一种隧道通风动态排风方法和装置

摘要

本发明属于公路隧道通风领域，并公开了一种隧道通风动态排风方法和装置，其利用设于隧道内的两组集中排风口实现隧道的动态排风，其中一组集中排风口设置在距离隧道出口的100m～200m位置处，其排风模式为分流型通风井排出式，另一组集中排风口设置在与隧道出口距离为隧道全长的15％～20％位置处，其排风模式为合流型通风井排出式。本发明可以根据交通状况智能选择更低能耗的排风方式，丰富了隧道排风方式，实现了隧道通风的动态调节，既保证了隧道内空气质量，又最大限度地节省了风机运行能耗。

权利要求

1.一种隧道通风动态排风方法，其特征在于，在隧道内开设有两组集中排风口，其中一组为分流排风口，其设置在距离隧道出口的100m～200m位置处，该分流排风口的排风模式为分流型通风井排出式，其以隧道交通通风力作为排风动力，隧道内污染物一部分从排风口排出，一部分从隧道出口排出；另一组集中排风口为合流排风口，其设置在与隧道出口的距离为隧道全长的15％～20％位置处，该合流排风口的排风模式为合流型通风井排出式，其以隧道交通通风力作为排风阻力，隧道内污染物均从排风口排出；当隧道内的平均车速大于等于40km/h时，开启分流排风口以采用分流排放模式进行排风，当隧道内的车速低于

40km/h时，开启合流排风口以采用合流排放模式进行排风。

2.如权利要求1所述的隧道通风动态排风方法，其特征在于，分流排风口的排污量不小于70％，合流排风口的排污量为100％。

3.一种隧道通风动态排风装置，其特征在于，该装置包括设于隧道内的两组集中排风口，其中一组集中排风口为分流排风口，其设置在距离隧道出口的100m～200m位置处，该组排风口的排风模式为分流型通风井排出式，其以隧道交通通风力作为排风动力，隧道内污染物一部分从排风口排出，一部分从隧道出口排出；另一组集中排风口为合流排风口，其设置在与隧道出口距离为隧道全长的15％～20％位置处，该组排风口的排风模式为合流型通风井排出式，其以隧道交通通风力作为排风阻力，隧道内污染物均从排风口排出；两组集中排风口的一端均与隧道(1)相连，另一端均通过联络风道(7)与排风机房(4)以及排风塔(8)相连。

4.如权利要求3所述的隧道通风动态排风装置，其特征在于，所述分流排风口设置在距离隧道出口的150m位置处。

5.如权利要求4所述的隧道通风动态排风装置，其特征在于，所述合流排风口设置在与隧道出口距离为隧道全长的18％位置处。

6.如权利要求3-5任一项所述的隧道通风动态排风装置，其特征在于，当隧道内的平均车速大于等于40km/h时，开启分流排风口以采用分流排放模式进行排风，当隧道内的车速低于40km/h时，开启合流排风口以采用合流排放模式进行排风。

说明书

一种隧道通风动态排风方法和装置

技术领域

[0001] 本发明属于公路隧道通风领域，具体涉及的是一种组合型公路隧道机械排风的方法和装置，更具体地，是涉及一种隧道通风动态排风方法和装置。

背景技术

[0002] 在公路隧道中，汽车行驶在隧道内时不断排放尾气，致使隧道内CO、NOx及颗粒物等有害物浓度显著升高。目前，公路隧道内废气排放最常用的方法是洞口直接排放和风塔高空排放。其中，洞口直接排放适用于山岭隧道和长度较短的城市交通隧道；风塔高空排放在城市交通隧道中应用广泛，由于城市隧道洞口往往为商业和居民区等环境敏感区，采用风塔高空排放的方式可以有效保护周围环境敏感点，总体造价低，是一种简单可靠的排风方式，也是目前国内城市隧道采用的主要排风方式。

