基于新能源车组成的特长水下公路隧道运营通风方案研究.pdf
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1、基于新能源车组成的特长水下公路隧道运营通风方案研究现 代 隧 道 技 术MODERN TUNNELLING TECHNOLOGYVol.61,No.1(Total No.414),Feb.2024第61卷第1期(总第414期),2024年2月出版收稿日期:2023-08-31修回日期:2023-10-07作者简介:王 亮(1987-),男,硕士,高级工程师,主要从事隧道通风设计与研究工作,E-mail:.基于新能源车组成的特长水下公路隧道运营通风方案研究王 亮 张 浩(上海市隧道工程轨道交通设计研究院,上海 200235)摘要:随着我国水下公路隧道最大通风长度的不断增加以及新能源汽车占比的增高
2、,隧道运营通风方案设计面临新的难题。鉴于此,采用现场实测、资料调研、理论分析等多种研究手段,得出新能源汽车的主要排放物为烟尘颗粒物,且排放量与传统内燃机汽车排放量基本相当;基于温度、异味气体现场实测结果,建议特长水下公路隧道不以最小换气次数为通风控制标准;结合某特长水下公路隧道具体情况,给出优化后的需风量为604.71 m3/s,较原设计降低55%;基于纵向式、半横向式两种通风方式,对6种通风方案进行比选分析,综合考虑土建设施需求、机电设施需求、排烟疏散优缺点、土建费用、机电费用及运营期年电费等多方面因素,建议特长水下公路隧道选用送风式半横向通风方案。关键词:特长水下公路隧道;新能源汽车;需风
3、量;通风方案中图分类号:U453.5文献标志码:A文章编号:1009-6582(2024)01-0067-08DOI:10.13807/ki.mtt.2024.01.006引文格式:王 亮,张 浩.基于新能源车组成的特长水下公路隧道运营通风方案研究J.现代隧道技术,2024,61(1):67-74.WANG Liang,ZHANG Hao.Study on the Operational Ventilation Scheme for Super-long Subaqueous Highway TunnelBased on the Composition of New Energy Vehicl
4、esJ.Modern Tunnelling Technology,2024,61(1):67-74.1引 言近年来,为了缓解交通压力,我国东南沿海地区涌现出大量水下公路隧道,典型隧道包括港珠澳海底隧道1、青岛胶州湾海底隧道2及上海长江隧道3等。水下公路隧道通风竖井一般位于陆域段,最大通风长度为水域段,当水域段长度超过10 km,存在需风量激增、通风方案难以设计的问题。同时,新能源汽车数量不断增加,其排放特性与传统内燃机汽车排放特性有较大差异,也对水下公路隧道通风方案设计提出新的挑战。因此,开展基于新能源车组成的特长水下公路隧道运营通风方案研究十分必要。目前,水下公路隧道运营通风方案以纵向式通风
5、为主4,依据隧道长度不同,15 km的水下公路隧道以全纵向式通风为主,510 km的水下公路隧道以分段纵向式通风为主。汽车排放量及需风量主要根据 道路隧道设计标准(DG/TJ08-20332017)5计算得到,对于新能源车排放量、洞内污染规律、需风量优化等仍处于初步研究阶段。郭志杰等6在调查天然气重卡比例的基础上,对隧道需风量及通风方案进行了优化设计。何应道等7基于不同新能源车比例下的洞内污染物浓度规律,得出了随着新能源车比例增加,需风量将大大降低的结论。上述研究成果及工程经验有效地支撑了水下公路隧道运营通风方案设计,但纵向式通风能否满足通风长度超过10 km的特长水下公路隧道的需风量要求,需
6、要进一步研究论证。此外,新能源车排放特性及对公路隧道需风量的影响尚不明确。因此,本文在明确新能源车排放特性的基础上,结合温度、有毒有害气体现场实测结果,给出考虑新能源车组成的优化需风量;综合考虑土建设施需求、机电设施需求、排烟疏散优缺点、土建费用、机电费用及运营期年电费等因素,对运营通风方案进行比选,给出建议的通风方案。研究成果可为特长水下公路隧道运营通风方案设计提供有效支撑。2工程概况某特长水下公路隧道全长17.91 km,双洞单向6车道,设计时速为100 km/h。采用盾构法施工,盾构内径为15 m,越江盾构段长度为16.35 km,其间无中67基于新能源车组成的特长水下公路隧道运营通风方
