一种隧道利用自然风的通风控制方法
【专利摘要】本发明提供了一种隧道利用自然风的通风控制方法，包括如下步骤：步骤一，获取隧道内自然风的规律；步骤二，根据步骤一得到的自然风规律进行控制通风；进一步地，所述步骤一包括以下过程：建立气象观测站，获得隧道的长期气象数据，结合隧道通风路径计算出隧道内的自然风风速v随时间分布的变化情况，然后综合考虑各因素得到隧道运营通风的设计风速V0。本发明提供一种隧道利用自然风的通风控制方法可以尽可能的利用自然风能，在满足保证隧道内环境控制标准的前提下，将自然风与机械通风相结合，达到节能减排的目的。
【专利说明】
一种隧道利用自然风的通风控制方法
技术领域
[0001] 本发明属于管路隧道的自然风控制方法领域，具体涉及一种隧道利用自然风的通 风控制方法。
【背景技术】
[0002] 隧道现有的通风方式从发展至今已经衍生出许多类型，路隧道发展初期一般都比 较短，多是依靠自然风或交通风进行通风的，称为自然风通风，这是最早形成的纵向式通风 系统，隧道的长度也受到了一定的限制。当隧道超过一定长度以后，仅仅依靠自然风或交通 风进行通风已经不能满足隧道内运营环境标准要求，从而利用机械设备的机械式通风开始 应运而生。
[0003] 隧道机械式通风方式随着经济、科技的发展衍生更多的形式。19世纪20年代采用 盾构法施工的美国纽约市的赫德逊河底的荷兰隧道（Holland Tunnel)首先采用了带有两 条送风道和排风道相结合的全横向式通风方式，但此种通风方式要求较大的隧道断面和相 应带来的更多的工程投资。英国于19世纪30年代修建的默尔西隧道（Mersey Tunnels) 采用了一条风道和隧道相结合的半横向式通风方式。然而，随着越来越多特长公路隧道的 修建和交通量的大幅度攀升，全横向式和半横向式通风方式面临着严峻的挑战：设备规模 巨大，工程投资高，能耗较多。随后日本开始采用带有坚（斜）井的分段式纵向通风方式， 减少了前期投资和后期运营能耗，这也发展成为了而今大多数长大公路隧道所采用的通风 方式。
[0004] 然而，随着全球环境污染、能源匮乏等问题的日益突出，很多国家开始认识到节能 减排的重要性，并开展了众多节能减排的相关研究。特长隧道运营通风的巨大能耗开始引 起了越来越多的关注，风能在一些修建于气候分隔带上的特长公路隧道也许会在节能减排 方面做出一定的贡献。但是现有的隧道在风能利用上仍然做的太少，自然风的巨大资源被 忽视，将自然风尽可能利用进隧道的通风中去的控制方法缺乏。
【发明内容】
[0005] 为了解决现有技术中的缺陷，本发明提供一种尽可能的利用自然风能，在满足保 证隧道内环境控制标准的前提下，将自然风与机械通风相结合，达到节能减排的隧道利用 自然风的通风控制方法。
[0006] 本发明通过下述技术方案实现：
[0007] -种隧道利用自然风的通风控制方法，包括如下步骤：
[0008] 步骤一，获取隧道内自然风的规律；
[0009] 步骤二，根据步骤一得到的自然风规律进行控制通风。
[0010] 进一步地，所述步骤一包括以下过程：建立气象观测站，获得隧道的长期气象数 据，结合隧道通风路径计算出隧道内的自然风风速v随时间分布的变化情况，然后综合考 虑各因素得到隧道运营通风的设计风速V。。
[0011] 进一步地，在进行所述步骤二的过程中，遵循如下控制原则，
[0012] ①机械通风的风向应综合考虑自然风主风向与交通风方向；
[0013] ②当自然风风向与通风方向一致时，若风速大于设计风速，完全利用自然风通 风；
[0014] ③当自然风风向与通风方向一致时，若风速小于设计风速，开启部分风机（由自 然风阻为0计算出开启风机数目），部分利用自然风通风；
[0015] ④当自然风风向与通风方向反向时，开启全部风机，自然风作为阻力考虑。
[0016] 进一步地，所述控制原则也适用于纵向分段的通风，不同之处在于，带有斜井通风 网络相对复杂，将其分段看做若干独立的隧道组成，各个区段分别进行通风优化设计。
