CN105201539A - 单通道送风式纵向通风方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种单通道送风式纵向通风方法，包括以下步骤：获取第一隧道稀释污染物的需风量、第二隧道稀释污染物的需风量；基于通风系统能耗最低的原则确定横向通道的位置，横向通道为第一隧道和第二隧道之间的并可将其内部的空气连通起来的通道；横向通道分别将所述第一隧道、第二隧道划分为前段和后段。第二隧道将前段一部分较新鲜、污染程度较小的空气通过横向通道送入第一隧道中，与第一隧道内前段污染程度较大的空气混合，以降低第一隧道后段的污染物浓度。本发明在确保隧道内污染物浓度满足要求前提下，可显著降低通风系统能耗，减少风机等机电设备数量，节约开挖竖井等土建费用，降低运营期通风系统养护费用。

Description

单通道送风式纵向通风方法

技术领域

本发明涉及隧道工程领域，尤其涉及一种单通道送风式纵向通风方法。

背景技术

当前，通风方法是隧道工程建设及运营过程中至关重要的因素，关系到隧道工程运营效果、安全水平以及运营费用等。

传统的公路隧道通风方法包括自然通风、全横向式通风、半横向式通风、纵向式通风和双洞互补式通风等。

自然通风，就是利用隧道内自然风流实现隧道内空气与地表大气交换，以达到隧道通风目的地一种通风方式。该方法适用隧道长度在1km以内。

全横向式通风分别设有送排风道，风流在隧道内作横向流动，这种通风方式适用于各种长度的隧道。该方式需要在隧道内设置吊顶和风井，投资大，技术难度和通风能耗较大。目前这种通风方式在过江过海等非常重要的长大隧道中应用。

半横向式通风由隧道通风道送风或排风，由洞口沿隧道纵向排风或抽风，其适用隧道长度在5km以内。

纵向式通风其风流沿隧道纵向流动，能够充分利用活塞风，在公路隧道中应用最为广泛。常用的纵向通风方式有射流风机纵向通风、集中送风式纵向通风、集中排风式纵向通风、分段送风、分段排风、分段送排纵向通风等方式。但是特长公路隧道往往需要设置通风竖(斜)井，因此会增加大量的土建费用和运营管理费用。

双洞互补式通风法利用了双洞隧道需风量的差异性进行通风组织。具体做法是在左右隧道之间增设两个横向通风道，将两条隧道联系起来，形成相对完整的通风网络，利用网络互补的原理，用空气质量较好的隧道内新鲜空气去稀释空气质量较差隧道内的污浊空气，并使两条隧道内的空气质量均满足通风要求，从而在确保隧道内空气质量的前提下大幅度降低通风系统的建设和运营费用。

发明内容

本发明所要解决的技术问题就是针对目前国内多数特长山岭隧道采用竖(斜)井送排式通风方法的现状，从节约能耗及减少土建费用的角度出发，提出了一种新的通风方法——单通道送风式纵向通风方法，以降低隧道通风系统的能耗，简化正常运营时隧道通风系统的风流组织和控制难度，同时，提升火灾时的隧道排烟组织的便利性。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种单通道送风式纵向通风方法，包括以下步骤：

获取第一隧道稀释污染物的需风量Q₀₁、第二隧道稀释污染物的需风量Q₀₂，所述第一隧道和第二隧道为并列且其内部风向是相对的两条等长隧道；

根据所述第一隧道稀释污染物的需风量Q₀₁、第二隧道稀释污染物的需风量Q₀₂及通风系统能耗最小的原则确定横向通道的位置，所述横向通道为所述第一隧道和所述第二隧道之间的并可将其内部的空气连通起来的单个通道；

按照所述横向通道的位置在所述第一隧道和第二隧道之间仅打通一条横向通道，所述横向通道分别将所述第一隧道、第二隧道划分为两段，进风口对应的一段是前段、出风口对应的一段是后段；

