城市道路隧道內吊頂式凈化通風系統縱向布置方案優化研究*

王蓓蕾，徐志勝，孔 杰，鄭思宇

(1.中建一局集團建設發展有限公司，北京 100102；2.中南大學 土木工程學院，湖南 長沙 410075；3.中國計量大學 質量與安全工程學院，浙江 杭州 310018；4.中建二局華東分公司，江蘇 南京 210044)

0 引言

隧道可有效緩解交通運輸壓力,但隧道空氣中的污染物也帶來一系列問題[1],一方面影響隧道內環境，對駕乘人員健康造成危害，影響行車安全視距等;另一方面，影響隧道周圍大氣環境，因此，需要對隧道空氣污染進行治理[2]。隧道空氣中污染物主要來自汽車尾氣排放[3],其中顆粒污染物包括粉塵、碳粒、重金屬等，有害氣體成分包括CO、NOx、SO2、HC等[4]。目前，主要采取縱向通風與凈化通風系統結合的措施進行治理，安裝方式主要包括旁通式、吊頂式和豎井式3種[5]。旁通式和吊頂式通過將隧道空氣引入空氣凈化站，經過過濾凈化處理排回隧道中；豎井式直接將處理后的空氣排放至大氣中。早在20世紀70年代，日本和挪威就已經出現關于隧道空氣凈化的研究[6]；1979年日本的Taruga公路隧道成為世界第1條成功配備靜電除塵器的隧道，并在多個國家得到廣泛應用[7]；日本是公路隧道內安裝ESP系統最早、最多的國家，其中8 000條公路隧道中有40條安裝ESP系統[8]。截至2010年，世界配備空氣凈化系統的隧道達60多條[9]。

目前，我國關于公路隧道污染物治理方面的研究仍處于起步階段。20世紀80年代初期，離子體化學處理脫硫脫硝技術作為1種新的空氣污染控制技術逐漸發展，80年代后期，中國部分學者對脈沖電暈脫硫脫硝以及脫除CO進行研究，為后期靜電除塵系統研究奠定基礎[10]。近年來，學者對靜電除塵技術在公路隧道凈化空氣方面開展研究：文獻[11-14]通過對比分析國內縱向通風與國外靜電除塵技術在處理隧道內污染物效果及能耗情況，得出靜電除塵技術可除去隧道污染物中的顆粒物，減少隧道對周邊環境的影響，改善空氣質量，并認為靜電除塵系統在我國以后污染物治理道路上有很大的應用前景。

我國針對吊頂式隧道設置凈化除塵系統的研究以凈化除塵設備的原理與組成、凈化除塵系統安裝方式優缺點以及凈化除塵系統效率提高方式為主，關于在隧道內布置凈化除塵系統方案的研究尚有不足。因此，本文通過數值模擬和理論分析相結合，研究吊頂式凈化通風系統的設置位置、凈化范圍以及縱向間距，優化其縱向布置方案，研究結果可為城市隧道污染物處理方案優化提供理論基礎。

1 數值模型建立

1.1 隧道污染物擴散理論

各類污染物受隧道內氣流、車輛運行速度等因素影響會發生運移。污染物運移即污染物在隧道內的擴散運動或衰減轉化，主要依靠對流擴散和紊流擴散2種運移形式[15]。隧道內污染物擴散方程如式(1)所示：

(1)

式中：c為污染物濃度，kg/m3；D為擴散系數，m2/s；vj為氣流在j方向的速度分量，m/s；qc為污染物產生率，kg/(m3·s)；t為污染物擴散時間，s。

在長公路隧道中，隧道縱向長度較長，可以忽略氣流在y、z方向的影響，認為氣流在隧道內只沿x方向上做1維擴散，假設氣流為不可壓縮狀態，則隧道內污染物擴散方程如式(2)所示：

(2)

式中：vr為隧道內氣流速度，m/s；q為車輛引起的污染物產生率，kg/(m3·s)；qs為風機引起的污染物轉移率，kg/(m3·s)。

風機相對于長隧道占比較小，對整體隧道內污染物的運移影響較小，認為qs=0，因此式(2)可簡化為式(3)：

(3)

