一种全纵向射流通风隧道的照明联动通风节能系统控制方法

技术领域

本发明涉及隧道通风设计领域，尤其是涉及一种全纵向射流通风隧道的照明联动通风节能系统控制方法。

背景技术

公路隧道是公路上的特殊路段，属于半封闭环境。为保证隧道内的行车安全，为驾乘人员提供一个相对理想的行车环境，达到一定规模的公路隧道，都需要设置通风、照明等机电设施。

公路隧道通风系统的功能是稀释汽车排放到公路隧道内的大气污染物。汽车尾气中的污染物主要包括CO和烟雾等。大气中的烟雾会对隧道行车安全造成不利影响。烟雾浓度越大，则隧道内能见度越低，相应对行车安全的威胁就越大。因此，长度和交通量达到一定规模的公路隧道，都要配置通风系统。对于其中相当一部分隧道，烟雾是通风系统设置规模的决定性因素。

我国公路隧道目前常用的机械通风方式是纵向通风。对于3km以下的公路隧道，通常采用全纵向射流通风。全纵向射流通风隧道的污染物浓度分布特征是从隧道的新鲜空气入口到污染空气出口线性上升(《公路隧道通风设计细则JTG T D70 2-02-2014》表4-1、4-2)，隧道机械通风需要消耗大量的电能。在其他条件相同的情况下，通风消耗的能量取决于通风的风速。通风系统的风速与能耗为三次方关系。也即风速提高一倍，则能耗为原来的八倍。

通风的风速取决于通风的需风量和隧道的断面积。三者之间的关系为：

其中W为风速，Q

通风的需风量又取决于两个参数，其一是隧道内的污染物排放量，其二是污染物设计浓度(允许排放出隧道的空气中的污染物的最高浓度，对于全纵向射流通风隧道，就是污染空气出口处的污染物浓度)。以烟尘为例，稀释烟尘所需的需风量的计算公式为：

式中Q

从上式也可以看出，K的物理意义是体积空间中的平均烟尘含量。

烟尘设计浓度表示烟尘对空气的污染程度。通过测定污染空气在一定距离Lk(《公路隧道通风设计细则JTG T D70 2-02-2014》规定为100m)范围内的烟尘光线透过率来确定，也称为100m透过率，为洞内能见度指标。参见《公路隧道通风设计细则JTG T D70 2-02-2014》5.2.1条条文说明。

现行的《公路隧道通风设计细则JTG T D70 2-02-2014》，对于无论哪种通风方式，推荐的烟尘设计浓度都是相同的。但是，《公路隧道通风设计细则JTG T D70 2-02-2014》同时又指出，公路隧道的允许烟尘设计浓度与洞内亮度有关。在其他条件相同时，若路面平均亮度更高，允许烟尘设计浓度相应地可以更高(《公路隧道通风设计细则JTG T D70 2-02-2014》5.2.1条条文说明)。按照允许烟尘浓度的定义，也就是说，如果照明标准为B

其中k

显然，隧道内的烟尘浓度不可能是处处相同的。事实上，按照《公路隧道通风设计细则JTG T D70 2-02-2014》的规定，烟尘设计浓度事实上是Lk范围内烟尘浓度的平均值指标。而隧道通风实际所要达到的目标，是保证在任何长度为Lk的范围内，累计的等效烟尘含量不高于中间段亮度标准下，Lk范围内平均烟尘浓度为K的累计指标。

根据《公路隧道照明设计细则JTG T D70 1-02-2014》，公路隧道的照明在洞内一般划分为加强段照明和中间段照明。其中加强段照明一般包括入口段、过渡段和出口段。加强段照明的亮度一般远高于中间段照明(《公路隧道照明设计细则JTG T D70 1-02-2014》第5、6章)。

全纵向射流通风隧道可以利用这一情况，合理提高烟尘设计浓度。因为全纵向射流通风隧道的污染空气出口(位于隧道出口，相应照明为加强照明)的照明亮度更高。但其他通风方式则不一定，因为其他通风方式的污染空气出口可能在隧道中部，本身就位于照明的中间段。

现有的公路隧道通风节能技术主要有两种技术路线。

一是提高通风设备的能效。采用能效能够达到二级能效，乃至一级能效，甚至更高的通风机。

二是开发节能通风控制器。其基本思路是根据隧道内烟雾浓度的实测值来调节通风风速，以实现节能的目标。具体的通风控制器有PID控制器、前馈控制器等。

无论上述那种技术路线，都是以隧道中间段的照明亮度为依据，确定隧道通风的允许烟尘设计浓度，没有考虑更高的照明亮度能够起到的对公路隧道通风的节能效果。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种全纵向射流通风隧道的照明联动通风节能系统控制方法，动态调整隧道的允许烟尘设计浓度，实现公路隧道通风系统的节能运行。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种全纵向射流通风隧道的照明联动通风节能系统控制方法，其特征在于包括以下步骤，

