JP4199138B2

JP4199138B2 - トンネル換気制御装置

Info

Publication number: JP4199138B2
Application number: JP2004022861A
Authority: JP
Inventors: 寛幸時本; 俊朗安達; 泰男渡邊; 敏博小山
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2004-01-30
Filing date: 2004-01-30
Publication date: 2008-12-17
Anticipated expiration: 2024-01-30
Also published as: JP2005213898A

Description

本発明は、道路トンネル内に設置された換気設備を用いてトンネル内の換気状態を制御するトンネル換気制御装置に関する。

道路トンネルにおいては、トンネル利用者の安全性・快適性を確保するために、視環境を確保し、トンネル内の汚染物質を許容値以下に維持することが望まれる。そのため、トンネル内に設置された換気機を用いて換気制御が行われている。トンネルの換気にはさまざまな方式があるが、近年、環境に対する意識の高まりから、集中排気式と呼ばれる方式を採用する場合が増加している（例えば、特許文献１参照）。

従来の一般的な集中排気式のトンネルを図５に示す。このトンネル１１は、交通方向が一方向（図の左から右）の一方通行トンネルと呼ばれるタイプである。このようなトンネル１１では、内部に縦流方向の換気を行なうジェットファン１２を設けるとともに、トンネル１１の出口部付近に集中排気設備１３を設けている。集中排気設備１３は、トンネル１１内の縦流方向中間部（図の例では出口近く）に開口する排気口１４を有し、この排気口１４に通じる排風機１５の運転によりトンネル１１内から集中排気する。

ここで、集中排気とは、トンネル１１の左右両坑口から外部の空気を吸い込み、汚染物質を含んだトンネル内の空気を、坑口以外の図示しない排出口から外部に排出することを言う。外部への排出時には汚染物質の除去を行う場合もある。

このようにして、集中排気式トンネルではトンネル坑口からの汚染物質の流出（以下、吹き抜けと称する）を防止し、坑口周辺の環境に対する影響を極力小さくしている。

このように、集中排気式トンネルでは、トンネル内の汚染物質濃度を許容値以下に維持するのみならず、坑口からの吹き抜けを防止するため、常にトンネル内部の排器口１４に向かって風を流す必要がある。この状態を集中排気状態と呼び、集中排気状態を維持するために、集中排気式トンネルでは風速制御を行っている。図５には集中排気時の風の流れを矢印Ｕｒ１，Ｕｒ２で示している。

この風速制御に当っては、まず集中排気状態を維持するための風速管理値を設定する。集中排気方向を正とすると、風速が負にならなければ良いわけであるが、風速値はかなり変動が激しいことが知られているので実際はマージンをとり、１．５［ｍ／ｓ］〜２．０［ｍ／ｓ］程度の値を設定している場合が多い。

トンネル１１内には、図示のように風向風速計１６，１７が設置され、トンネル１１内の風速を計測している。換気機フィードバック制御手段２０では、風向風速計１６，１７による風速計測値と風速管理値とを比較し、トンネル１１内の風速が管理値を下回らないように、排風機１５に対する風量指令値を演算する。このようにして、集中排気状態を維持し、坑口周辺環境への影響を極力小さくしている。換気機フィードバック制御手段２０ではＰＩ制御やファジィ制御等、さまざまな方式が用いられている。

なお、トンネル１１内には、風向風速計１６，１７のほかに煤煙濃度計１８や一酸化炭素濃度計１９などが設けられており、トンネル名１１内の環境状況を測定している。

ところで、建設されるトンネルのタイプには、一方通行の他に対面通行がある。対面通行トンネルには、元々対面通行として建設されるトンネルと、一方通行トンネル建設の途中段階で対面通行として運用されるトンネルとがある。すなわち、上り線・下り線（各々２車線）を、それぞれ一方通行トンネルで構成する場合、一般には、第一段階として上り線・下り線のどちらか一方を開通させ、２車線の片方を上り線、もう片方を下り線とした対面通行トンネルとして運用を開始する。その後、残りの２車線を開通させ、上り線・下り線を本来の２車線による一方通行としている。
特開２０００−１８６４９８号公報

対面通行トンネルにおいては、これまで様々な換気設備による換気制御が行われてきたが、上述のように、対面通行と一方通行の双方に対応できるようにはなっていないため経済的かつ効果的な換気運用を行うことができなかった。

