CN114282374B - 公路隧道换气需风量计算模型及其构建方法、应用和装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了公路隧道换气需风量计算模型及其构建方法、应用和装置，构建方法包括以下步骤：S1、获取耗氧主体、耗氧参数以及隧道参数，S2、分别基于汽油和柴油的组成成分计算每升汽油和柴油完全燃烧的需氧量；S3、基于每升汽油和柴油完全燃烧的需氧量，结合隧道参数构建隧道内机动车耗氧需风量计算模型；S4、基于隧道内高峰小时交通量和标准车满载人员数量，构建隧道内人员耗氧需风量计算模型；S5、基于隧道内机动车耗氧需风量计算模型和隧道内人员耗氧需风量计算模型构建隧道换气需风量计算模型。通过本发明构建方法构建的隧道换气需风量计算模型能够合理计算隧道需风量，避免按照现行公路隧道通风设计细则进行计算导致隧道需风量较大的问题。
Description
技术领域
本发明涉及隧道通风技术领域，具体涉及公路隧道换气需风量计算模型及其构建方法、应用和装置。
背景技术
隧道换气是基于人员舒适性提出的，事实上，大部分情况隧道里的人员都是在车内的，而车辆穿过隧道工程中也仅仅是短暂处于隧道环境中；极少数情况需要人员进洞维修作业，也可以选择车流量稀少、空气质量较好的时段进洞，可见公路隧道换气标准可低于民用建筑、地下工程等其他行业。
而在现行公路隧道通风设计细则(JTG D70/2-02-2014)中均明确提规定“隧道空间最小换气频率不应低于每小时3次”，该需风量往往成为了一些特别长大隧道的控制风量，由此计算得到的隧道需风量较大，会造成大量通风设备的闲置和通风能耗的浪费，而通过对我国特长公路隧道通风运营现状的调研也恰恰证实了这一点。
发明内容
本发明的目的在于提供公路隧道换气需风量计算模型及其构建方法，通过本发明所述构建方法构建的公路隧道换气需风量计算模型能够合理计算隧道需风量，避免按照现行公路隧道通风设计细则进行计算导致隧道需风量较大的问题。
此外，本发明还提供上述公路隧道换气需风量计算模型的应用及应用使用的装置
本发明通过下述技术方案实现：
公路隧道换气需风量计算模型的构建方法，包括以下步骤：
S1、根据隧道运营情况获取耗氧主体、耗氧参数以及隧道参数，所述耗氧主体包括机动车和人员，所述耗氧参数包括汽油燃烧耗氧、柴油燃烧耗氧和人员耗氧，所述隧道参数包括隧道长度、预测交通量、交通量方向不均匀系数、高峰小时交通量系数、汽油车比例、标准车油耗和隧址空气含氧量；
S2、基于汽油的组成成分以及对应的燃烧方程计算每升汽油完全燃烧的需氧量；基于柴油的组成成分以及对应的燃烧方程计算每升柴油完全燃烧的需氧量；
S3、基于步骤S2获得的每升汽油完全燃烧的需氧量和每升柴油完全燃烧的需氧量，结合隧道参数构建隧道内机动车耗氧需风量计算模型；
S4、基于隧道内高峰小时交通量和标准车满载人员数量，参照民用建筑人员需风量，构建隧道内人员耗氧需风量计算模型；
S5、基于步骤S3获得的隧道内机动车耗氧需风量计算模型和步骤S4获得的隧道内人员耗氧需风量计算模型，进行求和处理构建公路隧道换气需风量计算模型。
本发明在构建公路隧道换气需风量计算模型时，充分考虑了耗氧主体、耗氧参数以及隧道参数，基于耗氧参数以及隧道参数分别计算隧道内机动车耗氧需风量和隧道内人员耗氧需风量，能够提高计算隧道换气需风量的准确度，使得所构建的公路隧道换气需风量计算模型能够合理计算隧道需风量，避免按照现行公路隧道通风设计细则进行计算导致隧道需风量较大的问题。
本发明首次提出对耗氧主体进行区分，并结合隧道实际运营情况分析获得耗氧参数以及隧道参数，旨在提高导致隧道需风量计算的准确度，对隧道建设以及隧道通风设施的安装具有重要引导作用。
进一步地，每升汽油完全燃烧的需氧量的计算过程如下：