S1、污染空气出口端各加强照明分段的亮度记为B

S2、中间照明段终点为P1，从P1到污染空气出口之间为加强照明段，其总长度为L

令：L’＝L-L

以P1点烟尘浓度等于K

对烟尘光线透过率指标最不理想的，包括P1点在内的长度为Lk的范围进行定位，

令该范围的烟尘光线透过率指标为Lk*Km，求出P1点的烟尘浓度K

S3、计算

若K≤K1，则将K作为当前隧道通风的允许烟尘设计浓度。当通风节能控制系统检测烟尘浓度大于或等于K时，通风节能控制系统提升通风风速，当通风节能控制系统检测到隧道出口的烟尘浓度小于K时，通风节能控制系统降低通风风速；

若K>K1，执行S4步骤；

S4、对1≤i≤N，定位烟尘光线透过率指标最不理想的，包括Ei点在内的长度为Lk的范围，并求出相应范围的烟尘光线透过率指标，记为Ti，找到Ti中的最大者MaxTi，若MaxTi≤Lk*Km，则计算下式的值：

将K作为当前隧道通风的允许烟尘设计浓度，当通风节能控制系统检测烟尘浓度大于或等于K时，通风节能控制系统提升通风风速，当通风节能控制系统检测到隧道出口的烟尘浓度小于K时，通风节能控制系统降低通风风速；

若MaxTi>Lk*Km；，则执行S5；

S5、计算下式的值：

将K作为当前隧道通风的允许烟尘设计浓度，当通风节能控制系统检测烟尘浓度大于或等于K时，通风节能控制系统提升通风风速，当通风节能控制系统检测到隧道出口的烟尘浓度小于K时，通风节能控制系统降低通风风速。

进一步的是，步骤S2中所述Lk取值100m。

本发明的有益效果是：本发明合理利用隧道照明亮度和公路隧道的允许烟尘设计浓度之间的关系，根据隧道加强照明段亮度的动态变化，动态调整隧道的允许烟尘设计浓度，实现公路隧道通风系统的节能运行。且本发明技术方案满足现行的行业设计标准，且计算得到的隧道通风允许烟尘设计浓度必然大于目前普遍采用的方法计算得到的允许烟尘设计浓度。采用本发明的技术方案，可以降低公路隧道通风系统消耗的能量，有利于节能减碳，也可以节约公路的运营成本。

附图说明

为了更清楚地说明发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对申请所需要使用的附图作简单地介绍；显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明隧道各段关系示意图；

图2为加强照明各分段示意图，且示意了烟尘浓度上升趋势。

图中附图标记为：新鲜空气进口到污染空气出口的总长度L；中间照明段的允许烟尘浓度为K

全纵向射流通风隧道的污染物浓度分布特征是从隧道的新鲜空气入口到污染空气出口线性上升(《公路隧道通风设计细则JTG T D70 2-02-2014》表4-1、4-2)。图中箭头方向为隧道进口到出口方向的空气运行方向，按照该箭头方向，隧道后方烟尘浓度应大于前方烟尘浓度。且浓度和距隧道新鲜空气入口的距离成正比。图2中斜线a代表浓度上升趋势。

具体实施方式

为了使本领域的人员更好地理解发明，下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互结合。

一种全纵向射流通风隧道的照明联动通风节能系统控制方法，包括以下步骤，

S1、污染空气出口端各加强照明分段的亮度记为B

B

S2、中间照明段终点为P1。从P1到污染空气出口之间为加强照明段，其总长度为L

令：L’＝L-L

依次计算

以P1点烟尘浓度等于K

对烟尘光线透过率指标最不理想的，包括P1点在内的长度为Lk的范围进行定位。

定位方法是：

开始时以中间段上距离P

具体做法是求取以下积分式的最大值：

以上式1是以中间段上距离P

S3、计算

若K≤K1(这说明整个加强照明段，按照自然斜率增长的烟尘浓度，在任何Lk距离之内，其累计的等效烟尘浓度小于Lk*Km。在这里先计算一步的原因，是由于后续的计算需要大量的积分运算，如果在这里就能够确认这个结果，就免去了S4所需要的大量计算)，则将K作为当前隧道通风的允许烟尘设计浓度。当通风节能控制系统检测烟尘浓度大于或等于K时，通风节能控制系统提升通风风速，当通风节能控制系统检测到隧道出口的烟尘浓度小于K时，通风节能控制系统降低通风风速。