[0003] 目前对于风塔高空排放方式，通常首先根据城市规划、景观、环评等要求确定排风塔位置，然后再由排风塔位置就近确定排风机房位置，最后由排风机房位置就近确定集中排风口位置，通过集中排风口将隧道分为入口段和出口段两个通风区段，排风口可设于距隧道出口较近或较远位置处。对于风塔集中排污方式，有风塔分流排污和合流排污两种运营模式，两种方式独立运行，分流排污方式适用于行车速度较高的正常行车工况，合流排污适用于行车速度较低的阻滞运营工况。

[0004] 然而，现有的两种独立运行的排风方式存在以下两个弊端：

[0005] 1)在排风口距离隧道出口较近时，当仅采用风塔合流排污方式会导致出口段的气流短路，造成运行能耗的增加，具体原因是阻滞运营工况下隧道内车速较低，交通通风力作为阻力考虑，需开启射流风机辅助通风，由于入口段长度远大于出口段长度，因此合流排污时会出现气流短路，大部分废气由出口通过风塔排放，为了满足入口段需风量要求，需进一步增加入口段射流风机开启台数或增大风塔内排风量，由此会导致运行费用增加；

[0006] 2)在排风口距隧道出口较远时，当仅采用风塔分流排污方式会造成入口段、出口段和风塔排风量的增加，造成运行费用的增加，具体原因是由于出口段长度较长，为了满足出口段新风量和隧道洞口的环境空气质量要求，需增加出口段的通风量，并且应降低排风塔处的污染物浓度；由于风塔处污染物浓度的降低，并且排风口距离出口较远，为了保证风塔排放的废气量满足要求，需增加风塔的排风量，同时由于风塔排放的污染物浓度较低，隧道入口段的新风未能有效利用就排出隧道，进一步造成了能耗的浪费；另外，由于出口段和排风塔内风量同时增加，因此入口段风量也需相应增加。

[0007] 综上，当排风口距隧道出口较远或较近时，仅采用风塔合流排污方式或风塔分流排污方式进行隧道排污，都需要增大风塔排风量，增加运行能耗和运行成本。因此，急需设计一种适用于隧道通风的动态排风方法和装置，在满足隧道排风需要的同时，有效降低运行成本与能耗。

发明内容

[0008] 针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种隧道通风动态排风方法和装置，其中结合不同交通工况下隧道排风的特点，相应设计了适用于隧道通风的动态排风方法及装置，其通过在隧道的两处设置两组不同的集中排风口，以根据隧道内不同的交通工况以节能和保证隧道内空气质量为标准启用不同的排风口，丰富了隧道排风方式，实现了隧道通风的动态调节，既保证了隧道内空气质量，又最大限度地节省了风机运行能耗，具有实施方便、运营成本低等优点，且能有效节能。

[0009] 为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提出了一种隧道通风动态排风方法，在隧道内开设有两组集中排风口，其中一组为分流排风口，其设置在距离隧道出口的100m～200m位置处，该分流排风口的排风模式为分流型通风井排出式；另一组集中排风口为合流排风口，其设置在与隧道出口的距离为隧道全长的15％～20％位置处，该合流排风口的排风模式为合流型通风井排出式；当隧道内的平均车速大于等于40km/h时，开启分流排风口以采用分流排放模式进行排风，当隧道内的车速低于40km/h时，开启合流排风口以采用合流排放模式进行排风。

[0010] 作为进一步优选的，分流排风口的排污量不小于70％，合流排风口的排污量为100％。

[0011] 作为进一步优选的，所述分流型通风井排出式具体为：以隧道交通通风力作为排风动力，隧道内污染物一部分从排风口排出，一部分从隧道出口排出。

[0012] 作为进一步优选的，所述合流型通风井排出式具体为：以隧道交通通风力作为排风阻力，隧道内污染物均从排风口排出。

[0013] 按照本发明的另一方面，提供了一种隧道通风动态排风装置，该装置包括设于隧道内的两组集中排风口，其中一组集中排风口为分流排风口，其设置在距离隧道出口的100m～200m位置处，该组排风口的排风模式为分流型通风井排出式；另一组集中排风口为合流排风口，其设置在与隧道出口距离为隧道全长的15％～20％位置处，该组排风口的排风模式为合流型通风井排出式；两组集中排风口的一端均与隧道相连，另一端均通过联络风道与排风机房以及排风塔相连。