当第一隧道稀释污染物的需风量Q₀₁大于第二隧道稀释污染物的需风量Q₀₂时，将所述第二隧道前段部分的空气通过横向通道送入第一隧道的后段；

当第二隧道稀释污染物的需风量Q₀₂大于第一隧道稀释污染物的需风量Q₀₁时，将所述第一隧道前段部分的空气通过横向通道送入第二隧道的后段。

进一步地，所述横向通道的位置由以下公式计算所得：

$x=\frac{(Q_{01}+Q_{02})\·L}{2\·Q_{01}}$

其中，L为所述第一隧道和第二隧道的长度，x为所述横向通道距离所述第一隧道进风口的距离。

进一步地，单通道送风式纵向通风方法还包括：确定所述第二隧道通过横向通道送入所述第一隧道的风量Q₃。

进一步地，所述第二隧道通过横向通道送入所述第一隧道的风量Q₃由以下公式计算所得：

$Q_3=\frac{Q_{01}}{2}\·\frac{{Q_{01}}^2-{Q_{02}}^2}{{Q_{01}}^2+{Q_{02}}^2}$

进一步地，还包括确定经由所述第一隧道的进口的进风量Q₁。

进一步地，经由所述第一隧道的进口的进风量Q₁由以下公式计算所得：

$Q_1=\frac{Q_{01}+Q_{02}}{2}$

进一步地，还包括确定经由所述第二隧道的进口的进风量Q₂。

进一步地，经由所述第二隧道的进口的进风量Q₂由以下公式计算所得：

$Q_2=\frac{Q_{01}+Q_{02}}{2}$

通过以上技术方案，本发明相较于现有技术具有以下技术效果：第二隧道将前段一部分较新鲜、污染程度较小的空气通过横向通道送入第一隧道中，与第一隧道内前段污染程度较大的空气混合，以降低第一隧道后段的污染物浓度。本发明根据需要确定风量，在能够将隧道内的污染物降低至健康浓度，同时能耗又降低显著，所需布置风机台数明显减少；节省下开挖竖井的土建费用，减少了布置风机的设备及安装费用，降低了运营期通风的耗电及养护费用。

本发明相对双洞互补式通风方法的优势：降低了第一隧道、第二隧道风流的相互影响，特别是火灾工况下排烟组织；同时也适用于第一隧道、第二隧道需风量差异不大的情况。本发明相对传统竖井送排式通风方法的优势：隧道通风能耗降低显著，所需布置风机台数明显减少；节省下开挖竖井的土建费用，减少了布置风机的设备及安装费用，降低了运营期通风的耗电及养护费用。

附图说明

图1为本发明单通道送风式纵向通风方法的原理图。

标号说明：

1第一隧道

11第一隧道前段

12第一隧道后段

2第二隧道

21第二隧道前段

22第二隧道后段

3横向通道

4安装于横向通道内的轴流风机

5安装于第一隧道、第二隧道内的射流风机

具体实施方式

以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。

请参阅图1。须知，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。

如图1所示，本发明单通道送风式纵向通风方法依据以下原理：在第一隧道1和第二隧道2之间打通一条横向通道3，将第一隧道1和第二隧道2内部联通并各划分为前段11、21和后段12、22两部分。第二隧道2将前段21一部分较新鲜、污染程度较小的空气通过横向通道3送入第一隧道1中，与第一隧道1内前段11污染程度较大的空气混合，以降低第一隧道1后段12的污染物浓度。

因此，本发明需要确定经由第一隧道1和第二隧道2的进口的进风量Q₁、Q₂，横向通道3位置及横向通道3内的交换风量Q₃，包括以下步骤：

已知，第一隧道1和第二隧道2为并列且其内部风向是相对的两条等长隧道。获取第一隧道1稀释污染物的需风量Q₀₁、第二隧道2稀释污染物的需风量Q₀₂。第一隧道1和第二隧道2之间打通一条横向通道3，横向通道3分别将所述第一隧道1、第二隧道2划分为两段，进风口对应的一段是前段11、21、出风口对应的一段是后段12、22。

