多匝道公路隧道通风系统模拟研究_王艳
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3 力为 700 N， 流量 21． 3 m / s， 电机功率为 22 kW， 射 3
The operating and distribution of north line
风机总台数 18 14 10 10 8
流风机送风方向与车行方向一致 。 为了达到卫生和安全的标准， 以隧道内部最大
3 风量达到设计风量要求 （ 南线 238 m / s， 北线 248
第8 卷 第3 期 2012 年 6 月
地下空间与工程学报 Chinese Journal of Underground Space and Engineering
Vol． 8 Jun． 2012
多匝道公路隧道通风系统模拟研究
王
1 1 2 艳， 王子云 ， 唐上明 ，孟
*
曦
3
（ 1． 四川大学建筑与环境学院， 成都 610065 ； 2． 中铁隧道勘测设计院有限公司， 天津 300133 ； 3． 兰州理工大学土木工程学院， 兰州 730050 ） 要： 随着公路隧道的发展， 公路隧道的形式越来越复杂， 公路隧道的通风计算也越复 杂。本文采用 SES 软件对长沙营盘路湘江隧道各车速工况下的通风系统进行了模拟 ， 优化了 摘 通风系统运行模式， 从而降低通风能耗； 分析了各工况下隧道内部及出口的污染物浓度情况， 从卫生安全角度， 验证优化后的通风系统运行模式的可行性 ； 研究发现风井的布置太靠近出入 口， 会造成短到回流， 且会增风机运行加能耗。研究结果可供类似工程参考。 关键词： 公路隧道； 匝道； 通风系统； 网络； 能耗 中图分类号： TU834． 2 文献标识码： A 文章编号： 1673 － 0836 （ 2012 ） 03 － 0630 － 07
The Simulation Research of Ventilation System of Highway Tunnel with Several Ramps
Wang Yan1 ， Wang Ziyun1 ， Tang Shangming2 ， Meng Xi2
（ 1 ． College of Architecture and Environment，Sichuan University； Chengdu 610065 ，China； 2 ． China Railway Tunnel Survey and 300133 ； 3 ． School of Civil Engineering，Lanzhou University of Technology，Lanzhou 730050 ，China） Design Institute Ltd，Tianjing， Abstract： With the development of highway tunnel， the forms of the highway tunnel are more and more complicated，as a rusult，the ventilation calculation of highway tunnel is more and more complex． In this paper，the ventilation system of Xiang River YingPan Road Tunnel in Changsha at different vehicle speeds has been simulated by using the SES software to optimize the operating mode of the ventilation system and reduce the ventilation energy consumption； and the concentration of waste gas in different ventilation operating mode has been analysed，verifying the feasibility of the optimized ventilating system in the way of health and safety； the study found that the well which was too close to the entrance，would cause backflow，and increase the energy consumption of fan operation． The results could be as reference for similar projects． Keywords： highway tunnel，ramp，ventilation system，network，energy consumption
*