基于汽油的组成成分简化其化学式为C8H16，取其密度为0.7kg/L，由C8H16燃烧方程式C8H16+12O2＝8CO2+8H2O
得：
根据式(1)计算获得1L汽油完全燃烧所需氧气质量m(O2)为2.4kg，取氧气密度为1.43kg/m3，得到1L汽油完全燃烧需氧量为1.68m3。
进一步地，每升柴油完全燃烧的需氧量的计算过程如下：
基于柴油的组成成分简化其化学式为C16H34，取其密度为0.85kg/L，由C16H34燃烧方程式2C16H34+49O2＝32CO2+34H2O
得：
根据式(2)计算获得柴油完全燃烧所需氧气质量m(O2)为2.95kg，取氧气密度为1.43kg/m3，得到1L柴油完全燃烧需氧量为2.06m3。
进一步地，隧道内机动车耗氧需风量计算模型如式(3)所示：
式(3)中，L为隧道长度，单位为m；N为预测交通量，单位为pcu/h；a为交通量方向不均匀系数；b为高峰小时交通量系数，k为汽油车比例，m为标准车油耗，单位为L/100km；x为隧址空气含氧量。
进一步地，隧道内人员耗氧需风量计算模型如式(4)所示：
式(4)中，N为预测交通量，单位为pcu/h；a为交通量方向不均匀系数；b为高峰小时交通量系数。
进一步地，公路隧道换气需风量计算模型如式(5)所示：
式(5)中，Q1为隧道内机动车耗氧需风量，Q2为隧道内人员耗氧需风量，L为隧道长度，单位为m；N为预测交通量，单位为pcu/h；a为交通量方向不均匀系数；b为高峰小时交通量系数，k为汽油车比例，m为标准车油耗，单位为L/100km；x为隧址空气含氧量。
如上述构建方法构建的公路隧道换气需风量计算模型。
公路隧道换气需风量计算模型用于计算隧道换气需风量。
公路隧道换气需风量计算模型在安装隧道通风设备上的应用。
用于公路隧道换气需风量计算模型的装置，包括存储单元、计算单元和输出单元；
所述存储单元用于存储耗氧主体、耗氧参数以及隧道参数；
所述计算单元调用存储单元内的数据并计算每升汽油完全燃烧的需氧量、每升柴油完全燃烧的需氧量和隧道内人员耗氧需风量，并根据每升汽油完全燃烧的需氧量、每升柴油完全燃烧的需氧量、耗氧参数以及隧道参数计算隧道内机动车耗氧需风量，然后根据隧道内人员耗氧需风量和隧道内机动车耗氧需风量计算隧道换气需风量；
所述输出单元用于输出计算单元的计算结果。
本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：
1、通过本发明所述构建方法所构建的公路隧道换气需风量计算模型能够合理计算隧道需风量，避免按照现行公路隧道通风设计细则进行计算导致隧道需风量较大的问题。
2、将本发明所述公路隧道换气需风量计算模型用于隧道需风量计算，根据计算结果合理布置通风设备，能够有效避免通风设备的闲置和通风能耗的浪费。
3、过本发明所述构建方法所构建的公路隧道换气需风量计算模型的适用范围广泛，基本能够适用于所有公路隧道换气需风量的计算，具有较好的市场前景和经济价值。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
实施例1：
公路隧道换气需风量计算模型的构建方法，包括以下步骤：
S1、根据隧道运营情况获取耗氧主体、耗氧参数以及隧道参数，所述耗氧主体包括机动车和人员，所述耗氧参数包括汽油燃烧耗氧、柴油燃烧耗氧和人员耗氧，所述隧道参数包括隧道长度、预测交通量、交通量方向不均匀系数、高峰小时交通量系数、汽油车比例、标准车油耗和隧址空气含氧量；
S2、基于汽油的组成成分以及对应的燃烧方程计算每升汽油完全燃烧的需氧量；基于柴油的组成成分以及对应的燃烧方程计算每升柴油完全燃烧的需氧量；
每升汽油完全燃烧的需氧量的计算过程如下：
