下沉式长大隧道洞顶开孔自然通风节能研究

王建华， 任 会， 张 泉

(1.湖南省交通规划勘察设计院有限公司, 湖南 长沙 410200； 2.湖南大学， 湖南 长沙 410082)

1 概述

隧道是交通通道中重要的结点，对于缩短路程、降低能耗起着至关重要的作用，然而维持隧道安全运营的电气照明及机械通风却又十分耗能，特别是长大隧道，通风设备耗能往往达到了60%以上。在能源问题十分严峻的今天，有效减少长大隧道通风设备，降低隧道运营能耗显得非常重要和紧迫。本文以湖南长永高速星沙段下穿城市改造项目为依托，研究将本需要机械通风的下沉式长大隧道通过洞顶开孔的方式用自然通风解决隧道通风换气问题，以达到节能减碳的目的。

长永高速星沙段下穿城市改造项目采用框架结构连接长永高速公路南北两侧，顶部设计为休闲广场，下部为高速公路，盖顶部位总长度为1 650 m，全线隧道按双洞六车道高速公路设计，设计行车速度100 km/h。该隧道采用洞顶开孔与设置遮光板相结合的方式(见图1)，在保证行车安全的前提下充分利用自然通风和太阳光，减少风机和灯具的运行能耗。本文主要对该隧道通风节能进行研究。

图1 隧道结构示意图

2 研究模型

在单向交通情况下，隧道内行驶车辆所产生的交通通风力是洞内通风最重要的一种动力。当交通通风力足够时，全封闭的中短隧道不设置机械通风，采用自然通风即可满足换气要求。而当隧道更长时，如本项目为1 650 m长隧道，全封闭情况下利用交通通风力已无法满足隧道通风换气要求。考虑到本项目隧道顶没有其它构造物，如果隧道顶敞开足够多，则仍然可采用自然通风，因此本文就隧道顶部开孔相对较小的前提下，研究充分利用交通通风力而达到不采用机械通风的目的。

2.1 研究方法

通过建立模型并加入汽车简化模型，运用FLUENT软件强大的计算能力和动网格计算技术进行模拟，以汽车尾部作为污染物排放源，得到汽车运动产生的交通通风力隧道内气流分布以及污染物浓度分布情况，利用隧道顶开孔加快气流交换，使洞内污染物浓度降低到允许范围，从而达到不设置机械通风的目的。

2.2 模型建立

隧道内空气视为不可压缩流体，空气流视为不随时间变化的恒定流，汽车行驶同样视为恒定流。

隧道全长1 650 m，左侧为入口，右侧为出口。隧道顶按位置要求布置9个风口，风口尺寸为10 m×6 m，纵向设置位置如表1所示。受项目3处跨线桥位置的影响，风口非纵向均匀布置。汽车模型共7个，每个相距90 m，开始时刻位于隧道入口，汽车模型用6 m×2.5 m×2 m的立方体来模拟，汽车后面带一个2.4 m×2.5 m×2 m的方体，作为CO气体的散发源。各散发源所释放CO为各计算行车速度下总CO排放量的1/7。隧道模型见图2。

表1 右线风口纵向设置位置表m入口桩号风口1风口2风口3风口4风口5风口6风口7风口8风口9出口桩号02103304906108409601 0801 3201 4401 650

图2 隧道模型示意图

2.3 模拟计算

由于交通风引起的隧道内流场非常复杂，在实际研究中无法直接计算得到速度场和浓度场达到平衡时的情况，为此，通过研究连续的N次汽车流(7辆汽车组成)通过隧道后隧道场参数的变化情况来近似获取，并得到其变化趋势。通过实际计算，每2辆车相距90 m、车速为40 km/h时，任意时刻隧道内汽车辆数均接近50，所以选择7辆汽车是保守的。

2.3.1隧道内速度场模拟分析

污染物在湍流气流作用下的扩散相比自身浓度梯度引起的扩散作用大得多，因此，首先分析隧道内的气流速度场。分别模拟隧道内汽车以20、40、60 km/h速度通过N次(本次计算中N取10)，得到隧道内各种速度下,汽车各通行次数的风速场模拟云图。因篇幅限制，仅截取40 km/h时速下通过第5次和第6次汽车流所得到的速度场模拟云图(见图3、图4)。

图3 40 km/h下第5次汽车流通过时隧道内速度场云图(局部)

图4 40 km/h下第6次汽车流通过时隧道内速度场云图(局部)

分析模拟数据，发现隧道内风速在汽车流通过5、6次后趋于稳定，因此以第6次为稳定状态，将所获各监测面的风速值计入表格，比较20、40、60 km/h时速下的隧道风速场(见表2)。

