某多点进出超长隧道温升特性的模拟研究

孙立镖

(上海市政工程设计研究总院(集团)有限公司,上海 200082)

多点进出超长隧道是一种新型地下隧道形式,其主线隧道封闭段较长,一般大于5 km,以服务过境交通为主,通过多个出入口兼顾服务沿线重点区域的到发交通,能更好地适应城市交通需求以及协调地面道路和地下道路通行能力[1],如上海已建成北横通道和规划中的南北通道等。超长隧道在中心城区可设置风塔的地面条件有限,故一般通风区段较长,隧道内来自汽车尾气、照明等产热如果不及时排出,会导致隧道温度升高,当室外温度较高、交通量大时,隧道内更易出现较长的高温段,对隧道内的司乘人员和电气设备产生不利影响,同时也会增加车辆火灾发生的概率。对上海隧道的调研情况表明[2],2010—2015年间上海外滩隧道、上中路隧道、长江隧道、翔殷路隧道等发生约10 起汽车自燃事故,其中有6 起发生在5～10 月气温较高的时间段,此时由于室外温度较高,隧道换气温差较小,在原有设计换气风量下,不能有效排除隧道内产生的热量,导致隧道内温度持续上升,引发隧道内高温现象,易于引起汽车自燃。因此,对于超长隧道的通风设计和运营养护,隧道内的温升情况也需重点关注。

1 隧道温升的换热机理

隧道内的温升与其得热和散热直接相关,建立隧道内热量平衡公式[3]如式(1)所示,隧道内的得热量以机动车耗油产热量为主,这些热量一部分散发到周围土壤中,另一部分被隧道内的空气所吸收,从而导致隧道内空气温度升高。

Q1+Q2+Q3=Q4+Q5

(1)

式中,Q1为机动车耗油散热量;Q2为空气流入带来热量;Q3为设备、灯光散热量;Q4为空气流出带走热量;Q5为向周围岩土层或地下水散热。

为简化计算,忽略设备、灯光散热量,则隧道空气的产热量为

ΔQ=Q4-Q2=Q1-Q5

(2)

在已知风量的情况下,可计算隧道各段出口空气温度

(3)

式中,To为各段出口空气温度;Ti为各段进口空气温度;Cp为空气比热容;m为各段空气质量流量。

从式(3)可以看出,隧道子分段出口空气温度To与该段隧道内的产热量ΔQ、设计通风量m和进口空气温度Ti均有关,产热量ΔQ越高、设计通风量m越小、进口空气温度Ti越高,均会导致出口空气温度To升高,从而造成隧道内高温段较长,因此要降低隧道内的温度,应采取措施,减少隧道内的产热量ΔQ,降低各子段的进口空气温度Ti,增加隧道的通风量m,如采用新能源汽车等方式降低机动车耗油散热量,匝道或进风口多引入室外低温空气,适当增加隧道风机,增大隧道通风量等。

机动车耗油散热量Q1为[4]

Q1=qdLN

(4)

式中,q为单位质量汽油燃烧发热量,取46 200 kJ/kg;d为汽油车燃油消耗量;L为隧道长度;N为隧道设计交通量。

向恒温土壤的传热量[5]为

(5)

式中,Tx为距离洞口x处的温度;Ts为恒温土壤温度,此处取15.7 ℃;δ为隧道壁面到恒温土壤处的距离;λ为壁面的导热系数;α为隧道空气与壁面对流换热系数;F为隧道与土壤的接触面积。

2 通风模型构建

应用SES(Subway Environment Simulation)模拟软件模拟隧道通风情况,通过风量及换热公式换算成隧道的温升。根据相关学者的应用情况[6-11],发现SES通风模拟结果和实验结果吻合度较好,且其采用一维线性的模拟方法,计算速度快,故用于隧道通风方案的分析和比选不失为一个较好的辅助工具。

以上海某多点进出超长隧道设计方案为研究对象,该隧道为上下2层,主线双向6车道,含8对匝道,隧道下层封闭段长约15.5 km,通行小客车,采用竖井分段送排风式的纵向通风方式,各通风区段内分别设置送、排风机和射流风机。仅对隧道下层进行研究,建立了隧道下层不同通风区段方案下的SES通风网络节点图,如图1、图2所示,图2在图1基础上增设了2#、5#风井及部分自然敞口。

图1 隧道下层三通风区段通风网络节点示意图

图2 隧道下层五通风区段通风网络节点示意图

为便于分析,对模型进行以下简化考虑:①忽略自然风、热压的影响;②多辆车合并成一组,以固定时间间隔发车;③假设土壤温度恒定,忽略大地温度场的影响;④忽略照明、设备、汽车空调等的散热。

根据规范[2]要求隧道内的环境温度需控制在45 ℃以内,故以此作为隧道温度限值的判定标准。各模拟工况如无单独注明,按以下条件模拟:①三通风区段、5次/h换气量;②阻滞工况按进口2 km段的车速10 km/h,其余车速20 km/h;③室外环境温度取上海市夏季室外通风计算温度31.2 ℃;④匝道长度均按250 m;⑤小客车油耗0.052 5 kg/km;⑥敞口尺寸按2×70 m,均匀间距。根据初步通风计算配置各区段风机,模拟中微调射流风机数量,保证各通风区段达到相应通风量。