汽油是一种石油提炼的混合物，主要成分为C5～C12脂肪烃和环烷烃类，以及一定量芳香烃，为了便于计算，我们设其化学式为C8H16，取其密度为0.7kg/L，由C8H16燃烧方程式C8H16+12O2＝8CO2+8H2O
得：
根据式(1)计算获得1L汽油完全燃烧所需氧气质量m(O2)为2.4kg，取氧气密度为1.43kg/m3，得到1L汽油完全燃烧需氧量为1.68m3；
每升柴油完全燃烧的需氧量的计算过程如下：
柴油是轻质石油产品，复杂烃类(碳原子数约10～22)的混合物。为了便于计算，我们设其化学式为C16H34，取其密度为0.85kg/L，由C16H34燃烧方程式2C16H34+49O2＝32CO2+34H2O
得：
根据式(2)计算获得柴油完全燃烧所需氧气质量m(O2)为2.95kg，取氧气密度为1.43kg/m3，得到1L柴油完全燃烧需氧量为2.06m3；
S3、基于步骤S2获得的每升汽油完全燃烧的需氧量和每升柴油完全燃烧的需氧量，结合隧道参数构建隧道内机动车耗氧需风量计算模型；
通过分析各型车的油耗可以发现，各类车型的百公里耗油量与小客车百公里耗油量基本满足《公路工程技术标准》JTG B01-2014中的车辆折算系数，因此，计算时可以按照预测交通量的标准车进行考虑。设隧道长度为L(m)，预测交通量为N(pcu/h)，交通量方向不均匀系数为a，高峰小时交通量系数为b，汽油车比例为k，标准车油耗为m(L/100km)，隧址空气含氧量为x，则隧道机动车耗氧需风量如式(6)所示：
整理可得：
式(3)中，L为隧道长度，单位为m；N为预测交通量，单位为pcu/h；a为交通量方向不均匀系数；b为高峰小时交通量系数，k为汽油车比例，m为标准车油耗，单位为L/100km；x为隧址空气含氧量；
S4、基于隧道内高峰小时交通量和标准车满载人员数量，参照民用建筑人员需风量，构建隧道内人员耗氧需风量计算模型：
隧道环境是一个高密度人员环境，但人员绝大多数处在车内，隧道内每人所需最小需风量可较民用建筑低，因此可将隧道内每人所需最小需风量取为20m3/h。关于隧道内的人数，我们按高峰小时交通量考虑，假设每辆标准小客车为满员5人，则隧道内人员需风量如式(7)所示：
整理可得：
式(4)中，N为预测交通量，单位为pcu/h；a为交通量方向不均匀系数；b为高峰小时交通量系数；
S5、基于步骤S3获得的隧道内机动车耗氧需风量计算模型和步骤S4获得的隧道内人员耗氧需风量计算模型，进行求和处理构建公路隧道换气需风量计算模型：
在满足机动车耗氧需风量后还有充足的新鲜空气留给隧道内的人员，即隧道换气需风量等于机动车耗氧需风量与隧道内人员需风量之和，则有如式(5)所示：
实施例2：
基于实施例1所述公路隧道换气需风量计算模型的装置，包括存储单元、计算单元和输出单元；
所述存储单元用于存储耗氧主体、耗氧参数以及隧道参数；
所述计算单元调用存储单元内的数据并计算每升汽油完全燃烧的需氧量、每升柴油完全燃烧的需氧量和隧道内人员耗氧需风量，并根据每升汽油完全燃烧的需氧量、每升柴油完全燃烧的需氧量、耗氧参数以及隧道参数计算隧道内机动车耗氧需风量，然后根据隧道内人员耗氧需风量和隧道内机动车耗氧需风量计算隧道换气需风量；
所述输出单元用于输出计算单元的计算结果。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.公路隧道换气需风量计算模型的构建方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、根据隧道运营情况获取耗氧主体、耗氧参数以及隧道参数，所述耗氧主体包括机动车和人员，所述耗氧参数包括汽油燃烧耗氧、柴油燃烧耗氧和人员耗氧，所述隧道参数包括隧道长度、预测交通量、交通量方向不均匀系数、高峰小时交通量系数、汽油车比例、标准车油耗和隧址空气含氧量；