其中，第1項為非穩態項，第2項為擴散項，第3項為對流項，第4項為源項。

在公路隧道內進行污染物模擬時，一般利用穩態擴散模型進行研究。穩態擴散模型指隧道內污染物的濃度與時間沒有關系，如式(4)所示：

(4)

故式(3)可轉化為式(5)：

(5)

當隧道內有很多車輛時，由于活塞風的作用，會使隧道內氣流增大，氣流引起的污染物擴散要遠遠小于污染物運移，如式(6)所示：

(6)

此時可以將擴散項忽略，式(5)簡化為式(7)：

(7)

式中：c0是隧道入口處污染物初始濃度，kg/m3。由式(7)可知，污染物在長隧道內基本上呈線性分布，隨著距隧道入口距離增大，無污染物的濃度逐漸增大，并在隧道出口處達到最大值。

1.2 模型假設與建立

1)模型假設

隧道內空氣流動非常復雜，在進行空氣流動基本規律研究和污染物濃度分布方程建立時，做部分假設[16-20]：假設隧道內氣流為不可壓縮定常湍流流動；流體按照連續介質處理，遵守連續性定律；在進行隧道內污染物分布研究時，為簡化模型，將車輛縮小為1 m×1 m×1 m的立方體，將排放口擴大為1 m×1 m的污染物釋放面；因為污染物成份是標量，各個物質的組成成份分布形態相似，所以本文以CO的濃度分布代表隧道內整體污染物的擴散分布；汽車尾氣排放速度為0.36 m/s，CO質量分數為0.000 5；隧道內風速以及排放口尾氣排放速度均視為均勻風速。

2)模型建立

基于上述模型假設，通過建立物理模型與數值模擬，對隧道內的流場分布及CO濃度分布進行分析。帶有吊頂式凈化通風系統的直線隧道模型如圖1所示。通過分析確定吊頂式凈化通風系統的設置位置及凈化范圍，隧道內斷面尺寸均為9.7 m×6.2 m，隧道內布置2列污染物釋放源，釋放源首尾間距為10 m，橫向中心距為4 m，其中吊頂式隧道夾角取20°，長度50 m，高度4.0 m，吊頂式凈化通風系統距離隧道入口1 400 m。吊頂式凈化通風系統縱向布置間距修正模型如圖2所示，其中布置間距取2種工況進行研究，分別為E1(布置間距取300 m)和E2(布置間距取330 m)。

圖1 帶有吊頂式凈化通風系統的直線隧道模型示意Fig.1 Schematic diagram of straight tunnel model with ceiling-type purification ventilation system

圖2 吊頂式凈化通風系統縱向布置間距修正模型Fig.2 Correction model for longitudinal layout spacing of ceiling-type purification ventilation system

在Fluent數值模擬中設置邊界條件：隧道入口設置為速度入口，取4 m/s，出口設置為壓力出口，湍流強度為3%，當量直徑為7.6 m；風機出入口設置為速度入口，取33.8 m/s，湍流強度為3%，當量直徑為0.9 m；釋放源出入口設置為速度入口，取0.36 m/s，湍流強度為5%，當量直徑為1.0 m。

2 結果與分析

2.1 吊頂式凈化通風系統位置及凈化范圍的確定

為研究吊頂式凈化通風系統的縱向布置方案，首先需要確定其設置位置及凈化范圍。繪制隧道斷面CO濃度分布如圖3所示。由圖3可知，在吊頂式隧道入口之前，主隧道內CO濃度基本呈線性增長，在吊頂式隧道出口后，隧道內CO濃度出現明顯降低，之后由于主隧道較長且隧道內各個位置均在釋放污染物，因此隧道內CO濃度仍呈線性增長；在距離隧道入口1 400 m位置布置吊頂式凈化通風系統時，仍會導致主隧道內出現CO濃度超標現象，為滿足凈化效果，可將吊頂式凈化通風系統布置在距離隧道入口1 300 m位置。圖中O點位置坐標為(1 732,150)，此時隧道內CO濃度再次達到規范要求的限值150 cm3/m3，故可得吊頂式凈化通風系統的凈化范圍為330 m。