表2 不同车速风速场稳定时各截面全程均风速变化数据表监测点x/m以下车速时均风速值/(m·s-1)20 km·h-140 km·h-160 km·h-12000.56 1.07 1.63 4000.78 1.43 2.206001.21 2.26 3.52 8001.35 2.51 3.94 1 0001.31 2.55 3.76 1 2001.21 2.38 3.70 1 4001.13 2.07 3.31 1 6000.97 1.78 2.86

从表2可以看出，车流速度为20 km/h情况下，隧道内风速最小，平均值约为1.0 m/s;40 km/h时，风速平均值增大到约2.0 m/s;当车流速度达到60 km/h时，隧道内风速最大，均值约为3.0 m/s，全程有近1/2区段风速达3.5 m/s。因此，在保证汽车安全行驶的条件下，隧道内的高风速对于排出CO气体污染物十分有利。

2.3.2隧道内污染物浓度场场模拟结果分析

交通风影响下隧道内污染物CO浓度场分布复杂。车速为40 km/h、排污量为0.034 m3/s的情况下，隧道内依次通过5、6次汽车流而得到其内部CO浓度分布云图，见图5、图6。

从图5、图6可以看出，隧道内污染物分布较为集中，主要分布在汽车尾部一段较长距离范围内。该区域内，污染物浓度较大，而在隧道其他区域，污染物浓度较小。同时由于风速场趋于稳定，隧道内污染物浓度场也趋于稳定。

图5 第5次汽车流通过时CO浓度分布云图(局部)

图6 第6次汽车流通过时CO浓度分布云图(局部)

同风速场分析，以第6次汽车流为稳定状态，将获取各监测面的CO浓度均值计入表格，比较20、40、60 km/h车速下的隧道CO浓度分布(见表3)。

表3 不同车速浓度场稳定时各截面全程均污染物浓度变化数据表监测点x/m以下车速时污染物浓度值/10-620 km·h-140 km·h-160 km·h-120034934001083016600180522580023371351 0002989043 1 200344108511 400371120541 60039212747

在原本清洁的隧道内，汽车流产生的污染物CO能迅速较强地影响隧道内空气环境，并在一定次数的汽车流通过后趋于稳定。稳定后，隧道内的污染物浓度随隧道纵向成近似线性分布，即纵向深度越大，污染物浓度越大，结合流体力学知识，交通风场的迁移作用是其主要原因。

由表3可知，当车速为20 km/h的稳定状态时，隧道内的污染状况仍然严重，隧道800～1600 m纵深范围内污染物CO浓度均超过200×10-6，隧道出口处浓度甚至达到最大的392×10-6。当车速提高到40 km/h和60 km/h时，整条隧道内污染物浓度均较小，最大值出现在隧道出口位置；40 km/h时CO浓度为127×10-6，60km/h时CO浓度为54×10-6，均小于规范要求浓度150×10-6。

考虑到高速公路单向行车速度小于30 km/h的行车概率非常低，且可以通过监控手段最大程度地避免，研究可以判定本隧道采用洞顶开孔换气的自然通风方式有效可行，不需要使用通风机进行机械通风。

2.3.3顶部风口大小确定

根据流体力学可知，隧道顶部开口越多越大，越有利于隧道通风换气。通过模拟计算不同尺寸大小的通风口(4 m×6 m、6 m×6 m、10 m×6 m、16 m×6 m)，其中小尺寸通风口(4 m×6 m、6 m×6 m)在40 km/h工况下出现出口段污染物超标，16 m×6 m尺寸通风口效果较10 m×6 m尺寸通风口显著提高。考虑到工程实际，本着从更为安全的角度出发，在尽量减少对隧道洞顶休闲广场功能影响的情况下，确定共设置9个15 m×9 m的椭圆形风口。

4 节能效益

经计算，本隧道如采用机械通风,需要设置16台30 kW的射流风机，而采用自然通风可直接减少前期设备投资145万元，减少后期每年运营用电约1.1 MW，折合减少燃烧标准煤440 t，减少CO2排放1 097 t、减少SO2排放33 t。

5 结论

本项目下沉式长大隧道采用洞顶开孔自然通风方式，通过计算模拟研究可知：

1) 在充分利用隧道内行驶车辆交通通风力的情况下，隧道内会产生较大的活塞风，有利于隧道内有害气体及污染物向外界扩散。

2) 通过运用Fluent软件动网格技术研究，得到隧道内车辆通行的动态实时模拟情况以及不同车速与通风量、隧道内污染物浓度分布之间关系。

3) 隧道内行车在非阻滞工况下(行车速度V>30 km/h)，不采用机械通风，通过洞顶开孔，可降低洞内污染物浓度，满足隧道环保要求。

4) 采用自然通风方式减少风机使用，不仅降低了工程投资和运营成本，还达到了节能减排目的，该研究可为类似隧道设计提供理论依据，通过示范推广，将产生明显的社会与经济效益。