本発明の目的は、ジェットファンと集中排気設備を有するトンネルにおける経済的かつ効果的な換気を行うことができるトンネル換気制御装置を提供することにある。

本発明によるトンネル換気制御装置は、換気設備として縦流方向に換気するジェットファンと、縦流方向中間部に開口する排気口から集中排気する集中排気設備とを有する縦流式トンネルのトンネル換気制御装置であって、排気口は縦流方向に沿う複数箇所に設けられており、これらの排気口から集中排気を行う排気口を選択する排気口選択手段と、トンネル内の交通量を計測する交通量計測手段と、この交通量計測手段により計測された上り線と下り線の交通量の比率から前記排気口選択手段により選択する排気口を決定する排気口決定手段とを備えたことを特徴とする。

このように構成すると、上り線と下り線の交通量の比率に応じた最適位置にある排気口を選択するので、効果的な換気を行うことができ、消費電力も低減し経済性を高めることができる。

この場合も、交通量計測手段によって計測された交通量に基づき所定期間先の交通量を予測する交通量予測手段と、この交通量予測手段により求められた交通量予測値が設定値以下の場合はジェットファンによる換気方式を選択し、交通量予測値が設定値を超える場合は集中排気設備を用いた換気方式を選択する換気方式選択手段とを備えた構成としてもよい。

このようにすれば、交通量予測値が少ない場合、電気代の高い集中排気を行わないので、経済性が向上する。

本発明によれば、ジェットファンと集中排気設備を有するトンネルにおいて、経済性に優れ、一方通行や対面通行に適した効果的な換気を行うことができる。

以下、本発明によるトンネル換気制御装置の一実施の形態について図面を用いて詳細に説明する。

まず、図１に示す実施の形態を説明する。この実施の形態では、トンネル２１の換気設備としてジェットファン２２と、集中排気設備２３を構成する複数の排気口２４とを備えている。複数の排気口２４は、トンネル２１の縦流方向に沿う複数箇所に配置されており、トンネル２１の長さ方向に沿って配設された排気ダクト３１にそれぞれ連通している。この排気ダクト３１の図示左右端には、それぞれ排風機２５Ｒ，２５Ｌが設けられている。

また、複数の排気口２４は、図示しないダンパー機構などによりそれぞれ個別に開閉できるように構成されており、いずれか一つの排気口２４がトンネル２１内に開放する。そして、排気ダクト３１の両側に設けられた排風機２５Ｒ，２５Ｌの運転により、トンネル２１内の汚染空気を、排気ダクト３１を介してトンネル２１の坑口から離れた、例えば山の上などに排出させる。

このような構成であるため、排気ダクト３１は、開放した排気口２４を中心に、図示右側の系統と図示左側の系統との２系統を構成する。

なお、トンネル２１は、一方通行方式或いは対面通行方式のいずれでもよい。

この実施の形態は、換気機の運転計画を行う際に、換気機運転の電気代を抑えた方式を選択する選択方法に関する。ここで、換気機の運転計画とは、予測した将来の交通量に相応しい換気機の運用方法を計画することであり、一般的に３０分周期あるいは６０分周期で行われる。

この運用計画を策定するための構成を説明する。３３は交通量計測手段で、トンネル２１内に設けられたセンサー３３ｓにより、トンネル２１内を走行する車両の台数（交通量）を計測する。３４は交通量予測手段で、交通量計測手段３３による交通量計測値に基づき、所定期間先の大型車交通量・小型車交通量を予測する。

予測方法については、様々な手法が適用可能である。例えば、公知の予測方法である過去の実績データに基づいて予測を行う手法を用いる。この手法は、交通量計測手段３３で測定し、記憶部３５に蓄積した過去１ヶ月間のデータを基に、１日（２４時間）の大型車交通量・小型車交通量の時系列的な推移を平日、休日前、休日、休日明けなどに分類して平均処理し、各予測項目の基本パターンを作成する。これは、交通特性が平日、休日前、休日、休日明けなどの分類に応じて特有の傾向を示すことが多いからである。

例えば、平日の午後０時に今後１時間後の予測を行う場合には、平日用の基本パターンを参照し、該当する時間帯のデータを予測値として用いる。その際に、当日の午後０時までの計測値と基本パターンとのずれを予測に用いることにより、予測精度を向上することができる。その際の方法としては、例えばカルマンフィルタを適用し自己回帰モデルを用いる方法などが挙げられる。