1203 （ 修改稿） 收稿日期： 20111987）， mail： flyple@ 163． com 作者简介： 王艳（ 女， 江西赣州人， 硕士生， 主要从事建筑节能研究 。E-
2012 年第 3 期
王
［6 ］
艳， 等： 多匝道公路隧道通风系统模拟研究
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化， 从而达到节约通风能耗的目的
。
Fig． 1
隧道拟采用的通风方式为： 南线， 主洞采用单 加射流风机混合 竖井（ 风井与建筑合建 ） 送排风， 纵向式通风方案； A 匝道采用全射流纵向式通风方 案； C 匝道采用竖井集中排风和射流风机混合纵向 B， D 匝道采用全射流纵向式 式通风方案。 北线， 通风方案。
3
隧道通风设计标准
［7 ］ 根据《公 路 隧 道 通 风 照 明 设 计 规 范 》 （ JTJ
m3 / s） ， 各 节 （ section ） 风 速 达 到 最 低 风 速 要 求 2． 5 m / s为标准， 进行模拟设计。 4． 1 北线各车速工况 北线通风网络计算模型图如图 2 所示：
Fig． 3
图3
北线车速 10 km / h 风量分配图
North line- air distribution at speed 10 km / h
Fig． 5
图5
北线车速 30 km / h 风量分配图
North lineair distribution at speed 30 km / h
图6 Fig． 6
北线车速 40 km / h 风量分配分布图 North lineair distribution at speed 40 km / h
长沙营盘路湘江隧道为城市中心区水下隧道 ， 南线全长 2 702． 084 m （ 封闭区域长 2 510 m ） 、 北 线长 3 001 m （ 封闭区域长 2 506 m ） ， 主线纵坡成 “V” 字形布置， 隧道东岸出口位于建成的城市中心
图1
风机平面布置示意图 Fan layout diagram 表1 Table 1 隧道主要污染物通风设计指标 for main pollutant 交通工况 正常 慢速 全段阻滞 局部阻滞 车速 （ km / h） 40 ～ 50 30 20 10 CO 浓度 （ ppm） 100 125 100 200 烟雾浓度 （ m －1） 0． 006 0． 007 0． 009 0． 009 The design target of the tunnel ventilation
2
工程概况
商业、 民居建筑密集； 西岸出口位于省级重点文 区， 物保护单位王陵公园附近。 该隧道为双洞单向行 车， 主线设计车速为 50 km / h。隧道北线行车方向 在东岸设有 D 匝道入口， 西岸设有 由东岸至西岸， B 匝道出口； 南线由西岸至东岸， 西岸设有 A 匝到 入口， 东岸设有 C 匝道出口， 见图 1 。
开启风机的位置分别位于第 1 节 （ section1 ） 2 台，
2012 年第 3 期
王
艳， 等： 多匝道公路隧道通风系统模拟研究
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合建） 送排风井加射流风机纵向混合通风。 由于 风井与建筑合建， 在隧道初期风井还不能建成， 所 和北 以南线分两种情况进行模拟。一种是无风井， 线一样只采用射流风机纵向通风方式 ； 一种为风井 建成后， 采用风井和射流风机混合通风方式 。
1
引
言
正常交通情况下， 隧道通风应满足稀释隧道内汽车 行驶时排除废气中以 CO 为代表的有害物质烟雾， 为司乘人员、 维修人员提供合理的通风卫生标准， 为安全行车提供良好的空气清晰视度 。此外， 隧道 出口位于生活密集区的， 洞口的排放还要求达到安 全卫生标准。因此隧道通风担任着很重要的角色 。
［5 ］ 文章运用 SES 软件 ， 对长沙营盘路湘江隧道的 通风情况进行模拟， 对通风系统的运行方案进行优
026． 1 —1999 ） 、 PIARC 推荐值以及日本、 挪威等国 外相关规范， 结合本隧道的实际情况、 现场条件、 营 运经济性及国内已建成城市道路隧道通风实际营 运效果等综合确定设计指标。 通过适当提高隧道 通风设计的指标， 不仅提高了隧道内空气质量， 改 善了行车环境， 而且降低了隧道外排放的污染物浓 度， 减少对城市环境的影响， 有利于隧道影响区域 的发展。详见表 1 。
公路隧道作为城市立体交通方式之一 ， 不仅可 以缓解城市交通压力， 而且可以极大缩短线路里 程， 降低对周围环境和人民生产、 生活的影响。 然 而， 随着隧道建造长度、 交通量的不断增大， 营运通 风、 消防的矛盾也变得越来越突出， 经济性与安全 ［1 ～ 4 ］ 。 性的和谐统一已成为隧道通风发展的新方向
图4 Fig． 4
北线车速 20 km / h 风量分配图
North lineair distributionat speed 20 km / h