根据隧道通风理论，可建立方程组(1)～(4)：

$Q_{01}\·L+Q_{02}\·(L-x)\·\frac{Q_3}{Q_2}=(Q_1+Q_3)\·L---\left(1\right)$

$Q_{02}\·L-Q_{02}\·(L-x)\·\frac{Q_3}{Q_2}=(Q_2-Q_3)\·L---\left(2\right)$

Q₀₁·x＝L·Q₁(3)

$\frac{d({Q_1}^3+{Q_2}^3)}{dx}=0---\left(4\right)$

方程(4)表示求解使通风系统能耗最低的横向通道位置(能耗与风量的三次方成正比)。

上述方程组中，L为第一隧道1和第二隧道2的长度，x为横向通道3距离第一隧道进风口的距离，Q₀₁为第一隧道1稀释污染物的需风量，Q₀₂为第二隧道2稀释污染物的需风量，Q₁为采经由第一隧道1的进口的进风量，Q₂为经由第二隧道2的进口的进风量，Q₃为第二隧道2通过横向通道3补给给第一隧道1的送风量。

联立求解方程组(1)～(4)，可求的：

$x=\frac{(Q_{01}+Q_{02})\·L}{2\·Q_{01}}$

$Q_1=Q_2=\frac{Q_{01}+Q_{02}}{2}$

$Q_3=\frac{Q_{01}}{2}\·\frac{{Q_{01}}^2-{Q_{02}}^2}{{Q_{01}}^2+{Q_{02}}^2}$

解得经由第一隧道1和第二隧道2的进口的进风量Q₁、Q₂，横向通道3内的送风量Q₃，横向通道3距离第一隧道进风口的距离x，并确定横向通道3的最优位置。当第一隧道1稀释污染物的需风量Q₀₁大于第二隧道2稀释污染物的需风量Q₀₂时，将所述第二隧道2前段21部分的空气通过横向通道的3送入第一隧道1的后段12。反之亦然，当第二隧道2稀释污染物的需风量Q₀₂大于第一隧道1稀释污染物的需风量Q₀₁时，将第一隧道前段11部分的空气通过横向通道3送入第二隧道的后段22。

以下结合实际隧道工程，对本发明的应用作进一步说明：

某双向4车道高速公路隧道，长度L＝7548m。已计算得到第二隧道的需风量为256.37m³/s，第一隧道的需风量为474.63m³/s，即：

Q₀₁＝474.63m³/s，Q₀₂＝256.37m³/s，L＝7548m

代入前述方程及方程组，解得：

x＝5812.5m，Q₁＝Q₂＝365.5m³/s，Q₃＝130.1m³/s

即，使得隧道通风系统能耗最低的横向通道位置为x＝5812.5m，此时，经由第一隧道、第二隧道的进口的进风量均为Q₁＝Q₂＝365.5m³/s，经由横向通道送入第一隧道的风量为Q₃＝130.1m³/s。

根据本隧道工程的实际参数，计算隧道内所需升压力及能耗：

由A＝65.18m²，D_r＝8.29m

则各段风速如下：

$v_{rL2}=\frac{Q_2}{A}=\frac{365.5}{65.18}=5.61m/s$

$v_{rR1}=\frac{Q_1}{A}=\frac{365.5}{65.18}=5.61m/s$

$v_{rL1}=\frac{Q_2-Q_3}{A}=\frac{365.5-130.1}{65.18}=3.61m/s$

$v_{rR2}=\frac{Q_1+Q_3}{A}=\frac{365.5+130.1}{65.18}=7.60m/s$

则各段通风阻抗力如下：

${\mathrm{\Δp}}_{rL1}=(\mathrm{\λ}\·\frac{L_1}{D_r}+1)\·\frac{\mathrm{\ρ}}{2}\·{v_{rL1}}^2=(0.02\×\frac{5812.5}{8.29}+1)\×\frac{1.2}{2}\×{3.61}^2=117.47N/m^2$

各段自然风阻力如下：

${\mathrm{\Δp}}_{mL1}=(1+\mathrm{\λ}\·\frac{L_1}{D_r})\·\frac{\mathrm{\ρ}}{2}\·{v_n}^2=(1+0.02\×\frac{5812.5}{8.29})\×\frac{1.2}{2}\×{2.5}^2=56.34N/m^2$