３６は換気方式選択手段で、交通量予測手段３４による交通量予測値を基に換気方式を選択する。すなわち、ジェットファン２２のみによる換気方式か、ジェットファン２２と集中換気設備２３とを併用した集中換気方式を用いるかを選択する。

上記構成において、３０分周期あるいは６０分周期で換気機の運転計画を決める場合、予測した将来の交通量に相応しい換気機の運用方法を計画する。この場合、交通量予測手段３４は、交通量計測手段３３で計測された現時点の交通量と、記憶部３５に蓄積された過去の実績値とに基づき、所定期間先の交通量を予測する。

ここで、道路管理者の換気機運用方法によっては、トンネル内汚染濃度がある許容値以下であれば汚染物質を坑口からトンネル外に排出してもよい場合がある。一般に、交通量予測値が少ない場合はトンネル内の汚染濃度は低くなることが予想される。このような場合、換気設備にジェットファン２２と排気口（集中排気として機能）２４を採用したトンネル（各々の換気設備の数は問わない）２１では、必然的にトンネル外へ汚染物質を排出するジェットファン２２のみによる換気方式を選択する。

すなわち、交通量予測値が設定値以下であれば、トンネル２１内の汚染濃度も充分低いと予想され、トンネル２１内の空気を坑口から排出しても問題ないと判断し、ジェットファン２２のみによる換気方式を選択する。ジェットファン２２のみによる換気方式は、集中排気設備２３を用いた集中換気方式に比べ全体の電力消費が少なく、電気代を低く抑えることができる。

これに対し、交通量予測値が多く、設定値を超える場合は、トンネル２１内の汚染濃度が高くなることが予想されるので、トンネル坑口からの汚染物質の排出防止に効果が高い集中換気方式を採用する。

このように、換気設備にジェットファン２２と排気口（集中排気として機能）２４を採用したトンネル２１では、換気運用計画を行う際に交通量予測値に応じて換気方式（ジェットファン換気方式、集中換気方式）を切替えることで電気代を抑えた経済的な運用が可能となる。

次に、図２及び図３で示す実施の形態を説明する。トンネル自体の構成は図１で示したトンネル２１と基本的に同じ構成であるが、対面通行方式であるものとする。すなわち、換気設備としてジェットファン２２と、集中排気設備２３を構成する複数の排気口２４と備えている。複数の排気口２４は、トンネル２１の縦流方向に沿う複数箇所に配置されており、トンネル１１の長さ方向に沿って配設された排気ダクト３１にそれぞれ連通している。この排気ダクト３１の図示左右端には、それぞれ排風機２５Ｒ，２５Ｌが設けられている。

この実施の形態は、複数の排気口２４の中から換気機運転の電気代を抑えた運用となる排気口を選択する方法、選択後の当該換気機の運転風量の決定方法に関するものである。

この実施の形態は図２で示すように、交通量計測手段３３Ａ、排気口決定手段３７及び排気口選択手段３８から構成されている。

交通量計測手段３３Ａは、トンネル２１内に設けられたセンサー３３Ａｓにより、トンネル２１内を走行する車両の台数を計測するが、対面通行方式であるため、上り線及び下り線のそれぞれについて交通量を計測する。

排気口決定手段３７は、交通量計測手段３３Ａにより計測された上り線の交通量と下り線の交通量との比率に基づき、複数存在する排気口２４の中から、経済性を含め最適な運用となる排気口２４を決定する。排気口選択手段３８は、排気口決定手段３７により決定された排気口１４を開放し、トンネル２１内と排気ダクト３１との間を連通する。すなわち、排気口２４は前述のように、トンネル２１内の縦流方向に沿う複数箇所に設けられており、これらの中から、前記排気口決定手段３７で決定された排気口２４を、集中排気を行うための排気口として選択する。

上記構成において、交通量計測手段３３Ａによる計測の結果、例えば、上り線交通量と下り線交通量の比率が９：１であった場合、上り方向の交通換気力（車両が前方に進む際に空気を運ぶ力）が下り方向の交通換気力よりも大きくなり、全体として上り方向に交通換気力が作用する。このためトンネル２１内の汚染状態は上り方向の出側（図示右端近く）が最も悪化する地点となる。

