于L' i<Li，因此有：Q' 2〉Q2，C' 1《Cl
[0039]將兩種工況分別按照a計算豎井排污量，則有：
[0043] 可見:U越大，也就是排風機越靠近隧道出口，豎井風量越小，越節能。[0044] 當(A = ci時，化簡上式可得：
[004C
[0041
[004;
[0045]
[0046] 可見:Li越大，也就是排風口越靠近隧道出口，豎井風量越小，越節能。通過上述理 論計算可W發現:在相同的風塔排污效果情況下，排風口越靠近隧道出口，豎井風量越小， 越節能。
[0047] 上述計算中按車流量為恒定的車流考慮，由于實際情況中車流不斷發生變化，在 出口段沒有車通過時，隧道出口氣流會出現短路，從風塔排出，因此，排風口不宜設置在隧 道出口，根據實際的工程經驗得出分流排風口的安裝位置設置在距隧道出口 l〇〇m-200m處 排風效果最佳。
[004引另一組集中排風口設置在與隧道出口 3之間的距離為隧道1全長的15%~20%位 置處，優選設置在與隧道出口 3之間的距離為隧道全長的18%位置處，其采用合流型通風井 排風模式排出排風，將該排風口稱為合流排風口 6。
[0049] 具體的，合流型通風井排風式W隧道交通通風力作為排風阻力，隧道內污染物均 從排風口排出，其排污量為100 %。
[0050] 其中，合流排風口6具體設置位置的選擇采用如下方式進行確定：
[0051 ] (1)已知:隧道信息、車流量、車速
[0052] (2)假設:隧道入口段到排風口處為1段，排風口段到隧道出口段為2段，排風口到 排風塔出口為3段
[0053] (3)設計計算:合流排風口位置的確定
[0054] 由于合流排風口的位置會影響風口兩側的壓力分布和排風口流量，根據數學導函 數的性質可W知道當合流排風口置于可W使兩側壓力平衡的位置時，兩側的實際通風量與 設計需風量相等，此時排風口風量最小，為隧道全長的設計需風量，通風系統能耗最小，該 風口為最優位置。
[0055] (3.1)不考慮隧道內射流風機時，通風井底部合流后的全壓計算方法為：
[0056] 全壓=自然通風力+隧道交通通風力-隧道通風阻力；
[0化7] p= Apigi+Apt廣 Aprl= Apig2+Apt廣 Apir2;
[0化引（3.2)自然通風力A pgi和A Pg2的計算方法為：
[0化9]
[0060]
[0061] 式中：P為空氣密度;Ce為隧道入口和出口的局部阻力系數;Ar為隧道沿阻力系數； ^和12分別為風機左右兩側隧道長;Dr為隧道斷面當量直徑，Dr = 4 ? Ar/Cr;Ar為隧道凈空斷 面積;Cr為隧道斷面周長;vn可取2-3m/s;對于已知隧道，自然風阻力只與^和12有關。
[0062] (3.3)隧道交通通風力Aptl和Apt2的計算方法為：
[0063]
[0064]
[0065] 式中：Am為汽車等效阻抗面積;VI和V2分別為隧道左右兩側通風風速;n+i為隧道進 口段內與VI同向的車輛數，n+i = N ? Li/3600/vt;vt為各工況車速;N為隧道小時交通量;n-2為 隧道左側內與V2反向的車輛數，n-2 = N ? l2/3600/vt;對于已知隧道，在車速和車流量已定的 情況下，交通通風力只與VI和V2有關，為了使排風口風量最小，進口段和出口段通風量等于 設計需風量，而需風量與隧道坡度、長度、交通量、車速、地理位置等有關，在隧道坡度、交通 量、車速等已知的情況下，需風量只與長度有關，因此VI和V2只與長度有關，進而交通通風力 只與長度^和12有關。
[0066] (3.4)隧道通風阻力A化1和A化2的計算方法為：
[0069] 式中：材-3和&-3分別為W通風井內風速為基準的左右兩側的損失系數;V3為通
[0067]
[006引 風井內的斷面平均風速;根據VI和V2W及風量守恒原則，可W推算出V3,則通風阻力只與^ 和L2有關。
[0070] (3.5)將(3.2)、（3.3)、（3.4)中的式子代入(3.1)等式中，經過化簡，可^得到^和 L2的一個二元一次方程，進而可W得到^和12的相對關系，得到最優排風口的位置。
[0071] (4)計算結果:在隧道車流量和車速已知的情況下，合流排風口的最優位置可W根 據W上計算結果得到。根據隧道預測交通量和行車速度，計算得到每種不同工況下的排風 口位置，結合不同行車速度下的時間分配比例，從全天候系統節能運營的角度考慮，可W確 定合流排風口的最優安裝位置。根據多個典型工程的實際計算結果，本發明將最優排風口 設置在與隧道出口處的距離等于隧道全長的15%-20%范圍內。
[0072] 進一步的，分流排風口 5和合流排風口 6的一端均與隧道1相連，W此通過排風口將 隧道內的廢氣污染物吸入動態排風裝置中，分流排風口 5和合流排風口6的另一端均與聯絡 風道7相連，該聯絡風道7與排風機房4相連，該排風機房4上設置有排風塔8，由此經排風口 進入排風裝置的廢氣經聯絡風道7進入排風機房4內，然后經排風塔8排出隧道。
[0073] 具體的，聯絡風道7用于將正常行車排風口 5和阻塞行車排風口 6集成在排風機房4 上，兩組排風口只需一套排風機房即可，減少裝置成本，簡化裝置結構。