7、案研究现 代 隧 道 技 术MODERN TUNNELLING TECHNOLOGY第61卷第1期(总第414期),2024年2月出版Vol.61,No.1(Total No.414),Feb.2024间井,纵断面坡度组成见表1。隧道行车区高6.5 m,净空面积为91.4 m2,顶部风道面积为21.5 m2。表1 某特长水下公路隧道纵坡情况Table 1 Longitudinal gradient at a super-longsubaqueous highway tunnel段落序号12345长度/m1 8304 7206 3503 2901 720坡度/%-2.95-0.30.5-0.52
8、.95该隧道常规、节假日情况下近远期车辆比例及能源结构比例见表2。表2 某特长水下公路隧道车辆比例及能源结构比例Table 2 The proportions of vehicles and energy structurein a super-long subaqueous highway tunnel项目车辆比例/%能源结构/%近期远期近期远期常规节假日常规节假日纯电动混合动力汽油柴油燃料电池天然气纯电动混合动力汽油柴油燃料电池天然气车型小客车69.7069.7085.0094.5045.915.1548.9467.524.1228.36大客车14.8814.8811.002.0029.9
9、770.0356.7443.26小货车12.3012.304.003.5075.2217.357.4388.897.783.33大货车2.622.6225.0748.849.8616.2345.4116.3017.1921.11集装箱卡车0.500.5025.0748.849.8616.2345.4116.3017.1921.113新能源汽车排放特性目前,电能、氢能等因其清洁、可再生的特点,逐渐成为新型汽车能源,以解决能源过度消耗、温室气体排放等诸多问题8。基于机动车动力系统的不同,主要的新能源机动车可分为以下5类:纯电动车、混合动力汽车、增程式电动车、燃料电池电动车、氢发动机汽车。新能源汽车
10、虽然在CO2、NOx、CO、VOC等有毒有害气体排放上明显优于传统内燃机汽车8,但在PM2.5、PM10等颗粒物排放上没有明显优势,电动汽车与内燃机汽车颗粒物排放量对比见表39。可以看出,除内燃机燃烧外,汽车颗粒物主要来源于刹车、轮胎以及道路的磨损,由于新能源汽车自重较大,其非废气的颗粒物排放量反而更大。表3 电动汽车与内燃机汽车颗粒物排放量对比Table 3 Comparison between electric vehicles andinternal combustion engine powered vehicles in terms ofparticulate matter emis
11、sion颗粒物一次污染物二次污染物非石棉有机刹车片低金属刹车片排放量/(mgV-1km-1)电动汽车47.749.349.257.747.757.7汽油内燃机汽车42.356.356.672.0柴油内燃机汽车43.257.258.072.0增幅/%1017-140.8-20-18综合相关文献可知,新能源汽车在有毒有害气体上排放量极少,但在颗粒物排放量上与传统内燃机汽车相当甚至更高,因此在公路隧道通风中新能源汽车仅考虑颗粒物排放。4基于新能源汽车比例的需风量4.1规范计算需风量经调研,我国特长水下公路隧道多根据 道路隧道设计标准(DG/TJ 08-20332017)5进行运营通风设计,本次研究仍
12、根据该规范进行需风量计算。通过考虑正常交通、非节假日阻滞、节假日阻滞3种情况,共19种交通场景,各交通场景交通量见表4。计算得到考虑新能源汽车比例下的需风量,见表5。由表5可知,因考虑了新能源汽车比例,CO和NO2需风量明显降低,新能源汽车烟尘需风量与传统内燃机汽车烟尘需风量基本相当。但无论是正常交通、非节假日阻滞及节假日阻滞等交通场景,其控制需风量皆为换气需风量,约为烟尘需风量的2.25倍。4.2换气次数控制标准论证道路隧道设计标准(DG/TJ 08-20332017)5中要求换气次数不小于 3 次/h,但在 Road Tunnels:Vehicle Emissons and Air Dem