3 隧道温升特性的模拟分析

3.1 不同通风量的模拟分析

隧道设计风量一般取稀释烟尘、CO、NO2和隧道最小换气量中所需风量中的最大值,根据文献[2]相关公式计算,本隧道各项需风量中以隧道最小换气量所需风量为最大,换气量为3次/h,为该隧道理论设计风量,具体计算过程不再详细赘述。分别对不同通风量进行模拟,从图3可以看出,在5次/h通风换气下,才能保证隧道内的温度控制在45 ℃以下,是隧道最小设计需风量的1.67倍左右,故为控制隧道温升需要更大的通风量。图3中,在5.26、10.06 km附近,隧道温度先会有一个断崖式的下降,这是因为采用分段通风方式,每个区段末端的排风竖井排出大部分高温空气,而后进风竖井引入大量室外新风,降低隧道内温度,作为下一区段的初始温度。每个区段的温升也不是单一线性增加,可看出局部增长速率会出现放缓,甚至下降的情况,这是因为隧道有多个匝道,入口匝道会混入室外低温空气,从而对隧道进行降温。故在保证主线隧道通风量的情况下,通风设计中,要注意射流风机的布置,做好隧道内的气流组织,多通过匝道引入室外新风,有利于降低隧道主线的温度。

图3 不同通风量下的温升特性

3.2 不同通风区段的模拟分析

分别对不同通风区段方案进行模拟,为保证低于温度限值,五通风区段方案除3#、4#风塔区段采用4次/h换气次数+局部敞口,其余区段采用6次/h换气次数。从图4和表1可以看出,对于五通风区段方案,由于通风区段长度减小,在满足隧道温升要求下,需风量较小,在3#、4#风塔区段,虽然通风区段长度不变且降低了通风量,但由于增设了局部敞口后,敞口的自然通风缓解了隧道的温升。从图4和图5可以看出,敞口受车流及风压影响,伴随有进风和出风,有效缓解了隧道温度的进一步上升,在靠近排风塔处,敞口进风量增大,从而使隧道温升大大降低。

表1 不同通风区段耗电量对比

图4 不同通风区段的温升特性

图5 敞口通风模拟结果

从表1数据对比可以看出,五通风区段方案的单个轴流风机风量和配电功率大大下降,更有利于风机的启动和降低配电电缆的规格。从整个隧道的耗电量可以看出,2个方案的轴流风机配置功率总量相差不大,耗电差距主要来自于射流风机。这是因为隧道通风阻力与隧道断面风速的平方成正比,这部分阻力主要由射流风机来负担,五通风区段方案的需风量小,隧道内的断面风速降低,从而节能效果明显,总功率仅为三通风区段方案的一半。故在土建实施条件允许的情况下,增加通风区段和增设局部敞口不失为控制隧道温升的有效节能手段。

3.3 不同车流量的模拟分析

一般小客车油耗在0.525～0.075 kg/km[5],当怠速运行时,汽车的油耗会相对增加。按汽车耗油量为0.075 kg/km,分别对高峰车流的不同比例进行模拟。从图6可以看出,当车流量较大且汽车耗油量较高时,隧道的温升会超过限值。随着车流量的增加,隧道内温度增长的变化率更快,增长曲线也更为陡峭,这是因为随着车流的增加,由于阻滞工况下车速较慢,小于隧道内的通风风速,车流的交通风成了隧道通风的阻力,在相同通风设备配置下,会导致隧道通风量减少。在高车流量下,散热量的增加和通风量的减少,导致隧道温升变化更快。在通风设计中要综合考虑选择合适的车流和油耗,同时也要考虑新能源汽车的比例,虽然车流不变,但是汽车产热量大大减小。在实际运营中,需结合车流、车型等因素,优化控制进入隧道的车流量,保证隧道内合适的温度。

图6 不同车流量下的温升特性

3.4 不同室外环境温度的模拟分析

模拟研究不同室外温度下的温升情况,由图7可以看出,在不同的环境温度下,隧道温度的变化速率和趋势基本相同,隧道沿线温度随着室外温度不断提高,当室外温度超过35 ℃时,隧道内温度超过了限值,需要采取相应手段进行控制。在实际隧道运营中,要密切关注室外环境温度,优化控制进入隧道的车流量。

图7 不同室外温度下的温升特性

4 结论

通过模拟结果,可以得出以下结论:

(1)控制超长隧道的温升相比于控制隧道污染物,需风量更大,影响也更为严重,是通风设计与运营维护必须重视的内容。

(2)多点进出超长隧道的温度变化受进出口匝道和进排风竖井的影响较大,在通风设计中要注意优化隧道内的气流组织,在保证隧道主线通风量下,充分引入和利用匝道新风和竖井新风,对隧道进行降温。

(3)通过缩小通风区段、增加局部敞口的方式可以有效降低隧道内的温升。采用这些方式还可以大大降低隧道通风设施的配电功率,从而节约机电系统的初投资和节省运行能耗,故在地面条件允许的情况下建议采用。

(4)隧道内的车流量、室外环境稳定是影响隧道温升的重要因素,在隧道设计和运维上,要合理选择相应数据,并结合车流量、汽车类型、室外环境温度,优化控制进入隧道的车流量或相应通风设施,挖掘隧道通风节能运行的潜力。

(5)相比于采用高压细水雾、空调等高耗能方式降温,能合理地运用隧道内的温升原理,通过以上手段降低隧道内的温升,也不失为一种有效且节能的方式。

(6)希望研究成果能为此类隧道的通风设计、研究、运营维护提供参考和启发。