[0074] 本發明對于任意一種交通工況，可W進行節能判定，智能選擇排風模式與開啟合 適的排風口，實現裝置的節能運行，其中運行的過程主要依據W下邏輯進行:根據分流和合 流模式下排風口的位置，確定排風塔風量和風機阻力，并進行節能判定，選擇采用分流排放 或合流排放模式進行排風，確定具體排風口的開啟位置。具體的，排風裝置安裝后，其分流 排風口與合流排風口的位置已定，根據該位置確定分流與合流模式下排風塔風量和風機阻 力，計算兩種模式下通風系統能耗，能耗較小的模式作為系統的排風模式。
[0075] 根據多個工程的相關計算并經過反復驗證，發現排風模式主要與車速有關，當車 速大于等于40km/h時(通常稱之為正常行車工況)采用分流排放模式進行排風較為節能，當 車速低于40km/h時(通常稱之為阻滯工況)采用合流排放模式進行排風較為節能，因此本發 明根據隧道內的行車速度即可智能的選擇排風模式，開啟相應的排風口。
[0076] 下面對本發明的隧道通風動態排風裝置的具體操作方式進行詳細的說明。
[0077] 對于一條具體的隧道，首先，確定最優的分流排放和合流排放模式的通風口設置 位置，對分流排放模式與合流排放模式兩種模式的排風機風量、全壓和通風系統運行能耗 進行計算，運行能耗最小的模式為系統采用的排風模式，進而確定開啟分流排風口或開啟 合流排風口。實際操作時，根據隧道內的平均車速確定合適的排風口，當隧道內的平均車速 大于等于40km/h時，開啟分流排風口 W采用分流排放模式進行排風，當隧道內的車速低于 40km/h時，開啟合流排風口 W采用合流排放模式進行排風。
[0078] 本發明實現了公路隧道運營通風的動態排風，可根據隧道不同運營工況對應開啟 相應的排風口，正常行車工況時，關閉合流排風口，開啟分流排風口，阻塞行車工況時，關閉 分流排風口，開啟合流排風口，在同樣的運營方案下，比傳統通風方式更節能，節能率可達 5%~10%。
[0079] 本領域的技術人員容易理解，W上所述僅為本發明的較佳實施例而已，并不用W 限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含 在本發明的保護范圍之內。
【主權項】
1. 一種隧道通風動態排風方法，其特征在于，在隧道內開設有兩組集中排風口，其中一 組為分流排風口，其設置在距離隧道出口的loom~200m位置處，該分流排風口的排風模式 為分流型通風井排出式；另一組集中排風口為合流排風口，其設置在與隧道出口的距離為 隧道全長的15 %~20%位置處，該合流排風口的排風模式為合流型通風井排出式；當隧道 內的平均車速大于等于40km/h時，開啟分流排風口以采用分流排放模式進行排風，當隧道 內的車速低于40km/h時，開啟合流排風口以采用合流排放模式進行排風。2. 如權利要求1所述的隧道通風動態排風方法，其特征在于，分流排風口的排污量不小 于70%，合流排風口的排污量為100%。3. 如權利要求1或2所述的隧道通風動態排風方法，其特征在于，所述分流型通風井排 出式具體為：以隧道交通通風力作為排風動力，隧道內污染物一部分從排風口排出，一部分 從隧道出口排出。4. 如權利要求1-3任一項所述的隧道通風動態排風方法，其特征在于，所述合流型通風 井排出式具體為：以隧道交通通風力作為排風阻力，隧道內污染物均從排風口排出。5. -種隧道通風動態排風裝置，其特征在于，該裝置包括設于隧道內的兩組集中排風 口，其中一組集中排風口為分流排風口，其設置在距離隧道出口的1 〇〇m~200m位置處，該組 排風口的排風模式為分流型通風井排出式；另一組集中排風口為合流排風口，其設置在與 隧道出口距離為隧道全長的15%~20 %位置處，該組排風口的排風模式為合流型通風井排 出式;兩組集中排風口的一端均與隧道(1)相連，另一端均通過聯絡風道(7)與排風機房(4) 以及排風塔(8)相連。6. 如權利要求5所述的隧道通風動態排風裝置，其特征在于，所述分流排風口優選設置 在距離隧道出口的150m位置處。7. 如權利要求5或6所述的隧道通風動態排風裝置，其特征在于，所述合流排風口優選 設置在與隧道出口距離為隧道全長的18%位置處。8. 如權利要求5-7任一項所述的隧道通風動態排風裝置，其特征在于，當隧道內的平均 車速大于等于40km/h時，開啟分流排風口以采用分流排放模式進行排風，當隧道內的車速 低于40km/h時，開啟合流排風口以采用合流排放模式進行排風。
【文檔編號】E21F1/00GK106050291SQ201610591028
【公開日】2016年10月26日
【申請日】2016年7月26日 公開號201610591028.6, CN 106050291 A, CN 106050291A, CN 201610591028, CN-A-106050291, CN106050291 A, CN106050291A, CN201610591028, CN201610591028.6
【發明人】車輪飛, 肖明清, 蔡崇慶, 陳玉遠, 甘甜, 劉俊, 唐凱, 劉健
【申請人】中鐵第四勘察設計院集團有限公司