公路隧道通風研究論文

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摘要：隧道通風需風量的確定是取CO濃度指標和煙霧指標計算出來的較大者作為需風量。如果是煙霧濃度指標的需風量大于CO指標需風量，則靜電除塵裝置的使用可以降低隧道內的需風量，從而提高了運行的經濟性。在不同的坡度和車速下，機動車的CO和煙霧的排放特性會發生變化。本文研究了不同的坡度和車速下，靜電除塵裝置的基本使用條件的確定。本文的研究成果可用于隧道通風的設計與研究中。

關鍵詞：隧道工程靜電除塵使用條件濃度指標

0引言

在交通事業發展迅猛的今天，公路隧道建設也得到了長足的發展。公路隧道通風設施的費用一般為工程造價的20％～30％，長大隧道甚至可達50％[1]，因此公路隧道的通風問題是十分值得關注的研究課題。

目前的隧道通風方式分為以下幾種，如圖1所示。

當交通流量不大，隧道長度比較短時，隧道采用自然通風即可滿足要求。1924年，美國匹茲堡室自由隧道（長1800米）發生交通堵塞，洞內CO濃度增高，導致很多人中毒，從此，隧道的設計中開始采用機械通風系統。

美國紐約市的荷蘭隧道，采用盾構法施工，圓形斷面，所以車道下面作為送風道，上部作為排風道，氣流從下往上橫向流動。世界上首次采用全橫向通風方式。

對于圓形斷面的隧道，車道的上部、下部空間可以作為風道，而對于其他斷面形式的隧道就沒有這種便利了。1934年，英國人在修建莫爾西隧道（長3226米）時，對盡量減少管道斷面的方式做了研究，首次采用半橫向通風系統。取得了很好的效果。

全橫向和半橫向通風方式，需要隔離較大的隧道斷面空間作為風道，需要大功率的軸流風機通過斜（豎）井排出洞內廢氣，因此需要花費較大的工程費用和營運費用。縱向通風方式浮出水面。

對于縱向通風的研究，日本人一直走在世界的前列。1976年，日本在修建關越隧道（長10855米），首次將縱向通風應用于10km以上的隧道。并對隧道通風編程模擬，模擬的結果表明靜電除塵裝置加送排式縱向通風系統可以應用在關越隧道上，并得出了不論交通方式、隧道長短如何，均可采用靜電除塵裝置加分段縱向通風的結論。

本文通過對柴油車和汽油車在不同坡度和速度情況下的CO和煙霧的排放的分析，得出靜電除塵裝置的基本使用條件的計算方法。

1靜電除塵裝置簡介及其在隧道中的應用

靜電除塵裝置的使用場所大致分為兩種類型，一是以改善隧道內視距為主要目的的隧道內設置型；一是以改善隧道口環境為主要目的的換氣處設置型。本文討論的是前者的以改善隧道內部空氣品質為目的的靜電除塵裝置。

1.1靜電除塵裝置原理

如圖2所示，在帶負電的放電極周圍的空氣電離形成電離區（叫做電暈區），電暈區通常局限于放電極周圍幾毫米處。電離后，負離子向帶正電的正極移動。含沉空氣通過靜電除塵裝置時，獲得負電荷，沉積在正極板（因此正極板也叫做集塵板）上，只有少量在電暈區通過（因為電暈區范圍很小），沉積在負極板上。

1.2靜電除塵裝置的開發過程

靜電除塵裝置從第一號機的開發到現在，處理風速和除塵效率都在不斷提高。

表1靜電除塵裝置發展過程第一代第二代第三代第四代

1978~19891986~19961996~現在1999~現在

空氣洗凈式靜電除塵裝置水洗凈式靜電除塵裝置水洗凈式靜電除塵裝置水洗凈式靜電除塵裝置

處理風速7m/s處理風速7m/s處理風速9m/s處理風速9m/s

效率80%效率80%效率80%效率90%

2靜電除塵裝置的使用條件分析

當按照煙霧濃度指標計算得到的隧道通風需風量大于按照CO濃度指標計算得到的隧道通風需風量時，隧道滿足了采用靜電除塵裝置的必要條件。此時，若在隧道中采用靜電除塵裝置，則可以降低隧道的需風量，從而降低了隧道通風量，從而達到了節能的目的。