そこで、排気口決定手段３７は、上り線交通量と下り線交通量の比率が９：１であることから、上り方向の出側に設置された排気口２４を集中排気用の排気口と決定し、排気口選択手段３８により、図２で示すように右端の排気口２４を開放させ、集中排気口として選択する。

また、上り線交通量と下り線交通量の比率が５：５であった場合には、図３で示すように、上り方向の交通換気力と下り方向の交通換気力が相殺され、車両全体の交通換気力がゼロとなる。この場合、上り線交通量と下り線交通量の比率が９：１であった場合と同様に上り方向の最も出側寄りの排気口を集中排気口として選択すると、上り方向の出側が過剰換気となり非経済的な運用となってしまう。したがって、この場合は図示のように、トンネル２１の縦流方向中央の排気口を集中排気口として選択する。

このように、上り線交通量と下り線交通量との比率に応じて集中排風口を選択することで効率的な換気運転が可能となり、換気機運転の電気代を抑えた運用が可能となる。

次に、図４で示す実施の形態を説明する。この実施の形態でも、トンネル自体の構成は図１及び図２で示したトンネル２１と基本的に同じ構成である。ただし、通行方式は一方通行或いは対面通行のいずれでもかまわない。

換気設備としては、ジェットファン２２と、集中排気設備２３を構成する複数の排気口２４と備えている。複数の排気口２４は、トンネル２１の長さ方向に沿う排気ダクト３１にそれぞれ連通している。この排気ダクト３１の図示左右端には、それぞれ排風機２５Ｒ，２５Ｌが設けられている。

この実施の形態では、トンネル２１内にさらにトンネル内風速計２６のセンサー２６ｓ、トンネル内煤煙濃度計２８のセンサー２８ｓ、トンネル内一酸化炭素計２９のセンサー２９ｓをそれぞれ設けている。また、排気ダクト３１の両端に設けられた排風機２５Ｌ，２５Ｒの前面側に、ダクト内風速計２６Ｌ，２６Ｒのセンサー２６Ｌｓ，２６Ｒｓをそれぞれ設けている。

さらに、制御手段として、排風機風量変更量決定手段３９、排風機運転風量決定手段４０、排風機翼角変更終了タイミング決定手段４１を設けている。

上記構成において、トンネル内風速計２６は、トンネル２１内の風速を計測し、トンネル内煤煙濃度計２７は、トンネル２１内の煤煙濃度を計測し、トンネル内一酸化炭素計２８は、トンネル２１内の一酸化炭素濃度を計測しており、これらの計測値は排風機風量変更量決定手段３９に入力される。排風機風量変更量決定手段３９は、入力されたトンネル内風速値、トンネル内煤煙濃度値、トンネル内一酸化炭素濃度値に基づき、排風機の風量変更量ΔＱを公知の手法により決定する。

排風機２５の風量変更量ΔＱ決定後、これを排風機の省エネを考慮した一定の比率で右側排風機２５Ｒ、左側排風機２５Ｌに割振ることで、右側排風機風量変更量ΔＱＲ、左側排風機風量変更量ΔＱＬを決定する。

排風機運転風量決定手段４０では、現状の右側排風機運転風量ＱＥＲ、排風機風量変更量決定手段３９で求めた右側排風機風量変更量ΔＱＲ、現状の左側排風機運転風量ＱＥＬ、排風機風量変更量決定手段３９で求めた左側排風機風量変更量ΔＱＬに基づき、右側排風機運転風量ＱＲと左側排風機運転風量ＱＬとを決定する。この右（左）側排風機運転風量ＱＲ（ＱＬ）は、下式のように、現状の右（左）側排風機運転風量ＱＥＲ（ＱＥＬ）に、右（左）側排風機風量変更量ΔＱＲ（ΔＱＬ）を足し合せることにより決定する。

ＱＲ（ＱＬ）＝ＱＥＲ（ＱＥＬ）＋ΔＱＲ（ΔＱＬ）
ダクト内右（左）側風速計２６Ｒ（２６Ｌ）は、排気ダクト３１内の右（左）側排風機直前の風速ＡＶＲ，（ＡＶＬ）を計測する。排風機翼角変更終了タイミング決定手段４１は、排風機運転風量決定手段４０による右側排風機運転風量ＱＲ、ダクト３１内の右側排風機直前の風速値ＡＶＲ、排風機運転風量決定手段４０による左側排風機運転風量ＱＬ、ダクト３１内の左側排風機直前の風速値ＡＶＬに基づき、排風機２５Ｒ，２５Ｌの翼角変更終了タイミングを決定する。

