孙超 陈超 王陆瑶 周宇
北京工业大学绿色建筑环境与节能技术北京市重点实验室
【摘 要】隧道通风换气是确保城市地下道路安全运营的重要控制措施之一。本研究以多点进出城市地下道路为研究对象，运用流体力学、能量守恒、基尔霍夫定律的原理和试验研究的方法，重点研究分（合）流匝道对隧道纵向通风系统阻力特性的影响规律；进一步结合所构建的多点进出城市地下道路通风阻力计算模型，分析并提出纵向通风风机开启方式对隧道通风系统节能运行影响规律及其最优通风机开启方式的确定原则。研究结果表明：当多点进出城市地下道路某主隧道i段污染物浓度超标时，建议优先开启当前主隧道段通风机，使位于该隧道段上游的匝道为进风状态、其下游匝道为排风状态，有利于通风系统节能运行。
【关键词】多点进出城市地下道路；分（合）流匝道；纵向通风方式；通风阻力模型；通风机运行策略
【基金项目】北京市自然科学基金项目（8162006）；国家自然科学基金项目(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
纵向射流通风系统是目前城市地下道路机动车排放污染物浓度控制的主要通风通风方式。与单点进出的直隧道比较，由于多点进出城市地下道路受其分、合流匝道结构特征的影响，隧道内空气流动特性远较单点进出城市地下道路的复杂，隧道各段的空气流动特性不但受本隧道段结构特征的影响，同时还受上、下游隧道段分（合）流匝道“局部阻力构件”阻力特性的影响。因此，当隧道某段污染物浓度超标且该隧道段控制需风量已确定，隧道纵向通风系统开启方式，包括开启通风机所处隧道位置的确定，将直接影响多点进出城市地下道路纵向射流通风系统的节能运行。
以往关于隧道空气流动特性的研究主要集中在长直公路隧道。Shaohua Mao[1]等人通过对隧道阻力特性的分析，建立了一维能量平衡方程，提出了一种结合纵向通风和自然通风的烟气控制模式。同样关于通风系统的研究也主要是针对公路隧道的通风系统设计参数和不同风机运行模式时空气流动特性的研究。Mizuno等人[2]采用实验和计算模拟方法，分析了风机纵向安装间距以及隧道不同的进口风速对不同型号风机的综合影响系数的影响规律。Martegani[3]等人结合实验研究方法，研究了风机升压力以及风机流场受射流风机喷口样式影响的情况。Levy.S等人[4]对公路隧道纵向通风系统中的射流通风进行了模拟研究,描述了射流风机的安装距离对隧道内气流分布的影响。王峰等人[5]对隧道内射流风机的气动特性以及对隧道内空气的流动特性进行了计算研究。Guihong Pei等人[6]对公路隧道不同的射流模式和风机组合的空气流动特性进行了数值模拟研究。
本研究结合他人关于单点进出隧道的研究方法，以多点进出城市地下道路为重点研究对象，运用流体力学、能量守恒、基尔霍夫定律的原理和试验研究的方法，重点研究分（合）流匝道对隧道纵向通风系统阻力特性的影响规律；进一步结合所构建的多点进出城市地下道路通风阻力模型，分析纵向通风风机开启方式，包括不同位置通风机运行方式对隧道通风系统节能运行的影响规律；并结合研究团队关于长沙市营盘路湘江隧道纵向通风系统现场实测结果，研究并给出可指导多点进出城市地下道路通风系统节能运行策略制定的基本原则。
2 材料与方法
2.1 隧道通风阻力计算模型构建
对于多点进出城市地下道路，当第i个主隧道段机动车排放污染物浓度超标，并确定该段所需通风量为Qi时，寻找最优的通风机开启方式，对确保该隧道段机动车排放污染物浓度有效控制条件下的节能运行，将产生直接影响。图1为多点进出城市地下道路通风网络图，由图可见，受隧道内各分（合）流匝道“局部阻力构件”阻力特性的影响，当开启风机位置不同，将影响分（合）流匝道空气出流特性，进而影响隧道通风系统的阻力特性、风机的运行能耗。