[0014] 作为进一步优选的，所述分流排风口优选设置在距离隧道出口的150m位置处。

[0015] 作为进一步优选的，所述合流排风口优选设置在与隧道出口距离为隧道全长的18％位置处。

[0016] 作为进一步优选的，当隧道内的平均车速大于等于40km/h时，开启分流排风口以采用分流排放模式进行排风，当隧道内的车速低于40km/h时，开启合流排风口以采用合流排放模式进行排风。

[0017] 总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：

[0018] 1.本发明通过在隧道内不同处设置两组专用的排风口，并分别用于风塔合流排污和风塔分流排污，且可根据隧道不同运营通风工况，选择开启对应工况下的排风口，有效实现隧道通风系统的节能运行，相比传统通风方式，其节能率可达5％～10％，实用性较强。

[0019] 2.本发明通过研究与试验，获得两组排风口的最佳设置位置，其中分流排风口设置在距离隧道出口的100m～200m位置处，合流排风口设置在与隧道出口距离为隧道全长的15％～20％位置处，并获得排风模式切换的最佳参数，即以隧道内的平均车速作为选择排风模式的依据，可实现隧道的最佳排风，且能耗最低。

[0020] 3.本发明在正常行车工况时采用风塔分流排污方式，开启分流排风口，关闭合流排风口，风塔排污量不少于隧道全长污染物总量的70％；阻滞行车工况时采用风塔合流排污方式，关闭分流排风口，开启合流排风口，根据不同通风工况对应开启不同的排风口，可有效实现隧道通风系统的动态调节，调节模式简单、操作方便。

[0021] 4.本发明具有功能多样结构简单的优点，本发明在功能上既可以实现分流排污又可以实现合流排污，在结构上相比于传统的排风井只需增加一组排风口，两种排风模式下共用一套排风机，两组排风口相互配合与协调，实现隧道内的智能动态排风。

[0022] 5.本发明利用人工智能可以在任一交通状况下选择较为节能的模式进行运行，并且根据实际排污效果对运行模式进行修正，在节能的同时也保障了隧道内的空气品质。

[0023] 6.本发明在合流排风口的选择上充分考虑了节能的目标，以两侧压力平衡点作为排风口安装点，避免了典型阻塞交通工况下压力不平衡开启射流风机增加的电耗。

附图说明

[0024] 图1是本发明实施例提供的一种隧道通风动态排风装置的结构示意图。

具体实施方式

[0025] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

[0026] 本发明的基本原理是利用设于隧道内的两组集中排风口实现隧道的动态排风，其中一组适用于分流排放工况，另一组适用于合流排放工况，根据隧道内不同的交通工况，合理的开启对应的排风口，实现风塔合流排污与分流排污两种排污方式的合理利用，进而实现隧道通风的动态调节，具有调节方便，运营成本低，节能效果好等优点。

[0027] 如图1所示，本发明实施例提供的一种隧道通风动态排风装置，该装置布置在隧道1的内部，用于实现隧道内的通风，该隧道1设有隧道进口2和隧道出口3，行车方向从隧道进口向隧道出口延伸，所述排风装置包括设于隧道内的两组集中排风口，其中一组集中排风口设置在距离隧道出口3的100m～200m位置处，优选设置在距离隧道出口3的150m位置处，其采用合流型通风井排出的排风模式进行排风，将该排风口称为分流排风口5。

[0028] 具体的，分流型通风井排出式具体是以隧道交通通风力作为排风动力，隧道内污染物一部分从排风口排出，一部分从隧道出口排出，其排污量不小于70％。

[0029] 其中，分流排风口5具体设置位置的选择采用如下方式进行确定：

[0030] (1)已知：隧道信息、车流量、车速

[0031] (2)假设：隧道入口段到排风口处为1段，排风口段到隧道出口段为2段，排风口到排风塔出口为3段，在隧道进口、排风口和隧道出口处分别设置污染物浓度传感器，测得的污染物浓度分别为c0、c1、c2，入口段和出口段实际通风量分别为Q1、Q2。

