孫超  陳超  王陸瑤  周宇
北京工業大學綠色建筑環境與節能技術北京市重點實驗室

      【摘  要】隧道通風換氣是確保城市地下道路安全運營的重要控制措施之一。本研究以多點進出城市地下道路為研究對象，運用流體力學、能量守恒、基爾霍夫定律的原理和試驗研究的方法，重點研究分（合）流匝道對隧道縱向通風系統阻力特性的影響規律；進一步結合所構建的多點進出城市地下道路通風阻力計算模型，分析并提出縱向通風風機開啟方式對隧道通風系統節能運行影響規律及其最優通風機開啟方式的確定原則。研究結果表明：當多點進出城市地下道路某主隧道i段污染物濃度超標時，建議優先開啟當前主隧道段通風機，使位于該隧道段上游的匝道為進風狀態、其下游匝道為排風狀態，有利于通風系統節能運行。

      【關鍵詞】多點進出城市地下道路；分（合）流匝道；縱向通風方式；通風阻力模型；通風機運行策略

      【基金項目】北京市自然科學基金項目（8162006）；國家自然科學基金項目(51378024)

Abstract: Tunnel ventilation is one of the important control measures to ensure the safe operation of urban underground roads. This study takes multiple points in and out of urban underground roads as the research object, applying the principles of fluid mechanics, energy conservation, Kirchhoff's law, and experimental research methods, and focusing on the influence of branch and flow tunnels on the resistance characteristics of the vertical ventilation system of the tunnel; further combined with the calculation model of multi-point in-and-out urban underground road ventilation resistance, analyzes and proposes the principle of the influence of the vertical ventilation fan opening method on the energy-saving operation of the tunnel ventilation system and the principle of opening the optimal fan. The research results show that when the concentration of pollutants at a certain point in a certain main tunnel of urban underground roads exceeds the standard, It is recommended to give priority to the opening of the current main tunnel fan so that the ramp located upstream of the tunnel can enter the wind and the downstream ramp be exhausted, which is beneficial to the energy-saving operation of the ventilation system.
Key words: Multi-point access to urban underground roads; Split (combined) flow ramp; Longitudinal ventilation; Ventilation resistance model; Ventilator operation strategy

1 引言

      縱向射流通風系統是目前城市地下道路機動車排放污染物濃度控制的主要通風通風方式。與單點進出的直隧道比較，由于多點進出城市地下道路受其分、合流匝道結構特征的影響，隧道內空氣流動特性遠較單點進出城市地下道路的復雜，隧道各段的空氣流動特性不但受本隧道段結構特征的影響，同時還受上、下游隧道段分（合）流匝道“局部阻力構件”阻力特性的影響。因此，當隧道某段污染物濃度超標且該隧道段控制需風量已確定，隧道縱向通風系統開啟方式，包括開啟通風機所處隧道位置的確定，將直接影響多點進出城市地下道路縱向射流通風系統的節能運行。

      以往關于隧道空氣流動特性的研究主要集中在長直公路隧道。Shaohua Mao^[1]等人通過對隧道阻力特性的分析，建立了一維能量平衡方程，提出了一種結合縱向通風和自然通風的煙氣控制模式。同樣關于通風系統的研究也主要是針對公路隧道的通風系統設計參數和不同風機運行模式時空氣流動特性的研究。Mizuno等人^[2]采用實驗和計算模擬方法，分析了風機縱向安裝間距以及隧道不同的進口風速對不同型號風機的綜合影響系數的影響規律。Martegani^[3]等人結合實驗研究方法，研究了風機升壓力以及風機流場受射流風機噴口樣式影響的情況。Levy.S等人^[4]對公路隧道縱向通風系統中的射流通風進行了模擬研究,描述了射流風機的安裝距離對隧道內氣流分布的影響。王峰等人^[5]對隧道內射流風機的氣動特性以及對隧道內空氣的流動特性進行了計算研究。Guihong Pei等人^[6]對公路隧道不同的射流模式和風機組合的空氣流動特性進行了數值模擬研究。

      本研究結合他人關于單點進出隧道的研究方法，以多點進出城市地下道路為重點研究對象，運用流體力學、能量守恒、基爾霍夫定律的原理和試驗研究的方法，重點研究分（合）流匝道對隧道縱向通風系統阻力特性的影響規律；進一步結合所構建的多點進出城市地下道路通風阻力模型，分析縱向通風風機開啟方式，包括不同位置通風機運行方式對隧道通風系統節能運行的影響規律；并結合研究團隊關于長沙市營盤路湘江隧道縱向通風系統現場實測結果，研究并給出可指導多點進出城市地下道路通風系統節能運行策略制定的基本原則。