2.1滿足CO指標的隧道通風需風量計算方法

2.1.1CO排放量計算

（1）

式中：——隧道全長CO排風量，m3/s；——CO基準排風量，取為0.01m3/輛·km；——考慮CO的車況系數；——車密度系數；——考慮CO的海拔高度系數；——考慮CO的縱坡－車速系數；——考慮CO的車型系數；——車型類別數；——相應類型的設計交通量，輛/h。

2.1.2稀釋CO的需風量計算

（2）

中：——隧道全長稀釋CO的需風量，m3/s；——標準大氣壓，取為101.325kPa；——隧道選址設計大氣壓；——標準氣溫，取為273K；——隧道夏季設計氣溫，K。

2.2滿足煙霧指標隧道通風需風量計算方法

2.2.1煙霧排放量計算

（3）

式中：——隧道全長煙霧排風量，m2/s；——煙霧基準排風量，取為2.5m2/輛·km；——考慮煙霧的車況系數；——考慮煙霧的縱坡－車速系數；——考慮煙霧的海拔高度系數，取為1.0；——考慮煙霧的車型系數；——柴油車的車型類別數；——相應車型的設計交通量，輛/h。

2.2.2稀釋煙霧的需風量計算

（4）

式中：——隧道全長稀釋煙霧的需風量，m3/s；——煙霧設計濃度，m-1。

2.3臨界柴油車比例

臨界柴油車比例是當按CO指標計算的需風量等于按煙霧指標計算的需風量時的柴油車比例。如果柴油車比例超過臨界柴油車比例，則隧道就有可能需要使用靜電除塵裝置。

臨界柴油車比例的計算方法為，利用公式（2）得出按CO指標計算的需風量，利用公式（4）得出按煙霧指標計算的需風量。令二者相等，得出臨界柴油車比例的計算公式為：

（5）

式中：——臨界柴油車比例；——煙霧設計濃度，m-1；——CO設計濃度，ppm；——CO基準排風量，取為0.01m3/輛·km；——煙霧基準排風量，取為2.5m2/輛·km；——考慮CO的縱坡－車速系數；——考慮煙霧的縱坡－車速系數。

表2縱向通風時不同行車速度、坡度下的臨界柴油車比例（％）車速（km/h）坡度（％）

－4－3－2－101234

臨界柴油車比例（％）8037.328.020.414.08.64.3－－－

7038.729.021.114.510.56.43.7－－

6040.030.021.816.012.08.35.5－－

5044.033.024.017.613.29.16.0－－

4048.036.026.220.616.913.19.96.5－

3042.732.025.621.317.817.814.511.08.0

2046.939.135.228.223.524.420.717.114.1

1051.242.738.430.725.621.318.114.912.3

2.4不同坡度組合情況下的臨界柴油車比例

因為坡度的變化對隧道通風需風量的計算指標影響較大，故需研究不同坡度組合情況下的臨界柴油車比例。隧道由兩段組成，按照行車方向，第一段長度為，坡度為；第二段長度為，坡度為。根據公式（5），得到此隧道的臨界柴油車比例為：

（6）

式中：——臨界柴油車比例；——煙霧設計濃度，m-1；——CO設計濃度，ppm；——CO基準排風量，取為0.01m3/輛·km；——煙霧基準排風量，取為2.5m2/輛·km；——考慮CO的第一段的縱坡－車速系數；——考慮CO的第二段的縱坡－車速系數；——考慮煙霧的第一段的縱坡－車速系數；——考慮煙霧的第二段的縱坡－車速系數；——隧道第一段長度，m；——隧道第二段長度，m。

3結論

本文通過對于隨著隧道坡度和柴油車比例變化下，隧道需風量的變化的分析，討論了靜電除塵裝置的使用條件，即在一定坡度下，柴油車比例達到所謂臨界柴油車比例時，才有使用靜電除塵裝置的需要，并且計算了不同坡度和車速下的臨界柴油車比例的值。在此基礎上，討論了當隧道中有坡度變化時的情況下，臨界柴油車比例的計算方法。

參考文獻

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[4]韓星，張旭.不同坡度下柴油車比例對隧道通風需風量計算指標的影響.[J]現代隧道技術，2005.6

[5]AndrewJamesKean.EffectsofVehicleSpeedandEngineLoadonEmissionsfromIn-UseLight-DutyVehicles.DoctoralDissertationofUniversityofCalifornia,Berkeley