[0017] 进一步地，所述控制原则中机械通风与自然风结合的具体操作方法如下，
[0018] ①分时段控制即根据计算得到的自然风的规律，将全年划分成不同的控制时段， 每个控制时段按该时段内的最不利的自然风工况进行控制，时段划分的越细，控制越精确， 也越节能，同时需要设备频繁开启关闭对设备的影响也越大，
[0019] ②实时控制是根据隧道内实际自然风风速情况，对通风设备实时控制，按照该时 刻实际的自然风风速，进行节能通风控制，实时控制需要安置风速传感器，并通过风速传感 器测得的风速值对通风设备进行控制。
[0020] 进一步地，所述通风设备能够在不同工况下进行快速转换。
[0021] 本发明的有益效果主要体现在以下几个方面：本发明提供一种隧道利用自然风的 通风控制方法可以尽可能的利用自然风能，在满足保证隧道内环境控制标准的前提下，将 自然风与机械通风相结合，达到节能减排的目的。
【具体实施方式】
[0022] 下面对本发明优选的实施例进行说明。
[0023] 在采集了一年多自然气象数据后，依据环境参数，计算全年自然风的分布。将全年 十二个月份按照白天（6 :00-18 :00)和夜间（18 :00-6 : 00)分为24个时段（即一月白天， 一月夜间，二月白天，二月夜间......以此类推），不同时段根据不同的自然风的方向和大 小采取相应的策略。当一个时段内风速风向变化频繁，而无法确定固定的模式时，按照最不 利工况进行通风。
[0024] 以第一月份为例，根据长期气象数据分析左线自然风计算结果如图1所示。其中， 与交通方向同向为正，与交通方向反向为负。由图可见，在一月份第一区段左线风速在日间 (6 :00-18 :00)风速均大于Om/s，夜间（18 :00-6 :00)风速大于设计风速2. 5m/s ;第二区段 左线风速在日间和夜间风速取不利工况小于〇m/s ;第三区段左线风速在日间和夜间风速 取不利工况小于〇m/s。因此确定左线一月份日间的通风模式为模式18,夜间的通风模式为 模式9。
[0025] 表1泥巴山隧道左线一月控制策略
[0026]
[0027] 第一月份右线自然风计算结果如图2所示。其中，与交通方向同向为正，与交通方 向反向为负。由图可见，在一月份第一区段右线风速在日间和夜间风速均小于〇m/s ;第二 区段右线风速在日间风速均大于〇m/s，夜间的风速取不利工况小于Om/s ;第三区段右线风 速在日间风速均大于〇m/s，夜间的风速取不利工况小于Om/s。因此确定右线一月份日间的 通风模式为模式18,夜间的通风模式为模式9。
[0028] 表2泥巴山隧道右线一月控制策略
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[0030] 同理，对全年24个时段进行分析，得出左线和右线各个时段的通风模式。
[0031 ] 表3泥巴山隧道右线一月控制策略
[0032]
[0033] 而根据将自然风分为有利和不利两种情况，适时的将自然风作为动力来利用的 话，是具有很大的经济意义的。
[0034] 以泥巴山隧道2010年交通量为例，分别计算按照自然风2. 5m/s所需的风机、按照 95%保证率风速所需的风机，以及采取自然风利用下隧道内0m/s、2m/s、4m/ s自然风下所 需开启的风机。
[0035] 表4风机功率表
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[0038] 表5各个时段采取的模式及相应的节能效益
[0039]
[0040]
[0041] 其中左线的通风模式是模式26(8个时段）、模式18(4个时段）、模式20(2个时 段）、模式27 (2个时段）、模式23 (两个时段）、模式9、模式12、模式14、模式15、模式17、 模式25.