2 材料與方法

      2.1 隧道通風阻力計算模型構建

      對于多點進出城市地下道路，當第i個主隧道段機動車排放污染物濃度超標，并確定該段所需通風量為Q_i時，尋找最優的通風機開啟方式，對確保該隧道段機動車排放污染物濃度有效控制條件下的節能運行，將產生直接影響。圖1為多點進出城市地下道路通風網絡圖，由圖可見，受隧道內各分（合）流匝道“局部阻力構件”阻力特性的影響，當開啟風機位置不同，將影響分（合）流匝道空氣出流特性，進而影響隧道通風系統的阻力特性、風機的運行能耗。

      為此，本節將根據流體力學等理論，建立關于圖1的多點進出城市地下道路空氣流動網絡模型，以此分析并把握多點進出城市地下道路通風系統流動阻力特性的影響因素及其變化規律。

      1）基本假設

      （1）考慮到城市地下道路長度遠大于其橫斷面，隧道內空氣流動視為一維不可壓縮氣體的恒定流動；（2）隧道口處風壓為當地大氣壓，隧道內初始空氣速度為0；（3）不考慮隧道內坡度變化的影響，均視為平直隧道；（4）壁面粗糙度不變。

      2）基本方程

      根據基爾霍夫定律，圖1中流出（入）任意分（合）匝道i節點的空氣流量代數和為零,即有式（1）成立。

     

      根據流體力學理論，可建立各合（分）流匝節點的壓力平衡方程式（2）～（4）式。
     

      式中，ΔP_i—第i段隧道的阻力，Pa；S_i—第i段隧道的阻抗，kg/m⁷；Q_i—第i段隧道的流量，m³/s；λ—沿程摩擦阻力系數（當流動處于阻力平方區時，通常可取λ=0.02）；L_i—第i段隧道的長度，m；D_i—第i段隧道斷面當量直徑，m；ξ_i—第i段隧道局部阻力系數（可參考文獻[7]取值）；ρ—空氣密度，kg/m³。

      2.2 模型求解

      對于在運營的隧道，其結構特征一定，當隧道某段機動車排放污染物濃度超標且控制需風量為Q時，聯立式（1）～（4）式，即可求解得多點進出城市地下道路各隧道段風速vi（風量Qi）。

      如果開啟的通風機位置確定，風機上下游各分（合流）段的空氣流動方向即確定，根據參考文獻[7]可確定對應的局部阻力系數ξ_i；根據式（3）可確定關于i點的最不利環路及其系統通風阻力ΔH，也即需要在第i隧道段形成風速v_i（風量Q_i）空氣流動特性所需要的風機壓頭ΔH計算式如式5）。

     

3 計算結果及分析

      3.1 計算條件

      以圖1為例，假設某隧道的主隧道總長度為3000m，各匝道長均為500m，主隧道斷面積取54.14m²（當量直徑為8m），匝道斷面積取45.82m²、（當量直徑為6.8m）；主隧道與分（合）流匝道的夾角取10° ^[7] 。考察通風機位于隧道不同位置，對隧道空氣流動特性的影響規律。

      3.2 計算結果

      3.2.1 通風機上游均為合流匝道

      假設通風機的上游均為合流匝道（圖2a）），且需在隧道i段（通風機所在位置）提供風量Qi=200m3/h時，考察隨著上游主隧道合流匝道數量改變，其對隧道通風系統阻力特性變化規律的影響。   

      圖2計算結果表明，計算條件下，同是3000m長的隧道，同長度單點進出直隧道的通風系統阻力最大；上游隧道合流匝道從1個增加到5個，多點進出道路主隧道通風系統阻力幾乎沒有變。說明多點進出道路主隧道通風系統阻力主要所通風機上游第一個合流匝道空氣流動特性的影響。

      3.2.2 通風機下游均為分流匝道

      同理，假設通風機的下游均為分流匝道（圖3a）），且需在隧道i段（通風機所在位置）提供風量Qi=200m³/h時，考察隨著下游主隧道分流匝道數量改變，其對隧道通風系統阻力特性變化規律的影響。

      圖3計算結果表明，通風機下游均為分流匝道的計算結果與通風機上游均為合流匝道的情況（圖3）非常類似。即，同長度單點進出直隧道的通風系統阻力最大；下游隧道分流匝道從1個增加到5個，多點進出道路主隧道通風系統阻力幾乎不受其影響，主要受通風機下游第一個分流匝道空氣流動特性的影響。

      3.2.3 風機布置位置對通風阻力的影響

      圖4反映了對于有一個分流匝道和一個合流匝道的多點進出城市地下道路，在主隧道1、2、3段都設置了通風機，當分別開啟不同主隧道段的通風機時，分（合）流匝道的空氣流動方向也將隨之改變，由此將導致隧道通風系統阻力特性隨之改變。關于這點，與單點進出直隧道有很大的不同。