[0032] (3)设计计算：分流排风口位置的确定

[0033] (3.1)为保证洞口环境要求，通常风塔排污量不小于隧道内污染物总量的70％，由于隧道内车速较高，车辆行驶产生的活塞风较大，其余污染物通过隧道洞口排出，则有：

[0034] 排风口污染物排出量/隧道整体污染物产生量≥70％

[0035]

[0036] (3.2)考虑排风口位置对隧道运营通风能耗的影响，假设排风口分别在L1，L′1，而且有L′1

[0037] 根据出口处污染物浓度均按隧道设计浓度条件可得:c2＝c′2

[0038] 由于L′1Q2，c′1≤c1

[0039] 将两种工况分别按照a计算竖井排污量，则有：

[0040]

[0041] 当c′1

[0042]

[0043] 可见：L1越大，也就是排风机越靠近隧道出口，竖井风量越小，越节能。

[0044] 当c′1＝c1时，化简上式可得：

[0045]

[0046] 可见：L1越大，也就是排风口越靠近隧道出口，竖井风量越小，越节能。通过上述理论计算可以发现：在相同的风塔排污效果情况下，排风口越靠近隧道出口，竖井风量越小，越节能。

[0047] 上述计算中按车流量为恒定的车流考虑，由于实际情况中车流不断发生变化，在出口段没有车通过时，隧道出口气流会出现短路，从风塔排出，因此，排风口不宜设置在隧道出口，根据实际的工程经验得出分流排风口的安装位置设置在距隧道出口100m-200m处排风效果最佳。

[0048] 另一组集中排风口设置在与隧道出口3之间的距离为隧道1全长的15％～20％位置处，优选设置在与隧道出口3之间的距离为隧道全长的18％位置处，其采用合流型通风井排风模式排出排风，将该排风口称为合流排风口6。

[0049] 具体的，合流型通风井排风式以隧道交通通风力作为排风阻力，隧道内污染物均从排风口排出，其排污量为100％。

[0050] 其中，合流排风口6具体设置位置的选择采用如下方式进行确定：

[0051] (1)已知：隧道信息、车流量、车速

[0052] (2)假设：隧道入口段到排风口处为1段，排风口段到隧道出口段为2段，排风口到排风塔出口为3段

[0053] (3)设计计算：合流排风口位置的确定

[0054] 由于合流排风口的位置会影响风口两侧的压力分布和排风口流量，根据数学导函数的性质可以知道当合流排风口置于可以使两侧压力平衡的位置时，两侧的实际通风量与设计需风量相等，此时排风口风量最小，为隧道全长的设计需风量，通风系统能耗最小，该风口为最优位置。

[0055] (3.1)不考虑隧道内射流风机时，通风井底部合流后的全压计算方法为：

[0056] 全压＝自然通风力+隧道交通通风力-隧道通风阻力；

[0057] p＝Δpg1+Δpt1-Δpr1＝Δpg2+Δpt2-Δpr2；

[0058] (3.2)自然通风力Δpg1和Δpg2的计算方法为：

[0059]

[0060]

[0061] 式中：ρ为空气密度；ζe为隧道入口和出口的局部阻力系数；λr为隧道沿阻力系数；L1和L2分别为风机左右两侧隧道长；Dr为隧道断面当量直径，Dr＝4·Ar/Cr；Ar为隧道净空断面积；Cr为隧道断面周长；vn可取2-3m/s；对于已知隧道，自然风阻力只与L1和L2有关。

[0062] (3.3)隧道交通通风力Δpt1和Δpt2的计算方法为：

[0063]

[0064]

[0065] 式中：Am为汽车等效阻抗面积；v1和v2分别为隧道左右两侧通风风速；n+1为隧道进口段内与v1同向的车辆数，n+1＝N·L1/3600/vt；vt为各工况车速；N为隧道小时交通量；n-2为隧道左侧内与v2反向的车辆数，n-2＝N·L2/3600/vt；对于已知隧道，在车速和车流量已定的情况下，交通通风力只与v1和v2有关，为了使排风口风量最小，进口段和出口段通风量等于设计需风量，而需风量与隧道坡度、长度、交通量、车速、地理位置等有关，在隧道坡度、交通量、车速等已知的情况下，需风量只与长度有关，因此v1和v2只与长度有关，进而交通通风力只与长度L1和L2有关。