13、and for Ventilation(PIARC:2019R02EN)10中已取消换气次数要求,为明确换气次数设置依据,整理历年PIARC通风报告68基于新能源车组成的特长水下公路隧道运营通风方案研究现 代 隧 道 技 术MODERN TUNNELLING TECHNOLOGYVol.61,No.1(Total No.414),Feb.2024第61卷第1期(总第414期),2024年2月出版表4 计算工况及其交通量Table 4 Calculation cases and their traffic volume工况序号12345678910111213141516171819交通场景正常
14、交通非节假日阻塞节假日阻塞车速100 km/h车速90 km/h车速80 km/h车速70 km/h车速60 km/h车速50 km/h车速40 km/h规范约束阻塞交通仿真模拟场景1交通仿真模拟场景2交通仿真模拟场景3交通仿真模拟场景4交通仿真模拟场景5交通仿真模拟场景6交通仿真模拟场景7交通仿真模拟场景8车速30 km/h车速20 km/h车速10 km/h交通量/(vehh-1)3 610.03 042.03 018.02 989.02 963.02 919.02 339.03 682.72 278.51 863.44 120.53 700.32 691.41 755.24 540.73
15、 590.34 912.04 334.02 654.0表5 依据规范的需风量计算结果Table 5 Calculation results of air demand on the basis ofstandard交通场景正常交通非节假日阻滞节假日阻滞控制工况近期、车速100 km/h交通仿真模拟场景7近期、车速30 km/h需风量/(m3s-1)CO需风量101.47131.70138.23NO2需风量132.61212.01157.19烟尘需风量604.71602.41543.69换气需风量1 358.181 358.181 358.18中关于最小换气次数要求的相关规定,见表61013。由
16、表6可知,PIARC设置最小换气次数是为了应对高排放量的重型货车驶入造成的需风量增加。随着汽车排放要求逐渐严格,以时速80 km/h、坡度为0的工况为例,CO基准排放因子由1995年的 294.6 下降至 2018 年的 45.8,下降了 84.5%。因此高排放量重型货车驶入对需风量的要求减低,随着新能源汽车比例的进一步增加,该需求将进一步降低。表6 历年PIARC通风报告中关于换气次数要求的相关规定Table 6 Regulations regarding air change raterequirements in the PIARC reports of the previous yea
17、rs年份1995年2004年2012年2019年规定为了使通风装置对快速的新风需求有足够的反应能力,一些国家建议增加新风量,使隧道内的空气每小时至少更新5次为了使通风装置具有足够的新风容量以应对突发需求,在一些国家建议作为设计标准的新风容量至少为每3次/h,或者隧道内的最小纵向风速为1.5 m/s在交通流量较低的地方,最低新鲜空气需求量可能相当小,然而通风系统应该能够适应突发的需求,如高排放的重型货车,在这种情况下,应考虑每小时至少换气4次;如设有纵向通风系统,建议采用1.01.5 m/s的最小纵向风速作为设计标准无此外,通过调研民用建筑、工业建筑、地下车站、人防工程等地下工程相关规范1417
18、可知,其最小换气次数主要是为了稀释异味,同时也可一定程度上调节温湿度。厦门翔安海底隧道异味气体及温度现场实测结果如图1所示,可以明确特长水下公路隧道运营期异味气体以NO2为主;随着距洞口距离增加,温度逐渐累积,与洞外温度相比,增幅约为5。图1 厦门翔安隧道现场实测结果Fig.1 ResultsoffieldmeasurementatXianganTunnelinXiamen69基于新能源车组成的特长水下公路隧道运营通风方案研究现 代 隧 道 技 术MODERN TUNNELLING TECHNOLOGY第61卷第1期(总第414期),2024年2月出版Vol.61,No.1(Total No.