      為了把握不同主隧道段通風機開啟對隧道通風系統阻力特性的影響規律，假定各主隧道段的基本長度為800m、其他計算條件同3.1節，主隧道2段的需風量為200m³/s時，分別考察通風機開啟位置變化、各主隧道段長度順序變化（200～1400m，變化步長為200m）時的通風機性能參數變化規律。

      圖5計算結果表明，計算條件下，為了確保主隧道2段200m³/s的需風量，開啟主隧道2段通風機時的系統阻力最小，其次是開啟主隧道3段的通風機，開啟主隧道1段通風機的運行方式相對通風阻力最大。

      圖5計算結果也說明，對于圖1中的多點進出城市地下道路通風系統，當某主隧道i段機動車排放污染物濃度超標時，宜優先開啟當前主隧道i段的通風機，使位于該主隧道i段上游的匝道均為進風狀態、位于其下游的匝道均為排風狀態。

4 工程案例分析

      4.1 工程概況

      將第2節和第3節的研究結果應用于長沙市營盤路湘江隧道通風系統。該隧道主線長度2.7km，雙洞單向、分南北兩條隧道，結構如圖6所示。隧道通風系統為全射流縱向通風方式，其中主隧道1段長為900m，共布置了10臺射流風機）；主隧道2段長為850m，共布置8臺射流風機；主隧道3段長為525m，共布置8臺射流風機；D匝道段長為752m，共布置8臺射流風機；B匝道段長為425m，共布置6臺射流風機，射流風機主要技術參數如表1所示。主隧道斷面積為54.14m2（當量直徑為8m），匝道斷面積為45.82m2（當量直徑為6.8m）；分（合）流匝道的主-支夾角均為10°。

      4.2 計算值與實測結果驗證

      當在主隧道2段營造2.92m/s的風速（風量160m³/s）時，根據第2節式（1）～（4）即可計算得到各隧道段風速。圖7為計算值與實測值的比較結果。現場實測是在夜間隧道關閉條件下進行的，各隧道段風速采用德圖TESTO 435-2微風速儀測得。計算值與實測值平均誤差為9.62%，驗證了計算模型的有效性。

      4.3 通風系統運行策略優化

      1） 現有運行策略

      根據研究團隊關于長沙市營盤路湘江隧道交通特征和污染物濃度的實測結果[8]，污染物沿著主隧道方向逐漸累積，在隧道出口附近（主隧道3段）濃度達到最大值。通常在早高峰時段容易發生阻塞（機動車行駛速度約為10km/h），導致隧道內污染物濃度偏高。為此，目前給出的通風系統運行策略如圖8所示。

      2） 優化運行策略

      根據實測結果分析，在主隧道3段提供Q3=190m³/s的通風量，即可滿足隧道環境的要求。根據第2節計算模型，將相應已知條件代入式（1）～（4），建立方程可求解得各隧道段風量Qi及及其阻抗；由此可分析得到隧道通風系統的最不利通風環路為主隧道的1-2-3；進而根據式（5）可以求得通風系統阻力如式（6）。

     

      單臺射流風機可提供壓頭如式（7）^[9]：

     

      式中：ϑ_j-射流風機出口風速m/s，A_j-射流風機出口面積㎡，η-風機位置摩阻損失折減系數，當同一斷面運行2臺以上時取0.7。

      根據表2和式（7）可知，單臺射流風機可提供的升壓力為ΔPj=10Pa；根據式（6），只需在主隧道3段開啟3臺風機即可滿足控制需風量的要求，計算結果如圖9所示。優化運行方案較現有運行方案節能83％。

5 結論

      本研究結合研究團隊關于多點進出風實測數據，基于流體力學的連續性方程與能量平衡方程，構建了多點進出城市地下道路通風阻力計算模型，結合工程應用案例的研究結果，得到以下結論：

      1） 當某主隧道i段機動車排放污染物濃度超標時，宜優先開啟當前主隧道i段的通風機，使位于該主隧道i段上游的匝道均為進風狀態、位于其下游的匝道均為排風狀態。

      2） 工程案例分析結果表明，本研究提出的多點進出城市地下道路通風系統運行策略，可顯著提高現有隧道通風系統的節能運行水平

參考文獻

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      [3] Martegani A D, Pavesi G, Barbetta C. An experimental study on the longitudinal ventilation system[C]//Proceedings of BHR Group, 8th International Conference on the Aerodynamics and Ventilation of Vehicle Tunnels. 1994: 3-15.
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      [8] 鄧奕雯. 基于交通特征的城市地下道路污染物排放特性研究[D].北京工業大學,2015.
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      [10] 鄧順熙.公路與長隧道空氣污染影響分析方法.北京，科學出版社,2004

      備注：本文收錄于《建筑環境與能源》2018年10月刊總第15期（第21屆暖通空調制冷學術年會文集）。
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