浅析城市公路隧道通风设计中的温度控制问题

作者：郑晓敏

  机动车排出的废热积聚引起隧道温度升高，当隧道内温度过高(>40℃)时可能引起汽车油路电路故障、水箱温度上升，从而导致汽车抛锚引发交通事故。同时，隧道内温度过高也会引起乘客及隧道工作人员严重的不适感。2009年7月20日武汉长江隧道，室外温度34℃，在通风系统正常工作的情况下，进入隧道500m后温度即升至43.4℃，最高温度达到61℃，交通事故频发。

  由于在隧道设计时，仅考虑正常及阻塞工况下污染物浓度控制通风设计及火灾工况下的排烟设计，对于隧道内温度缺乏针对性的控制措施。而且，至今为止尚未有适用于城市公路隧道温度、散热量计算的规范、标准。现根据上海市虹梅南路一金海路通道工程（越江段）（下文简称为“本隧道”）在设计中遇到的温度问题对城市公路隧道的温度控制进行初步分析。

1  隧道温度标准

《长大公路隧道温升的初步探讨》综合“……正常及阻滞运营状况下乘用人员舒适性和峒内维修人员合适的工作环境。此外，工程投资和运营成本也是需要兼顾因素之一……”等因素，“参考《工业企业卫生设计标准》(GB21-2002)以及其他高气温场所的温度设计要求，根据人体对温度的耐受度”，提出了公路隧道空气温度标准，见表1。

本隧道在制定温度标准时主要从如下几个方面考虑：

  1)车载空调正常运行温度；

  2)无车载空调时乘用人员舒适要求；

  3)隧道设备维修人员工作环境温度要求。

  首先，保证车载空调正常运行的峒内温度不应高于45℃；其次，若无车载空调时，考虑到本隧道60km/h的设计速度，汽车在隧道内行经时间约为5分钟，而且在夏季外部气温较高的情况下，乘用人员需要长时间忍受隧道的高温环境，因此隧道内温度应≤40℃；第三，从峒内维修工作人员工作环境要求出发，峒内温度应≤40℃。

  参考已有隧道工程的温度控制标准，包括崇明越江通道长江隧道、台湾雪山隧道等，以及《地铁设计规范》中列车车厢设置空调，车站设置屏蔽门时的隧道温度不高于40℃的要求，本隧道以40℃作为温度控制标准。

2  隧道温升分析

  城市公路隧道内的温度变化取决于室外温度、交通流量、隧道通风方式、隧道壁面传热等因素。其中，隧道通风方式对温度影响差异较大，在参考文献[2]中提到：“……几种通风方式巾，横向通风和送风型半横向通风的温度在隧道纵深方向上较为平均……纵向通风由于沿程没有空气进入，而机动车不断排出热量，所以在隧道纵深方向上温度不断升高……”。本隧道下穿黄浦江，地下段4746m，圆隧道内径13.3m，属于特长隧道。正常工况时，西线（北一南）高峰小时流量2760pcu/h，东线（南一北）高峰小时流量3050pcu/h，交通繁忙，车辆通过时汽油、柴油燃烧后排出大量废热。隧道通风系统采用射流风机诱导，在隧道靠出

口处设置集中排风口排出废气的纵向通风方式。原理如图1。

在夏季室外通风计算温度31.2℃的情况下，本隧道内温度分布根据正常工况和全线10km/h阻塞工况分别计算，温度分布曲线见图2。

  由图2可以看出，正常工况时由于壁面散热，隧道前段（人峒口2500m前）温度基本保持室外温度不变，随着长度的增加，热量的累积超过壁面散热能力，隧道后段（入峒口2500m后）的温度明显上升，出峒口温度达到37.89℃：全线10km/h阻塞工况温度与隧道长度近似成正比关系，不考虑加大通风量及其他降温措施时，隧道2150m处温度为40.05℃，出峒口4746m处温度达到50.74℃。