[0042] 其中右线的通风模式是模式23(8个时段）、模式27(8个时段）、模式24(2个时 段）、模式26 (2个时段）、模式3 (两个时段）、模式9 (两个时段）。
[0043] 因此，主流模式为模式26、模式27、模式23、模式18。
[0044] 电费按1. 5元/度计，计算出全年节能13. 3%，原有通风一年耗电21037140元，优 化后一年耗电18243583,节省电费279. 36万元。
[0045] 通过计算可知，虽然按照保证率风速总装机量大于规范取值2-3m/s计算出的风 机量，但采取通风优化设计后实际开启风机量比传统开启的风机数量要少，并且效果更佳。 这是因为：
[0046] (1)自然风的计算在规范中一般取值为2~3m/s，而在位于气象分隔带处的隧道 自然风风速常常会达到4~6m/s，因此按照保证率风速更能符合实际，从而保证通风效果。
[0047] (2)采取通风节能设计模式下，单洞隧道依据自然风大小和风向，选取不同的通风 模式，从而可以不同程度的利用自然风。和以往单纯的将自然风作为阻力更加节能经济。
[0048] (3)传统的通风设计，双线隧道均取最不利工况。采取通风节能设计模式后，当自 然风风向不频繁变化时，一条线为不利工况，另一线即为有利工况。
[0049] 由此可见，采取自然风节能优化设计后，通风更有效，且更节能。
[0050] (1)有效表现在：传统通风计算自然风取2-3m/s，这在有的隧道中没有考虑所能 达到的保证率，或者保守、或者不足，而自然风节能优化设计中自然风风速取值依据实测 和计算，取95%的保证率风速。
[0051] (2)节能表现在：传统通风均按照最不利工况进行控制，将自然风作为阻力；而自 然风节能优化设计中依据自然风的大小和方向，采取完全利用自然风、部分利用自然风和 克服自然风分别进行通风控制。
[0052] 尽管发明人已经对本发明的技术方案做了较为详细的阐述和列举，应当理解，对 于本领域技术人员来说，对上述实施例做出修改或者采用等同的替代方案，这对本领域的 技术人员而言是显而易见，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于 本发明要求保护的范围。
【主权项】
1. 一种隧道利用自然风的通风控制方法，其特征在于，包括如下步骤： 步骤一，获取隧道内自然风的规律； 步骤二，根据步骤一得到的自然风规律进行控制通风。2. 根据权利要求1所述的隧道利用自然风的通风控制方法，其特征在于：所述步骤一 包括以下过程：建立气象观测站，获得隧道的长期气象数据，结合隧道通风路径计算出隧道 内的自然风风速V随时间分布的变化情况，然后综合考虑各因素得到隧道运营通风的设计 风速V。。3. 根据权利要求1所述的隧道利用自然风的通风控制方法，其特征在于：在进行所述 步骤二的过程中，遵循如下控制原则， ① 机械通风的风向应综合考虑自然风主风向与交通风方向； ② 当自然风风向与通风方向一致时，若风速大于设计风速，完全利用自然风通风； ③ 当自然风风向与通风方向一致时，若风速小于设计风速，开启部分风机（由自然风 阻为O计算出开启风机数目），部分利用自然风通风； ④ 当自然风风向与通风方向反向时，开启全部风机，自然风作为阻力考虑。4. 根据权利要求3所述的隧道利用自然风的通风控制方法，其特征在于：所述控制原 则也适用于纵向分段的通风，不同之处在于，带有斜井通风网络相对复杂，将其分段看做若 干独立的隧道组成，各个区段分别进行通风优化设计。5. 根据权利要求3所述的隧道利用自然风的通风控制方法，其特征在于：所述控制原 则中机械通风与自然风结合的具体操作方法如下， ① 分时段控制即根据计算得到的自然风的规律，将全年划分成不同的控制时段，每个 控制时段按该时段内的最不利的自然风工况进行控制，时段划分的越细，控制越精确，也越 节能，同时需要设备频繁开启关闭对设备的影响也越大， ② 实时控制是根据隧道内实际自然风风速情况，对通风设备实时控制，按照该时刻实 际的自然风风速，进行节能通风控制，实时控制需要安置风速传感器，并通过风速传感器测 得的风速值对通风设备进行控制。6. 根据权利要求1所述的隧道利用自然风的通风控制方法，其特征在于：所述通风设 备能够在不同工况下进行快速转换。
【文档编号】E21F1/18GK105888713SQ201410687877
【公开日】2016年8月24日
【申请日】2014年11月26日
【发明人】郭春, 王明年, 于丽, 刘大刚, 严涛, 孙志涛, 张云龙
【申请人】西南交通大学