图2 Fig． 2
北线通风网络计算模型 networks
Computation model of North line ventilation
section14 表示 D 图中 section13 表示 B 匝道， 匝道通过多次试算调整， 确定各车速工况下， 所需 开启射流风机的最优台数及位置 。结果如下表： 各车速工况下对应表 2 开启射流风机隧道各 如图 3 ～ 图 8 ： 节（ section） 风量分配图， 正常通车工况（ 车速为 50 km / h ） ， 仅需在第 3 节（ section3 ） 开启 8 台射流风机， 主线和匝道即可 同时达到风量要求和最低风速要求 2． 5 m / s。 在 阻滞工 况 （ 车 速 为 10 km / h ） ， 共 需 要 开 启 18 台 风机，
第8 卷
量和需要配置的射流风机台数。 文章应用 SES 软 件， 对各行车速度工况进行模拟， 计算出各工况下 隧道内部气流分布及需要开启的射流风机的台数 。 从而可以为设计者提供更进一步的理论支持 ， 且可 提供最优运行方案， 达到节能运行目的。 随道通风系统平面布置示意图如下 ： 轴流排风机参数： 叶轮直径为 2 400 mm， 风量 120 m3 / s， ； 轴流 全压 1 075 Pa， 电机功率为 200 kW， 送风机参数： 叶轮直径为 2 000 mm， 风量 80 m / s， 全 电机功率为 160 kW； 压 1 255 Pa， 射流风机按一组两台布置， 射流风机参数为： 叶轮直径为 900 mm， 出口风速为 33． 5 m / s， 轴向推
4Leabharlann Baidu
SES 通风模拟
营盘路湘江隧道， 由于设有多个匝道， 送排风
通风系统气流组织复杂。 正常通风工况下， 由 井， 会影响主隧道和匝道风 于汽车运行产生的活塞风， 量分配情况。阻滞工况， 机械通风风量分配也受多 匝道的影响， 常规的方法很难计算出隧道实际通风
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地下空间与工程学报 表2 Table 2 北线射流风机开启及分布情况 impulse fans 节车速 10 km / h 20 km / h 30 km / h 40 km / h 50 km / h 1 6 2 0 0 0 2 0 0 0 0 0 3 4 6 6 6 8 4 2 2 2 2 0 13 2 2 2 2 0 14 4 2 0 0 0
The operating and distribution of north line
风机总台数 18 14 10 10 8
流风机送风方向与车行方向一致 。 为了达到卫生和安全的标准， 以隧道内部最大
3 风量达到设计风量要求 （ 南线 238 m / s， 北线 248
第8 卷 第3 期 2012 年 6 月
地下空间与工程学报 Chinese Journal of Underground Space and Engineering
Vol． 8 Jun． 2012
多匝道公路隧道通风系统模拟研究
王
1 1 2 艳， 王子云 ， 唐上明 ，孟
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（ 1． 四川大学建筑与环境学院， 成都 610065 ； 2． 中铁隧道勘测设计院有限公司， 天津 300133 ； 3． 兰州理工大学土木工程学院， 兰州 730050 ） 要： 随着公路隧道的发展， 公路隧道的形式越来越复杂， 公路隧道的通风计算也越复 杂。本文采用 SES 软件对长沙营盘路湘江隧道各车速工况下的通风系统进行了模拟 ， 优化了 摘 通风系统运行模式， 从而降低通风能耗； 分析了各工况下隧道内部及出口的污染物浓度情况， 从卫生安全角度， 验证优化后的通风系统运行模式的可行性 ； 研究发现风井的布置太靠近出入 口， 会造成短到回流， 且会增风机运行加能耗。研究结果可供类似工程参考。 关键词： 公路隧道； 匝道； 通风系统； 网络； 能耗 中图分类号： TU834． 2 文献标识码： A 文章编号： 1673 － 0836 （ 2012 ） 03 － 0630 － 07
The Simulation Research of Ventilation System of Highway Tunnel with Several Ramps
Wang Yan1 ， Wang Ziyun1 ， Tang Shangming2 ， Meng Xi2