  若考虑夏季室外温度38℃以上或极端交通条件，隧道内计算温度更可高达55℃，其温升问题不容忽视，需要对本隧道采取合适的降温措施以保证人员及行车安全。

3  隧道温度控制措施

3.1隧道温度控制方式

  目前，国内隧道温度控制措施有两种方式：利用隧道自身的通风系统降温和利用高压细水雾系统降温。在崇明越江通道长江隧道之前，国内隧道主要是利用通风的方式达到降温的目的。但是，对于本隧道，如果以纯通风的方式降温，将存在以下几个主要问题：

  1)隧道内断面风速将高达10.3m/s，影响行车安全；

  2)隧道内每隔40m需要设置一组射流风机，不满足规范中射流风机最小安装间距80m的要求；

  3)功耗将增加3000kW。

  由以上三点可以看出，利用纯通风的方式降温不具有工程可实施性。

  本隧道考虑在保持正常通风的情况下，采用高压细水雾作为隧道专用的辅助降温系统。

3.2高压细水雾降温原理

高压细水雾具有颗粒直径极小，经采用的粒径仅为60um、分布密集而均匀、在空中停留时间长的特点。表2列出了雾滴直径、每升水的表面积、汽化时间及自由下落速度之间的关系。从表2可以看出，在总水量一定时，雾滴直径越小，表面积越大，汽化所需要的时间也越短，吸热作用和效率就越高。对于相同的水量，高压细水雾雾滴所形成的表面积至少比传统水雾喷出的水滴大100～1000倍，冷却降温作用非常明显。

  另外一方面高压细水雾雾滴重量很轻，不会轻易下落到地面，而是跟随空气流动，增加了与空气的换热时间，有利于雾滴的吸热降温过程。

3.3高压细水雾降温系统本隧道应用方案

本隧道根据阻塞丁况温升计算结果，高压细水雾降温系统单管隧道设计总需水量约为400L/min( 6.67kg/s)，可控制出峒口空气温度不超过40℃。高压细水雾喷头喷雾粒径60um，单只喷头喷雾量约为1.75L/min。隧道入峒口设计温度为31.2℃，出峒口计算温度为50.74℃，在计算温度为35℃断面处开始进行保护，按照温度上升曲线与隧道长度近似成正比关系，即在进入隧道后900m处开始设置高压细水雾温度控制断面。图3为高压细水雾T作原理图，每管隧道共需设置45个喷雾断面，分为3个喷雾段，每个喷雾段含15个喷雾断面，每个喷雾断面为一组，各组5只喷嘴。一段靠近闵行工作井，一段位于隧道中部，第三段靠近奉贤工作井。每组喷头间距75m，每个喷雾段长度约1125m，全程3375m需设置喷雾头。

  结合温度控制和节能要求，采用3个断面作为一组控制单元，每组控制单元测点为3个，分别位于隧道顶部和两侧面。单根隧道内喷雾断面分为15组控制单元，每组控制单元由该处的温度及出峒口处的温度决定是否喷雾。控制条件如下：每个喷雾段5个控制单元独立控制，当出峒口温度高于40℃且该控制单元平均温度高于40℃时，该控制单元所含的3个断面喷雾开启；当该控制点平均温度低于40℃时，喷雾关闭。

4存在问题

  车辆通过隧道时，尤其是阻塞工况下，车辆在隧道内行进速度较慢，通过细水雾的方式降温，车窗有结露的可能性，对行车安全造成影响。

假定车内空调设定温度为26℃，车窗温度与车内温度一致。峒口空气温度为状态点1，隧道内负荷以显热为主，经等湿加热至状态点2，最后经细水雾喷雾等焓冷却至状态点3。状态点1至状态点3变化过程焓湿图及状态参数见图4及表3。

  由图4及表3可以看出，经细水雾降温后的隧道内空气湿球温度为26℃，有结露的可能性。

5  结论

高压细水雾降温系统从系统设计上可以有效控制隧道内的温度，同时也存在造成车窗结露的可能性。该系统的实际降温效果尚需经过应用验证。

6摘要：城市公路隧道温升问题随着城市机动车数量的增加逐渐凸显。本文就隧道温升问题的由来、采用高压细水雾系统控制隧道温度的方案及可能存在的问题进行了初步的工程分析，希望可以对隧道温度控制措施提供一些参考。