为此，本节将根据流体力学等理论，建立关于图1的多点进出城市地下道路空气流动网络模型，以此分析并把握多点进出城市地下道路通风系统流动阻力特性的影响因素及其变化规律。
1）基本假设
（1）考虑到城市地下道路长度远大于其横断面，隧道内空气流动视为一维不可压缩气体的恒定流动；（2）隧道口处风压为当地大气压，隧道内初始空气速度为0；（3）不考虑隧道内坡度变化的影响，均视为平直隧道；（4）壁面粗糙度不变。
2）基本方程
根据基尔霍夫定律，图1中流出（入）任意分（合）匝道i节点的空气流量代数和为零,即有式（1）成立。
根据流体力学理论，可建立各合（分）流匝节点的压力平衡方程式（2）～（4）式。
式中，ΔPi—第i段隧道的阻力，Pa；Si—第i段隧道的阻抗，kg/m7；Qi—第i段隧道的流量，m3/s；λ—沿程摩擦阻力系数（当流动处于阻力平方区时，通常可取λ=0.02）；Li—第i段隧道的长度，m；Di—第i段隧道断面当量直径，m；ξi—第i段隧道局部阻力系数（可参考文献[7]取值）；ρ—空气密度，kg/m3。
2.2 模型求解
对于在运营的隧道，其结构特征一定，当隧道某段机动车排放污染物浓度超标且控制需风量为Q时，联立式（1）～（4）式，即可求解得多点进出城市地下道路各隧道段风速vi（风量Qi）。
如果开启的通风机位置确定，风机上下游各分（合流）段的空气流动方向即确定，根据参考文献[7]可确定对应的局部阻力系数ξi；根据式（3）可确定关于i点的最不利环路及其系统通风阻力ΔH，也即需要在第i隧道段形成风速vi（风量Qi）空气流动特性所需要的风机压头ΔH计算式如式5）。
3 计算结果及分析
3.1 计算条件
以图1为例，假设某隧道的主隧道总长度为3000m，各匝道长均为500m，主隧道断面积取54.14m2（当量直径为8m），匝道断面积取45.82m2、（当量直径为6.8m）；主隧道与分（合）流匝道的夹角取10° [7] 。考察通风机位于隧道不同位置，对隧道空气流动特性的影响规律。
3.2 计算结果
3.2.1 通风机上游均为合流匝道
假设通风机的上游均为合流匝道（图2a）），且需在隧道i段（通风机所在位置）提供风量Qi=200m3/h时，考察随着上游主隧道合流匝道数量改变，其对隧道通风系统阻力特性变化规律的影响。
图2计算结果表明，计算条件下，同是3000m长的隧道，同长度单点进出直隧道的通风系统阻力最大；上游隧道合流匝道从1个增加到5个，多点进出道路主隧道通风系统阻力几乎没有变。说明多点进出道路主隧道通风系统阻力主要所通风机上游第一个合流匝道空气流动特性的影响。
3.2.2 通风机下游均为分流匝道
同理，假设通风机的下游均为分流匝道（图3a）），且需在隧道i段（通风机所在位置）提供风量Qi=200m3/h时，考察随着下游主隧道分流匝道数量改变，其对隧道通风系统阻力特性变化规律的影响。
图3计算结果表明，通风机下游均为分流匝道的计算结果与通风机上游均为合流匝道的情况（图3）非常类似。即，同长度单点进出直隧道的通风系统阻力最大；下游隧道分流匝道从1个增加到5个，多点进出道路主隧道通风系统阻力几乎不受其影响，主要受通风机下游第一个分流匝道空气流动特性的影响。
3.2.3 风机布置位置对通风阻力的影响
图4反映了对于有一个分流匝道和一个合流匝道的多点进出城市地下道路，在主隧道1、2、3段都设置了通风机，当分别开启不同主隧道段的通风机时，分（合）流匝道的空气流动方向也将随之改变，由此将导致隧道通风系统阻力特性随之改变。关于这点，与单点进出直隧道有很大的不同。
为了把握不同主隧道段通风机开启对隧道通风系统阻力特性的影响规律，假定各主隧道段的基本长度为800m、其他计算条件同3.1节，主隧道2段的需风量为200m³/s时，分别考察通风机开启位置变化、各主隧道段长度顺序变化（200～1400m，变化步长为200m）时的通风机性能参数变化规律。
