一种隧道自然通风降温装置及其降温方法

摘要

本发明涉及一种隧道自然通风降温方法，其特征在于在所述隧道间隔板上设置自然通风孔，所述自然通风孔内设置有定向调节百叶，在出口隧道高温气流侧的热气流经自然通风孔的前部进入口隧道，此时自然通风孔后部的局部静压相对低于入口隧道静压，使得入口隧道侧的气流在压差作用下，经自然通风孔的后部进入出口隧道，实现了两侧隧道气流的热交换，所述自然通风孔设置在沿隧道车行方向距射流风机0.25d～0.75d的区域内，d为射流风机间距。其优点是，有效降低隧道出口空气的温度，显著改善隧道出口周边的热环境，保证司乘人员与隧道检修人员的正常通行与工作。此外，本发明施工简单，可有效降低工程投资，具有较强的实用性，可大规模推广。

说明书

技术领域

本发明涉及隧道类，具体的讲是涉及隧道自然通风降温方法，尤其适用于隧道通风区段较长、交通量较大，洞口温度较高的工程。 

背景技术

以通行汽车为主要交通功能的隧道，在隧道与地层进行热量交换的同时，汽车以及照明灯具等设备的散热会使隧道内空气升温，所以隧道内空气温度除了与周边地层温度、隧道外空气温度有关外，还与隧道长度、交通量、隧道通风方式、风速等因素相关。一般的公路隧道交通量交小且汽车通过速度较快，隧道内温度主要受地层温度控制，气温变化不大，对隧道正常运营不会产生影响，所以《公路隧道设计规范》( JTG D70-2004) 未做相关的规定，国内外相关的研究也极少见。但对城市道路隧道来说，随着汽车通行量增大，隧道内空气温度会明显升高，如武汉长江隧道内温度进行的一次实测表明，隧道入口外气温约40 ℃，隧道出口气温达到53 ℃，这已经超出了司乘人员和隧道运营养护工作人员可以承受的标准，可见隧道内空气温度问题不容忽视。 

隧道采用的降温方式有通风、送冷风、敷设冷水管等方式，但公路隧道温度高、风量大、空气清洁度差，采用普通的降温技术代价高，工程可行性差。 

发明内容

本发明的目的是根据上述现有技术的不足之处，提供一种隧道自然通风降温装置，通过在合理位置设置自然通风孔，利用出入口隧道在洞口附近隧道段的静压差，实现出口隧道气流与入口隧道气流的混合，达到降低出口隧道温度的目的。 

为了实现上述目的，本发明的实现由以下技术方案完成：一种隧道自然通风降温结构，包括设置在入口隧道和出口隧道之间的隧道间隔板，所述入口隧道和出口隧道上方均设有若干组射流风机，其特征在于所述隧道间隔板上设置有自然通风孔，沿隧道车行方向，所述自然通风孔设置在两组射流风机之间，且距射流风机0.25d～0.75d的区域内，d为射流风机间距。所述自然通风孔净面积不小于1.5倍的隧道净横断面积。所述自然通风孔高宽比介于0.1与0.25之间。所述自然通风孔内设置有定向调节百叶。沿隧道车行方向，所述相邻两个自然通风孔之间的净间距不小于5m。由于靠近隧道洞口以及隧道中部位置的入口隧道和出口隧道之间的温差较小，因此所述自然通风孔一般布置在从隧道洞口至距隧道洞口 m的范围内，而隧道中部则不需设置自然通风孔。 

本发明的另一目的在于提供一种隧道自然通风降温方法，通过在合理位置设置自然通风孔，利用出入口隧道在洞口附近隧道段的静压差，实现出口隧道气流与入口隧道气流的混合，达到降低出口隧道温度的目的。 

本发明的实现由以下技术方案完成：一种隧道自然通风降温方法，在入口隧道和出口隧道之间设置有隧道间隔板，其特征在于在所述隧道间隔板上设置自然通风孔，所述自然通风孔内设置有定向调节百叶，在出口隧道高温气流侧的热气流经自然通风孔的前部进入口隧道，此时自然通风孔后部的局部静压相对低于入口隧道静压，使得入口隧道侧的气流在压差作用下，经自然通风孔的后部进入出口隧道，实现了两侧隧道气流的热交换。所述自然通风孔设置在沿隧道车行方向距射流风机0.25d～0.75d的区域内，d为射流风机间距。 

本发明在隧道间隔板的合理位置设置自然通风孔，利用出入口隧道在洞口附近隧道段的静压差，实现出口隧道气流与入口隧道气流的混合，达到热量交换的目的，使得出口隧道的气流温度得以降低3～5 oC。本发明的优点是，有效降低隧道出口空气的温度，显著改善隧道出口周边的热环境，保证司乘人员与隧道检修人员的正常通行与工作。此外，本发明施工简单，可有效降低工程投资，具有较强的实用性，可大规模推广。 

附图说明

图1隧道自然通风降温装置布置示意图。 

图2隧道横断面图A-A/B-B示意图。 

图3隧道间隔板自然通风孔纵断面示意图。 

图4隧道间隔板自然通风孔平面大样示意图。 

图5隧道左线压力分布图（射流风机风速25m/s）。 

图6隧道右线压力分布图（射流风机风速25m/s）。 

图7隧道左右线压差分布示意图（射流风机风速25m/s）。 

图8隧道左线压力分布图（射流风机风速30m/s）。 

图9隧道右线压力分布图（射流风机风速30m/s）。 

图10隧道左右线压差分布示意图（射流风机风速30m/s）。 

图11隧道左线温度分布图。 

图12隧道右线温度分布图。 

图13隧道左右线温度分布图。 

具体实施方式

以下结合附图通过实施例对本发明及其它相关特征作进一步详细说明，以便于同行业技术人员的理解。 

如图1～4所示，标号1～6分别表示：1.隧道车行空间，2.自然通风孔，3.射流风机，4.左右线隧道间隔板，5.气流方向，6.定向调节百叶。 

通过对全射流纵向通风隧道左右线进行仿真模拟，可以得到隧道从入口到出口的压力分布图。部分仿真模拟结果如附图5～6、附图8～9所示，隧道左右线压差分布示意图如附图7、附图10所示。其中图7和图10中的①、②分别为隧道左右两线的压差。 