若K>K1，执行S4。

S4、对1≤i≤N，定位烟尘光线透过率指标最不理想的，包括Ei点在内的长度为Lk的范围(定位方法与S2步骤类似，区别在于开始时以中间段上距离Ei点L

找到Ti中的最大者MaxTi。

若MaxTi≤Lk*Km(这说明整个加强照明段，按照自然斜率增长的烟尘浓度，在任何Lk距离之内，其累计的等效烟尘浓度小于Lk*Km)，则计算下式的值：

将K作为当前隧道通风的允许烟尘设计浓度。当通风节能控制系统检测烟尘浓度大于或等于K时，通风节能控制系统提升通风风速，当通风节能控制系统检测到隧道出口的烟尘浓度小于K时，通风节能控制系统降低通风风速。

若MaxTi>Lk*Km(这说明整个加强照明段，按照自然斜率增长的烟尘浓度，在任何Lk范围之内，其累计的等效烟尘浓度大于Lk*Km。MaxTi就是这些大于Km的值当中的最大值。那么这时就要在按自然斜率增长的烟尘浓度的基础上，乘以Lk*Km与MaxTi的比值。这样就足以保证任何Lk范围之内，累计的等效烟尘浓度不大于Lk*Km)，则执行S5。

事实上，只要满足MaxTi≤Lk*Km，就说明整个加强照明段，按照自然斜率增长的烟尘浓度，在任何Lk距离之内，其累计的等效烟尘浓度小于Lk*Km。在这个条件下相应的公式都是一样的，就是：

之所以要有S3这个步骤，是因为计算MaxTi需要大量的积分运算，计算量太大。而对于某些隧道(一般是长度较长的隧道)，是满足以下条件的：

而满足上述条件自然就满足MaxTi≤Lk*Km。也就可以用

S3先计算一步的原因，是因为这种情况下的最终K值计算虽然用的是一样的公式，但可以免去S4所需要的大量计算。

S5、计算下式的值：

将K作为当前隧道通风的允许烟尘设计浓度。当通风节能控制系统检测烟尘浓度大于或等于K时，通风节能控制系统提升通风风速，当通风节能控制系统检测到隧道出口的烟尘浓度小于K时，通风节能控制系统降低通风风速。

实施例1：

一座二级公路隧道，长度L＝2167m，纵坡为0，净空高度7m，交通量180veh/h，设计速度60km，天空面积百分比10％，亮环境，照明灯具采用LED，采用全纵向射流通风。查《公路隧道通风设计细则JTG/T D70/2-02-2014》、《公路隧道照明设计细则JTG T D70 2-01-2014》可得：

K

洞外亮度3500cd/m

入口1段长度：

入口2段长度与入口一段长度相同。

该隧道加强段的各分段的长度和照明亮度设计指标如下：

L

L’＝2000m，Lk＝100m。

该隧道TR2段(过渡2段)的设计照明亮度为2.625>2.5，按《公路隧道通风设计细则JTG/T D70/2-02-2014》表5-2，取K

如图1中所示P1即为中间照明段终点。E

包括P1点在内的长度为Lk的范围有以下四种可能的情况：

1)全部位于中间段。

此时该长度为Lk的范围的烟尘光线透过率应按下式计算：

2)部分位于中间段，部分位于过渡2段。

记该范围位于中间段上的长度为d，此时该长度为Lk的范围的烟尘光线透过率应按下式计算：

化简后得：

代入各项参数后得到：

K

上式是一个一元二次方程，其顶点的d值为1350。当d<1350时，该函数为单调递增。因此该函数当d＝L

3)部分位于中间段，部分位于过渡2段，部分位于过渡1段。

记该范围位于中间段上的长度为d，此时该长度为Lk的范围的烟尘光线透过率应按下式计算：

化简后得：

代入各项参数后得到：

K

上式是一个一元二次方程，其顶点的d值为1535.7。当d<1535.7时，该函数为单调递增。因此该函数当d＝L

4)部分位于过渡2段，部分位于过渡1段。

由于该范围必须包括P1，因此该范围事实上是第3种情况下d＝0时的特例。从上面的讨论可知，第4种情况下的烟尘光线透过率一定好于第3种情况。

综合以上四种情况的计算结果，易见第1种情况的烟尘光线透过率指标最不理想。

令

97.5K

计算得

K

计算

可取隧道允许烟尘设计浓度K＝0.007223。

按《公路隧道通风设计细则JTG/T D70/2-02-2014》表5.2.2.2，允许烟尘设计浓度取0.0065；

0.0065/0.007223＝0.9

相应的隧道通风风速仅为原设计的0.9。

由于通风机的电机功率等于风量与风压的乘积，而风量与风速成正比，风压与风速的二次方成正比，则相应的电机功率与风速的三次方成正比。也即相应的通风能耗仅为原设计的0.9

实施例2：

一座二级公路隧道，长度L＝817m，纵坡为0，净空高度7m，交通量180veh/h，设计速度60km，天空面积百分比10％，亮环境，照明灯具采用LED，采用全纵向射流通风。查《公路隧道通风设计细则JTG/T D70/2-02-2014》、《公路隧道照明设计细则JTG T D70 2-01-2014》可得：