图5计算结果表明，计算条件下，为了确保主隧道2段200m³/s的需风量，开启主隧道2段通风机时的系统阻力最小，其次是开启主隧道3段的通风机，开启主隧道1段通风机的运行方式相对通风阻力最大。
图5计算结果也说明，对于图1中的多点进出城市地下道路通风系统，当某主隧道i段机动车排放污染物浓度超标时，宜优先开启当前主隧道i段的通风机，使位于该主隧道i段上游的匝道均为进风状态、位于其下游的匝道均为排风状态。
4 工程案例分析
4.1 工程概况
将第2节和第3节的研究结果应用于长沙市营盘路湘江隧道通风系统。该隧道主线长度2.7km，双洞单向、分南北两条隧道，结构如图6所示。隧道通风系统为全射流纵向通风方式，其中主隧道1段长为900m，共布置了10台射流风机）；主隧道2段长为850m，共布置8台射流风机；主隧道3段长为525m，共布置8台射流风机；D匝道段长为752m，共布置8台射流风机；B匝道段长为425m，共布置6台射流风机，射流风机主要技术参数如表1所示。主隧道断面积为54.14m2（当量直径为8m），匝道断面积为45.82m2（当量直径为6.8m）；分（合）流匝道的主-支夹角均为10°。
4.2 计算值与实测结果验证
当在主隧道2段营造2.92m/s的风速（风量160m³/s）时，根据第2节式（1）～（4）即可计算得到各隧道段风速。图7为计算值与实测值的比较结果。现场实测是在夜间隧道关闭条件下进行的，各隧道段风速采用德图TESTO 435-2微风速仪测得。计算值与实测值平均误差为9.62%，验证了计算模型的有效性。
4.3 通风系统运行策略优化
1） 现有运行策略
根据研究团队关于长沙市营盘路湘江隧道交通特征和污染物浓度的实测结果[8]，污染物沿着主隧道方向逐渐累积，在隧道出口附近（主隧道3段）浓度达到最大值。通常在早高峰时段容易发生阻塞（机动车行驶速度约为10km/h），导致隧道内污染物浓度偏高。为此，目前给出的通风系统运行策略如图8所示。
2） 优化运行策略
根据实测结果分析，在主隧道3段提供Q3=190m³/s的通风量，即可满足隧道环境的要求。根据第2节计算模型，将相应已知条件代入式（1）～（4），建立方程可求解得各隧道段风量Qi及及其阻抗；由此可分析得到隧道通风系统的最不利通风环路为主隧道的1-2-3；进而根据式（5）可以求得通风系统阻力如式（6）。
单台射流风机可提供压头如式（7）[9]：
式中：ϑj-射流风机出口风速m/s，Aj-射流风机出口面积㎡，η-风机位置摩阻损失折减系数，当同一断面运行2台以上时取0.7。
根据表2和式（7）可知，单台射流风机可提供的升压力为ΔPj=10Pa；根据式（6），只需在主隧道3段开启3台风机即可满足控制需风量的要求，计算结果如图9所示。优化运行方案较现有运行方案节能83％。
5 结论
本研究结合研究团队关于多点进出风实测数据，基于流体力学的连续性方程与能量平衡方程，构建了多点进出城市地下道路通风阻力计算模型，结合工程应用案例的研究结果，得到以下结论：
1） 当某主隧道i段机动车排放污染物浓度超标时，宜优先开启当前主隧道i段的通风机，使位于该主隧道i段上游的匝道均为进风状态、位于其下游的匝道均为排风状态。
2） 工程案例分析结果表明，本研究提出的多点进出城市地下道路通风系统运行策略，可显著提高现有隧道通风系统的节能运行水平
参考文献
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[10] 邓顺熙.公路与长隧道空气污染影响分析方法.北京，科学出版社,2004
备注：本文收录于《建筑环境与能源》2018年10月刊总第15期（第21届暖通空调制冷学术年会文集）。
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