采用一维稳态模型对全射流纵向通风进行温升计算，得到隧道沿线的温度分布图，计算结果如附图11～13所示。 

通过仿真模拟得到，当射流风机间距在150～250m范围内，沿隧道方向均匀布置，且出口射流风速在25～40m/s范围内时，在隧道（其中L为隧道长度）范围内以及靠近隧道洞口与射流风机的区域，隧道左右线压力大小较为接近或者两侧压差不显著；在其余隧道段，左右线隧道压力呈现显著的差别。 根据自然通风原理，当孔道两侧存在压力差ΔP，就会有空气流过该孔道，空气流过孔道时的阻力为：（其中ζ为孔道的局部阻力系数，v为空气流过孔道时的流速，ρ是空气密度）。通过仿真模拟得到，当自然通风口两侧压差大于20Pa时，隧道空气在静压差作用下由压力较高的一侧隧道净流向压力较低的一侧隧道。 

通过隧道温升计算，沿着隧道车行方向，隧道内温度逐渐升高，这是由于当车辆在隧道内行驶时，汽油或柴油燃烧后，向隧道内排出废气的同时亦向周围排出大量的废热，一般国产轿车排气温度约550 ℃；进口轿车排气温度约500 ℃，排热量能使洞内温度升高。 

隧道自然通风降温装置及其方法，出口隧道高温气流在压差作用下流经自然通风孔2进入入口隧道，要求自然通风孔2设置在出口隧道静压大于入口隧道静压至少20Pa的隧道段的间隔板4上。所述自然通风孔2宜设置在沿隧道车行方向，以射流风机的位置为参考基准，0.25d～0.75d（d为射流风机间距）的区域内，且避免布置在隧道中部的两组射流风机之间。如图1所示的自然通风孔2，出口隧道的高温气流在静压差作用下进入入口隧道，与其低温气流混合，使得高温气流的温度得以降低。通过仿真数值模拟，自然通风孔设置在沿隧道车行方向距射流风机0.25d～0.75d的区域内，d为射流风机间距。相比与将自然通风孔设置在0～0.25d与0.75d～d区域，可增加对流换热空气量70%～80%。 

隧道自然通风降温装置及其方法，包括隧道间隔板4，其特征在于所述隧道间隔板4上设置有自然通风孔2，如图1～2所示。为了确保出口隧道的高温气流与入口隧道低温气流的混合，自然通风孔开孔净面积不小于1.5倍的隧道净横断面积。 

通过对出入口隧道气流流场的分析，如图3～4所示，当自然通风孔2高宽比介于0.1与0.25之间，即0.1≤W/H（高宽比）≤0.25，在出口隧道高温气流侧，热气流经自然通风孔2的前部高速流进入口隧道，此时自然通风孔2后部的局部静压相对低于入口隧道静压，使得入口隧道侧的气流在压差作用下，经自然通风孔2的后部进入出口隧道，实现了两侧隧道气流的热交换。自然通风孔高宽比设置在0.1～0.25的范围，其目的是确保形成通风孔前后部的静压差，促使气流流动，加强热交换。 

在本发明中，所谓的出口隧道指的是机动车驶离隧道的那个隧道，入口隧道指的是机动车驶进隧道的那个隧道，因此，对于图1的左侧洞口而言，隧道右线的机动车是驶离隧道的，且距离隧道出口近，因此它就是出口隧道，对于图1的右侧洞口而言，隧道右线的机动车是驶进隧道的，且距离隧道入口近，因此它就是入口隧道。 

对于自然通风孔“前部”、“后部”，下面做详细说明。以图1的左侧洞口为例，并见图4，隧道右线为出口隧道，那么沿着出口隧道车行方向，靠近隧道洞口的那一侧自然通风孔，就是前部，另一侧就是后部。同样的，以图1的右侧洞口为例，还是参见图4，这个时候隧道右线为入口隧道，隧道左线为出口隧道，那么沿着出口隧道车行方向，靠近隧道洞口的那一侧自然通风孔，就是前部，另一侧就是后部。总的来说，自然通风孔的前后部根据出口隧道车行方向来确定。 

如图3所示，由于隧道气流纵向流速较高，垂直于隧道间隔板4的横向气流流速相对较小，通过设置定向调节百叶6，所述定向调节百叶按出口隧道侧在前，入口隧道侧在后的方向倾斜设置，诱导出口隧道热气流进入入口隧道，更好地实现出入口隧道气流热交换。从数值模拟结果以及工程实践经验来看，调节百叶6的倾斜角度宜取30～60度，相比倾斜角度为90度左右的定向调节百叶，可增加诱导风量约15%。 

为达到强化自然通风降温的效果，自然通风口2之间的间距不应小于5m，实际施工过程中，自然通风孔2的距离选择应根据具体工况，首先保证自然通风孔2的高宽比，之后在保证自然通风孔2沿隧道车行方向的间距不小于5m的情况下，尽可能使风孔均匀连续分布。根据本发明的优选实施例，为了加强通风效果，在隧道间隔板上设置有上下两排自然通风孔。