（ 1 ． College of Architecture and Environment，Sichuan University； Chengdu 610065 ，China； 2 ． China Railway Tunnel Survey and 300133 ； 3 ． School of Civil Engineering，Lanzhou University of Technology，Lanzhou 730050 ，China） Design Institute Ltd，Tianjing， Abstract： With the development of highway tunnel， the forms of the highway tunnel are more and more complicated，as a rusult，the ventilation calculation of highway tunnel is more and more complex． In this paper，the ventilation system of Xiang River YingPan Road Tunnel in Changsha at different vehicle speeds has been simulated by using the SES software to optimize the operating mode of the ventilation system and reduce the ventilation energy consumption； and the concentration of waste gas in different ventilation operating mode has been analysed，verifying the feasibility of the optimized ventilating system in the way of health and safety； the study found that the well which was too close to the entrance，would cause backflow，and increase the energy consumption of fan operation． The results could be as reference for similar projects． Keywords： highway tunnel，ramp，ventilation system，network，energy consumption
*
1203 （ 修改稿） 收稿日期： 20111987）， mail： flyple@ 163． com 作者简介： 王艳（ 女， 江西赣州人， 硕士生， 主要从事建筑节能研究 。E-
2012 年第 3 期
王
［6 ］
艳， 等： 多匝道公路隧道通风系统模拟研究
631
化， 从而达到节约通风能耗的目的
。
Fig． 1
隧道拟采用的通风方式为： 南线， 主洞采用单 加射流风机混合 竖井（ 风井与建筑合建 ） 送排风， 纵向式通风方案； A 匝道采用全射流纵向式通风方 案； C 匝道采用竖井集中排风和射流风机混合纵向 B， D 匝道采用全射流纵向式 式通风方案。 北线， 通风方案。
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隧道通风设计标准
［7 ］ 根据《公 路 隧 道 通 风 照 明 设 计 规 范 》 （ JTJ
m3 / s） ， 各 节 （ section ） 风 速 达 到 最 低 风 速 要 求 2． 5 m / s为标准， 进行模拟设计。 4． 1 北线各车速工况 北线通风网络计算模型图如图 2 所示：
Fig． 3
图3
北线车速 10 km / h 风量分配图
North line- air distribution at speed 10 km / h
Fig． 5
图5
北线车速 30 km / h 风量分配图
North lineair distribution at speed 30 km / h
图6 Fig． 6
北线车速 40 km / h 风量分配分布图 North lineair distribution at speed 40 km / h
长沙营盘路湘江隧道为城市中心区水下隧道 ， 南线全长 2 702． 084 m （ 封闭区域长 2 510 m ） 、 北 线长 3 001 m （ 封闭区域长 2 506 m ） ， 主线纵坡成 “V” 字形布置， 隧道东岸出口位于建成的城市中心
图1
风机平面布置示意图 Fan layout diagram 表1 Table 1 隧道主要污染物通风设计指标 for main pollutant 交通工况 正常 慢速 全段阻滞 局部阻滞 车速 （ km / h） 40 ～ 50 30 20 10 CO 浓度 （ ppm） 100 125 100 200 烟雾浓度 （ m －1） 0． 006 0． 007 0． 009 0． 009 The design target of the tunnel ventilation
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工程概况