S2、基于汽油的组成成分以及对应的燃烧方程计算每升汽油完全燃烧的需氧量；基于柴油的组成成分以及对应的燃烧方程计算每升柴油完全燃烧的需氧量；
S3、基于步骤S2获得的每升汽油完全燃烧的需氧量和每升柴油完全燃烧的需氧量，结合隧道参数构建隧道内机动车耗氧需风量计算模型；
S4、基于隧道内高峰小时交通量和标准车满载人员数量，参照民用建筑人员需风量，构建隧道内人员耗氧需风量计算模型；
S5、基于步骤S3获得的隧道内机动车耗氧需风量计算模型和步骤S4获得的隧道内人员耗氧需风量计算模型，进行求和处理构建公路隧道换气需风量计算模型；
公路隧道换气需风量计算模型如式（5）所示：
（5）
式（5）中，为隧道内机动车耗氧需风量，/>为隧道内人员耗氧需风量，L为隧道长度，单位为m；N为预测交通量，单位为pcu/h；a为交通量方向不均匀系数；b为高峰小时交通量系数，k为汽油车比例，m为标准车油耗，单位为L/100km；x为隧址空气含氧量。
2.根据权利要求1所述的公路隧道换气需风量计算模型的构建方法，其特征在于，每升汽油完全燃烧的需氧量的计算过程如下：
基于汽油的组成成分简化其化学式为C8H16，取其密度为0.7kg/L，由C8H16燃烧方程式C8H16+12O2=8CO2+8H2O
得：
（1）
根据式（1）计算获得1L汽油完全燃烧所需氧气质量m(O2)为2.4kg，取氧气密度为1.43kg/m3，得到1L汽油完全燃烧需氧量为1.68 m3。
3.根据权利要求1所述的公路隧道换气需风量计算模型的构建方法，其特征在于，每升柴油完全燃烧的需氧量的计算过程如下：
基于柴油的组成成分简化其化学式为C16H34，取其密度为0.85kg/L，由C16H34燃烧方程式2C16H34+49O2=32CO2+34H2O
得：
（2）
根据式（2）计算获得柴油完全燃烧所需氧气质量m(O2)为2.95kg，取氧气密度为1.43kg/m3，得到1L柴油完全燃烧需氧量为2.06 m3。
4.根据权利要求1所述的公路隧道换气需风量计算模型的构建方法，其特征在于，隧道内机动车耗氧需风量计算模型如式（3）所示：
（3）
式（3）中，L为隧道长度，单位为m；N为预测交通量，单位为pcu/h；a为交通量方向不均匀系数；b为高峰小时交通量系数，k为汽油车比例，m为标准车油耗，单位为L/100km；x为隧址空气含氧量。
5.根据权利要求1所述的公路隧道换气需风量计算模型的构建方法，其特征在于，隧道内人员耗氧需风量计算模型如式（4）所示：
（4）
式（4）中，N为预测交通量，单位为pcu/h；a为交通量方向不均匀系数；b为高峰小时交通量系数。
6.如权利要求1-5任一项所述构建方法构建的公路隧道换气需风量计算模型在安装隧道通风设备上的应用。
7.用于如权利要求1-5任一项所述构建方法构建的公路隧道换气需风量计算模型的装置，其特征在于，包括存储单元、计算单元和输出单元；
所述存储单元用于存储耗氧主体、耗氧参数以及隧道参数；
所述计算单元调用存储单元内的数据并计算每升汽油完全燃烧的需氧量、每升柴油完全燃烧的需氧量和隧道内人员耗氧需风量，并根据每升汽油完全燃烧的需氧量、每升柴油完全燃烧的需氧量、耗氧参数以及隧道参数计算隧道内机动车耗氧需风量，然后根据隧道内人员耗氧需风量和隧道内机动车耗氧需风量计算隧道换气需风量；
所述输出单元用于输出计算单元的计算结果。
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| 运营地铁内空气品质的计算模型及时空变化特性分析;杨伟超;彭立敏;施成华;雷明锋;赵丹;;隧道建设;20100810(第S1期);全文 * |
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