圖3 隧道斷面CO濃度分布曲線Fig.3 CO concentration distribution curve of tunnel section

隧道內Z=1.0 m高度處CO濃度分布如圖4所示。由圖4可知，吊頂式凈化系統可有效降低隧道內CO濃度，但吊頂式隧道對應主隧道內CO濃度會增大，因為此時較多的氣流進入吊頂式隧道，使隧道內氣流量降低，由于釋放源在不斷釋放污染物，主隧道內會出現污染物積聚，使隧道內CO濃度出現大于150 cm3/m3的區域。因此，為保證在吊頂式凈化系統進行縱向布置時，吊頂式隧道對應主隧道內CO濃度可滿足規范要求，可將吊頂式隧道向隧道入口方向移動。

圖4 隧道內Z=1.0 m高度處CO濃度分布Fig.4 CO concentration distribution in tunnel at height of Z=1.0 m

2.2 吊頂式凈化通風系統縱向布置間距優化研究

E1、E2工況下隧道斷面CO濃度分布如圖5所示。由圖5可知，吊頂式凈化系統可有效降低隧道內污染物濃度，但由于隧道較長且隧道內各個位置均在釋放污染物，從第3個吊頂式凈化系統起，僅吊頂式隧道對應主隧道內CO濃度出現大于150 cm3/m3的區域；在E2工況下，從第2個吊頂式凈化系統起，隧道內CO濃度出現大于150 cm3/m3的區域，且越靠近隧道出口，吊頂式隧道對應主隧道CO濃度越大，且隧道內CO濃度超過規定值150 cm3/m3的范圍越大，凈化效果明顯低于E1工況。

圖5 不同工況下隧道斷面CO濃度分布Fig.5 CO concentration distribution of tunnel section under different conditions

E1、E2工況下Z=1.0 m高度處隧道內CO濃度分布如圖6所示。由圖6可知，在吊頂式凈化通風系統縱向布置間距為300，330 m時，隧道內CO濃度分布規律相似，均在吊頂式隧道下方的主隧道內出現聚集；距隧道入口1 300～1 380 m為設置吊頂式凈化系統的位置，在氣流進入吊頂式隧道后，主隧道會出現CO積聚區，由于釋放源的存在，CO濃度處于增大狀態，與圖6描述相符；距隧道入口1 400～1 500 m時，由于處在吊頂式隧道出口，釋放新鮮空氣，隧道內CO濃度降低，隨釋放源不斷釋放污染物，CO濃度還不斷上升，直至經過下一個吊頂式凈化系統的處理。對比不同工況，隧道內整體CO濃度分布規律類似，E2工況下吊頂式隧道對應主隧道CO濃度較高，說明此時對人體危害較大。

圖6 Z=1.0 m高度處隧道內CO濃度分布Fig.6 CO concentration distribution in tunnel at height of Z=1.0 m

3 結論

1)直線隧道內CO基本呈線性分布，在距離隧道入口1 300 m處，CO濃度達到隧道內車輛阻滯情況下的限值150 cm3/m3，為滿足隧道內空氣質量要求，需要在此處布置凈化系統。

2)對帶有吊頂式凈化通風系統的物理模型進行數值模擬發現，吊頂式凈化系統的凈化范圍約為330 m，之后隧道內CO濃度會達到隧道內車輛阻滯情況下的限值150 cm3/m3，會對人體造成危害。

3)對吊頂式凈化通風系統縱向布置間距進行優化研究發現，當縱向布置間距為300 m時，僅吊頂式隧道對應的主隧道內CO濃度出現少許大于150 cm3/m3的區域，因此在滿足隧道運營經濟的前提下，吊頂式凈化通風系統縱向布置間距不宜大于300 m。