19、414),Feb.2024仅通过运营通风无法真正解决超长隧道内温度累积问题,对洞内温度的降低作用有限。因此需结合隧道实际情况,采取降温措施,如设置高压细水雾降温系统(上海长江隧道、上海郊环隧道等)和安装空调系统等。故特长水下公路隧道通风的主要目的不是控制温湿度,而是为了稀释有害气体及异味。综上所述,特长水下公路隧道通风可考虑不以最小换气次数作为控制标准。4.3优化后需风量不以最小换气次数作为通风控制标准的某特长水下公路隧道通风需风量应为烟尘需风量604.71 m3/s,较按规范计算的需风量降低了753.47 m3/s,这为特长水下公路隧道通风方案优化研究提供了更多的可能性。5通风方案可行性分析
20、公路隧道通风方式主要包含纵向通风、半横向通风、全横向通风、组合通风等方式,可进一步细化为若干具体通风方案。结合典型工程调研及需风量优化结果,基于纵向通风、半横向通风两种通风方式,制定6种通风方案,并分析其可行性。5.1纵向通风方式(1)全射流纵向通风方案全射流纵向通风方案如图2所示。基于优化后的需风量604.71 m3/s,采用全射流纵向通风方案时,隧道断面内风速为6.62 m/s。对不同车速下阻力及风机升压力进行计算可知,当车速大于80 km/h时,交通通风力大于隧道阻力及自然通风力,可不开启风机;车速 10 km/h 为通风方案控制工况,需配置294台SDS-11.2射流风机,每个断面内设
21、置3台,共98组,每组间距为180.9 m,总功率为8 820 kW。图2 全射流纵向通风示意Fig.2 Schematic diagram for longitudinal ventilation withjet fans当采用全射流纵向通风方案时,火灾工况下排烟方案应选取全射流纵向排烟方案。根据现有规范18,结合依托隧道参数,考虑到目前汽车动力来源转型,隧道中新能源汽车起火的情况不可忽略,电动集卡的热释放速率与内燃机相差不大19,最终确定最不利情况下火灾规模为50 MW,其临界风速应为3.7 m/s,需配置78台SDS-11.2射流风机,总功率2 340 kW。临界风速方向为沿行驶方向,火
22、源下游人员应沿行驶方向驾车疏散,火源上游人员应沿行驶方向反方向步行疏散,如图3所示。图3 纵向排烟示意Fig.3 Schematic diagram for longitudinal smoke extraction(2)全射流+吸尘式纵向通风方案考虑新能源汽车的隧道运营通风以稀释烟尘为主要目的,在全射流纵向式通风方案的基础上增加吸尘设备,可降低特长水下公路隧道需风量,如图4所示。以控制工况车速10 km/h为例,参考相似工程,布置3台吸尘设备,可降低需风量约100 m3/s。隧道内 SDS-11.2 射流风机台数降至 184 台,共 62组,每组间距285 m,总功率5 520 kW。因吸尘
23、设备体积较射流风机偏大,故需结合吸尘设备安全空间需求,调整盾构隧道内径。图4 全射流+吸尘式纵向通风示意Fig.4 Schematic diagram for jet fan+dust collector longitudinalventilation当采用全射流+吸尘式纵向通风方案时,排烟方案仍为全射流纵向排烟方案,所需配置的射流风机数量和风机总功率与采用全射流纵向通风方案一致。(3)平导分段纵向通风方案平导分段纵向通风方案需在两座盾构隧道间修建一座服务隧道及送排风连接通道作为送排风通道,轴流风机布置于平导洞口,射流风机设置于主隧道洞口段或中间段。若按三段式纵向通风,需修建2座送排风连接通道
24、,并将服务隧道中部设置隔档,其通风方案如图5所示。通风区段长度为 5 970 m,每段需风量为202.0 m3/s,送排风连接通道最小面积为13.5 m2,平70基于新能源车组成的特长水下公路隧道运营通风方案研究现 代 隧 道 技 术MODERN TUNNELLING TECHNOLOGYVol.61,No.1(Total No.414),Feb.2024第61卷第1期(总第414期),2024年2月出版图5 平导三段式纵向通风示意Fig.5 Schematic diagram for parallel heading three-stagelongitudinal ventilation导排
25、风道及送风道最小面积均为26.9 m2。此时,控制工况下单隧道通风连接风道内需设置4台480 kW的轴流风机,平导和隧道内设置66台SDS-11.2射流风机,风机总功率为3 900 kW。当采用三段式纵向通风方案时,排烟方案应选取三段式纵向排烟方案,其核心仍为提供3.7 m/s的临界风速,结合分段纵向通风特点,应配置4台1 000 kW的轴流风机,78台SDS-11.2射流风机,风机总功率为6 340 kW。临界风速方向与人员疏散方向同全射流纵向式通风方案类似。若按四段式纵向通风,需修建3座送排风连接通道,其通风方案如图6所示。通风区段长度缩短为4 477.5 m,需风量降为151.5 m3/
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