则各段所需升压力如下：

Δp_L1＝Δp_rL1+Δp_mL1＝173.81N/m²

Δp_L2＝Δp_rL2+Δp_mL2＝111.60N/m²

Δp_R1＝Δp_rR1+Δp_mR1＝328.70N/m²

Δp_R2＝Δp_rR2+Δp_mR2＝224.52N/m²

横向通道内总阻力损失算得Δp_d＝460.10N/m²

由能耗公式：P＝Δp·Q，可知各段所需能耗为：

P_L2＝Δp_L2·Q_L2＝40789.8w

P_L1＝Δp_L1·Q_L1＝40914.9w

P_R1＝Δp_R1·Q_R1＝120139.9w

P_R2＝Δp_R2·Q_R2＝111272.1w

P_d＝Δp_d·Q₃＝59859.0w

则总能耗为372975.7w，理论上较竖井通风方案能耗降低约52％。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (8)

1.一种单通道送风式纵向通风方法，其特征在于，包括以下步骤：

获取第一隧道(1)稀释污染物的需风量Q₀₁、第二隧道(2)稀释污染物的需风量Q₀₂，所述第一隧道(1)和第二隧道(2)为并列且其内部风向是相对的两条等长隧道；

根据所述第一隧道(1)稀释污染物的需风量Q₀₁、第二隧道(2)稀释污染物的需风量Q₀₂及通风系统能耗最小的原则确定横向通道(3)的位置，所述横向通道(3)为所述第一隧道(1)和所述第二隧道(2)之间的并可将其内部的空气连通起来的单个通道；

按照所述横向通道的位置在所述第一隧道和第二隧道之间仅打通一条横向通道(3)，所述横向通道(3)分别将所述第一隧道(1)、第二隧道(2)划分为两段，进风口对应的一段是前段(11、21)、出风口对应的一段是后段(12、22)；

当第一隧道(1)稀释污染物的需风量Q₀₁大于第二隧道(2)稀释污染物的需风量Q₀₂时，将所述第二隧道前段(21)部分的空气通过横向通道(3)送入第一隧道的后段(12)；

当第二隧道(2)稀释污染物的需风量Q₀₂大于第一隧道(1)稀释污染物的需风量Q₀₁时，将所述第一隧道前段(11)部分的空气通过横向通道(3)送入第二隧道的后段(22)。

2.根据权利要求1所述的单通道送风式纵向通风方法,其特征在于，所述横向通道(3)的位置由以下公式计算所得：

$x=\frac{(Q_{01}+Q_{02})\·L}{2\·Q_{01}}$

其中，L为所述第一隧道(1)和第二隧道(2)的长度，x为所述横向通道(3)距离所述第一隧道(1)进风口的距离。

3.根据权利要求1所述的单通道送风式纵向通风方法,其特征在于，还包括：确定所述第二隧道(2)通过横向通道(3)送入所述第一隧道(1)的风量Q₃。

4.根据权利要求3所述的单通道送风式纵向通风方法,其特征在于，所述第二隧道(2)通过横向通道(3)送入所述第一隧道(1)的风量Q₃由以下公式计算所得：

$Q_3=\frac{Q_{01}}{2}\·\frac{{Q_{01}}^2-{Q_{02}}^2}{{Q_{01}}^2+{Q_{02}}^2}$

5.根据权利要求1所述的单通道送风式纵向通风方法,其特征在于，还包括确定经由所述第一隧道(1)的进口的进风量Q₁。

6.根据权利要求5所述的单通道送风式纵向通风方法,其特征在于，经由所述第一隧道的进口的进风量Q₁由以下公式计算所得：

$Q_1=\frac{Q_{01}+Q_{02}}{2}$

7.根据权利要求1所述的单通道送风式纵向通风方法,其特征在于，还包括确定经由所述第二隧道(2)的进口的进风量Q₂。

8.根据权利要求7所述的单通道送风式纵向通风方法,其特征在于，经由所述第二隧道(2)的进口的进风量Q₂由以下公式计算所得：

$Q_2=\frac{Q_{01}+Q_{02}}{2}$