ここで、排風機には翼角固定タイプと、この実施の形態で用いた翼角可変タイプとがある。前者は出力できる風量がパターン化されているため、風量の細かい調整はできないが、後者は前者のようにパターン化された一定の風量に到達した後、翼角を変更することにより風量の微調整を行うことができる。この実施の形態では、上述のように、翼角可変タイプの排風機を取扱っている。

翼角変更に当っては、まず排風量の実測値を求める。すなわち、排気ダクト３１の断面積をＡ（一定）とすると、排気ダクト３１内の右側排風機直前の風速値ＡＶＲに上記ダクト断面積Ａを掛け合せて排風量の実測値を求める。この排風量の実測値が右側排風機運転風量ＱＲに一致した時点で、右側排風機２５Ｒの翼角の変更を終了する。同様に排気ダクト３１内の左側排風機直前の風速値ＡＶＬにダクト断面積Ａを掛け合せた値が左側排風機運転風量ＱＬに一致した時点で、左側排風機２５Ｌの翼角の変更を終了する。すなわち、下式の関係が成立した時点で翼角の変更を終了する。

ＡＶＲ（ＡＶＬ）×Ａ＝ＱＲ（ＱＬ）
このように、翼角可変タイプの排風機２５Ｒ，２５Ｌを用い、その翼角を変化させるので、排風量を微調整して、排風機２５Ｒ，２５Ｌによる実際の排風量を、制御目標となる運転風量に正確に合わせることができ、制御の高精度化が可能となる。また、排気系統が排気ダクト３１により左右２系統に分かれていても、上述のように右側排風機運転風量ＱＲとダクト内の右側排風機直前の風速値ＡＶＲとの関係、左側排風機運転風量ＱＬとダクト内の左側排風機直前の風速値ＡＶＬの関係に注目することで、それぞれ翼角の変更タイミングを的確に決定することが可能となり、高精度な排風量制御が可能となる。

これらの結果、図１の実施の形態では、交通量予測値に応じた換気方式の選択による換気機運転の電気代を抑制できる。また、図２及び図３の実施の形態では、交通比率に応じた排気口の選択による換気効率のよい換気機運転ができ電気代も抑制できる。さらに、図４の実施の形態では、排風機の翼角を適切に変更することにより、高精度な換気制御が可能となる。

本発明によるトンネル換気制御装置における、換気運転方式を選択する実施の形態を示す図である。本発明によるトンネル換気制御装置における、集中排気口を選択する実施の形態を示す図である。同上実施の形態において、別の排気口を選択した場合の説明図である。本発明によるトンネル換気制御装置における、排風機の翼角を変更する実施の形態を説明する図である。従来装置の説明図である。

符号の説明

２１トンネル
２２ジェットファン
２３集中排気設備
２４複数の排気口
２５Ｒ，２５Ｌ排風機
２６風速計
２７煤煙濃度計
２８一酸化炭素濃度計
３１排気ダクト
３３交通量計測手段
３４交通量予測手段
３５過去データの記憶部
３６換気方式選択手段
３７排気口決定手段
３８排気口選択手段
４０排風機運転風量決定手段
４１排風機翼角タイミング決定手段変更終了

Claims

換気設備として縦流方向に換気するジェットファンと、縦流方向中間部に開口する排気口から集中排気する集中排気設備とを有する縦流式トンネルのトンネル換気制御装置であって、
前記排気口は縦流方向に沿う複数箇所に設けられており、これらの排気口から集中排気を行う排気口を選択する排気口選択手段と、トンネル内の交通量を計測する交通量計測手段と、この交通量計測手段により計測された上り線と下り線の交通量の比率から前記排気口選択手段により選択する排気口を決定する排気口決定手段とを備えたことを特徴とするトンネル換気制御装置。
交通量計測手段によって計測された交通量に基づき所定期間先の交通量を予測する交通量予測手段と、この交通量予測手段により求められた交通量予測値が設定値以下の場合はジェットファンによる換気方式を選択し、交通量予測値が設定値を超える場合は集中排気設備を用いた換気方式を選択する換気方式選択手段とを備えたことを特徴とする請求項１に記載のトンネル換気制御装置。