K

照明停车视距D

入口1段长度：

入口2段长度与入口一段长度相同。

该隧道加强段的各分段的长度和照明亮度设计指标如下：

L

L’＝650m，Lk＝100m。

该隧道TR2段(过渡2段)的设计照明亮度为2.625>2.5，按《公路隧道通风设计细则JTG/T D70/2-02-2014》表5-2，取K

首先校验P1点。

包括P1点在内的长度为Lk的范围有以下四种可能的情况：

1)全部位于中间段。

此时该长度为Lk的范围的烟尘光线透过率应按下式计算：

2)部分位于中间段，部分位于过渡2段。

记该范围位于中间段上的长度为d，此时该长度为Lk的范围的烟尘光线透过率应按下式计算：

代入各项参数后得到：

K

上式是一个一元二次方程，其顶点的d值为0。当d>0时，该函数为单调递减。因此该函数当d＝L

3)部分位于中间段，部分位于过渡2段，部分位于过渡1段。

记该范围位于中间段上的长度为d，此时该长度为Lk的范围的烟尘光线透过率应按下式计算：

代入各项参数后得到：

K

上式是一个一元二次方程，其顶点的d值为185.7。当d>0时，该函数为单调递减。因此该函数当d＝L

4)部分位于过渡2段，部分位于过渡1段。

由于该范围必须包括P1，因此该范围事实上是第3种情况下d＝0时的特例。从上面的讨论可知，第4种情况下的烟尘光线透过率为91.7K

综合以上四种情况的计算结果，易见第2种情况的烟尘光线透过率指标最不理想。

令

93.2K

计算得

K

计算

K>K1。因此不能直接将K作为当前隧道通风的允许烟尘设计浓度。而须对1≤i≤N，定位烟尘光线透过率指标最不理想的，包括Ei点在内的长度为Lk的范围。

包括E1点在内的长度为Lk的范围有以下六种可能的情况：

1)部分位于中间段，部分位于过渡2段。

2)部分位于中间段，部分位于过渡2段，部分位于过渡1段。

3)部分位于过渡2段，部分位于过渡1段。

4)部分位于过渡2段，部分位于过渡1段，部分位于入口2段。

5)部分位于过渡2段，部分位于过渡1段，部分位于入口2段，部分位于入口1段。

6)部分位于过渡1段，部分位于入口2段，部分位于入口1段。

由于第1、2种情况的范围均必然包括P1点在内，而对这两种情况已经获得了计算结果，因此不再重复计算。

对于第3种情况，记该范围位于过渡2段上的长度为d，此时该长度为Lk的范围的烟尘光线透过率应按下式计算：

化简后得：

代入各项参数后得到：

K

上式是一个一元二次方程，其顶点的d值为-1158。当d>0时，该函数为单调递减。因此该函数当d＝100-44＝56时取得最大值，最大值为92.6K

对于第4种情况，记该范围位于过渡2段上的长度为d，此时该长度为Lk的范围的烟尘光线透过率应按下式计算：

代入各项参数后得到：

K

上式是一个一元二次方程，其顶点的d值为-286.722。当d>0时，该函数为单调递减。因此该函数当d＝100-44-28＝28时取得最大值，最大值为93.85771K

对于第5种情况，记该范围位于过渡2段上的长度为d，此时该长度为Lk的范围的烟尘光线透过率应按下式计算：

代入各项参数后得到：

K

上式是一个一元二次方程，其顶点的d值为-33。当d>0时，该函数为单调递减。因此该函数当d＝0时取得最大值，最大值为94.07467K

对于第6种情况，由于过渡1段、入口1、2段的总长度近似为100m，与Lk近似相等，相当于第5种情况d＝0时的特例。

显然此时有：

MaxTi＝94.07467K

于是令：

94.07467K

按《公路隧道通风设计细则JTG/T D70/2-02-2014》表5.2.2.2，取Km＝0.0065；

K

相应的隧道通风风速仅为原设计的0.748。

由于通风机的电机功率等于风量与风压的乘积，而风量与风速成正比，风压与风速的二次方成正比，则相应的电机功率与风速的三次方成正比。也即相应的通风能耗仅为原设计的0.748

从以上实施方式和实施例可以看出，在满足公路隧道通风设计细则JTG/T D70/2-02-2014设计要求下，本发明的方案不仅考虑以隧道中间段的照明亮度为依据，确定隧道通风的允许烟尘设计浓度，还考虑了更高的照明亮度能够起到的对公路隧道通风的节能效果。因此，本发明可以降低公路隧道通风系统消耗的能量，有利于节能减碳，也可以节约公路的运营成本。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。