商业、 民居建筑密集； 西岸出口位于省级重点文 区， 物保护单位王陵公园附近。 该隧道为双洞单向行 车， 主线设计车速为 50 km / h。隧道北线行车方向 在东岸设有 D 匝道入口， 西岸设有 由东岸至西岸， B 匝道出口； 南线由西岸至东岸， 西岸设有 A 匝到 入口， 东岸设有 C 匝道出口， 见图 1 。
开启风机的位置分别位于第 1 节 （ section1 ） 2 台，
2012 年第 3 期
王
艳， 等： 多匝道公路隧道通风系统模拟研究
633
合建） 送排风井加射流风机纵向混合通风。 由于 风井与建筑合建， 在隧道初期风井还不能建成， 所 和北 以南线分两种情况进行模拟。一种是无风井， 线一样只采用射流风机纵向通风方式 ； 一种为风井 建成后， 采用风井和射流风机混合通风方式 。
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引
言
正常交通情况下， 隧道通风应满足稀释隧道内汽车 行驶时排除废气中以 CO 为代表的有害物质烟雾， 为司乘人员、 维修人员提供合理的通风卫生标准， 为安全行车提供良好的空气清晰视度 。此外， 隧道 出口位于生活密集区的， 洞口的排放还要求达到安 全卫生标准。因此隧道通风担任着很重要的角色 。
［5 ］ 文章运用 SES 软件 ， 对长沙营盘路湘江隧道的 通风情况进行模拟， 对通风系统的运行方案进行优
026． 1 —1999 ） 、 PIARC 推荐值以及日本、 挪威等国 外相关规范， 结合本隧道的实际情况、 现场条件、 营 运经济性及国内已建成城市道路隧道通风实际营 运效果等综合确定设计指标。 通过适当提高隧道 通风设计的指标， 不仅提高了隧道内空气质量， 改 善了行车环境， 而且降低了隧道外排放的污染物浓 度， 减少对城市环境的影响， 有利于隧道影响区域 的发展。详见表 1 。
公路隧道作为城市立体交通方式之一 ， 不仅可 以缓解城市交通压力， 而且可以极大缩短线路里 程， 降低对周围环境和人民生产、 生活的影响。 然 而， 随着隧道建造长度、 交通量的不断增大， 营运通 风、 消防的矛盾也变得越来越突出， 经济性与安全 ［1 ～ 4 ］ 。 性的和谐统一已成为隧道通风发展的新方向
图4 Fig． 4
北线车速 20 km / h 风量分配图
North lineair distributionat speed 20 km / h
图2 Fig． 2
北线通风网络计算模型 networks
Computation model of North line ventilation
section14 表示 D 图中 section13 表示 B 匝道， 匝道通过多次试算调整， 确定各车速工况下， 所需 开启射流风机的最优台数及位置 。结果如下表： 各车速工况下对应表 2 开启射流风机隧道各 如图 3 ～ 图 8 ： 节（ section） 风量分配图， 正常通车工况（ 车速为 50 km / h ） ， 仅需在第 3 节（ section3 ） 开启 8 台射流风机， 主线和匝道即可 同时达到风量要求和最低风速要求 2． 5 m / s。 在 阻滞工 况 （ 车 速 为 10 km / h ） ， 共 需 要 开 启 18 台 风机，
第8 卷
量和需要配置的射流风机台数。 文章应用 SES 软 件， 对各行车速度工况进行模拟， 计算出各工况下 隧道内部气流分布及需要开启的射流风机的台数 。 从而可以为设计者提供更进一步的理论支持 ， 且可 提供最优运行方案， 达到节能运行目的。 随道通风系统平面布置示意图如下 ： 轴流排风机参数： 叶轮直径为 2 400 mm， 风量 120 m3 / s， ； 轴流 全压 1 075 Pa， 电机功率为 200 kW， 送风机参数： 叶轮直径为 2 000 mm， 风量 80 m / s， 全 电机功率为 160 kW； 压 1 255 Pa， 射流风机按一组两台布置， 射流风机参数为： 叶轮直径为 900 mm， 出口风速为 33． 5 m / s， 轴向推
4Leabharlann Baidu
SES 通风模拟
营盘路湘江隧道， 由于设有多个匝道， 送排风
通风系统气流组织复杂。 正常通风工况下， 由 井， 会影响主隧道和匝道风 于汽车运行产生的活塞风， 量分配情况。阻滞工况， 机械通风风量分配也受多 匝道的影响， 常规的方法很难计算出隧道实际通风
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地下空间与工程学报 表2 Table 2 北线射流风机开启及分布情况 impulse fans 节车速 10 km / h 20 km / h 30 km / h 40 km / h 50 km / h 1 6 2 0 0 0 2 0 0 0 0 0 3 4 6 6 6 8 4 2 2 2 2 0 13 2 2 2 2 0 14 4 2 0 0 0