[0066] (3.4)隧道通风阻力Δpr1和Δpr2的计算方法为：

[0067]

[0068]

[0069] 式中： 和 分别为以通风井内风速为基准的左右两侧的损失系数；v3为通风井内的断面平均风速；根据v1和v2以及风量守恒原则，可以推算出v3，则通风阻力只与L1和L2有关。

[0070] (3.5)将(3.2)、(3.3)、(3.4)中的式子代入(3.1)等式中，经过化简，可以得到L1和L2的一个二元一次方程，进而可以得到L1和L2的相对关系，得到最优排风口的位置。

[0071] (4)计算结果：在隧道车流量和车速已知的情况下，合流排风口的最优位置可以根据以上计算结果得到。根据隧道预测交通量和行车速度，计算得到每种不同工况下的排风口位置，结合不同行车速度下的时间分配比例，从全天候系统节能运营的角度考虑，可以确定合流排风口的最优安装位置。根据多个典型工程的实际计算结果，本发明将最优排风口设置在与隧道出口处的距离等于隧道全长的15％-20％范围内。

[0072] 进一步的，分流排风口5和合流排风口6的一端均与隧道1相连，以此通过排风口将隧道内的废气污染物吸入动态排风装置中，分流排风口5和合流排风口6的另一端均与联络风道7相连，该联络风道7与排风机房4相连，该排风机房4上设置有排风塔8，由此经排风口进入排风装置的废气经联络风道7进入排风机房4内，然后经排风塔8排出隧道。

[0073] 具体的，联络风道7用于将正常行车排风口5和阻塞行车排风口6集成在排风机房4上，两组排风口只需一套排风机房即可，减少装置成本，简化装置结构。

[0074] 本发明对于任意一种交通工况，可以进行节能判定，智能选择排风模式与开启合适的排风口，实现装置的节能运行，其中运行的过程主要依据以下逻辑进行：根据分流和合流模式下排风口的位置，确定排风塔风量和风机阻力，并进行节能判定，选择采用分流排放或合流排放模式进行排风，确定具体排风口的开启位置。具体的，排风装置安装后，其分流排风口与合流排风口的位置已定，根据该位置确定分流与合流模式下排风塔风量和风机阻力，计算两种模式下通风系统能耗，能耗较小的模式作为系统的排风模式。

[0075] 根据多个工程的相关计算并经过反复验证，发现排风模式主要与车速有关，当车速大于等于40km/h时(通常称之为正常行车工况)采用分流排放模式进行排风较为节能，当车速低于40km/h时(通常称之为阻滞工况)采用合流排放模式进行排风较为节能，因此本发明根据隧道内的行车速度即可智能的选择排风模式，开启相应的排风口。

[0076] 下面对本发明的隧道通风动态排风装置的具体操作方式进行详细的说明。

[0077] 对于一条具体的隧道，首先，确定最优的分流排放和合流排放模式的通风口设置位置，对分流排放模式与合流排放模式两种模式的排风机风量、全压和通风系统运行能耗进行计算，运行能耗最小的模式为系统采用的排风模式，进而确定开启分流排风口或开启合流排风口。实际操作时，根据隧道内的平均车速确定合适的排风口，当隧道内的平均车速大于等于40km/h时，开启分流排风口以采用分流排放模式进行排风，当隧道内的车速低于40km/h时，开启合流排风口以采用合流排放模式进行排风。

[0078] 本发明实现了公路隧道运营通风的动态排风，可根据隧道不同运营工况对应开启相应的排风口，正常行车工况时，关闭合流排风口，开启分流排风口，阻塞行车工况时，关闭分流排风口，开启合流排风口，在同样的运营方案下，比传统通风方式更节能，节能率可达5％～10％。

[0079] 本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。