城市隧道运营通风与净化系统设计探讨

2022-01-21杨嘉楠

现代交通技术 2021年6期

王平，杨嘉楠

(北京市市政工程设计研究总院有限公司，北京 100082)

随着城市化进程的推进，国内各城市隧道建设不断发展，城市道路路网不断完善，城区道路交通拥堵逐渐缓解。隧道是相对密闭的空间，隧道内污染物仅靠自然通风不易排出。城市交通量不断增长，容易造成隧道洞口附近污染物浓度超标，提升了隧道污染物的治理难度[1]。随着公众环保意识的提高，隧道等地下工程空气质量的要求也逐渐提高。

近年来，专家学者对隧道内通风方式进行了大量研究。已有研究表明，仅仅依靠增加竖井的自然通风稀释方式控制隧道污染物浓度，其技术经济性较差[2-3]，也难以满足城市用地、景观和环保要求[4]。机械通风和隧道空气净化相结合是治理隧道空气污染的发展方向[5-6]。隧道通风与空气净化系统可以保证隧道内和隧道洞口周围环境达到卫生标准，同时还可以保障行车安全和周边居民身体健康。隧道空气过滤净化研究主要集中在净化和过滤技术[2-3]，国内还没有实际投入使用的隧道空气过滤净化设备，大多利用模拟软件对空气净化效果进行分析[7]。以日本和挪威为代表的发达国家对隧道净化通风系统的研究较早，应用实例较多[8]。我国对隧道空气净化系统也有研究，重庆大学、上海市纳米科技与产业发展促进中心，等开展了室内研究，也开发了纳米技术、土壤法等空气净化技术及相应的小型设备，但由于成本和工程技术等原因，大多停留在试验室研究阶段，尚未有成熟的大型空气净化设备应用于实际工程。

隧道净化技术的应用在国内尚未有成熟的工程案例，设计人员也缺乏隧道空气净化系统设计原则、标准等方面的经验。基于此，本文以北京某城市隧道工程为例，对其空气净化系统设计进行分析探讨，以期为其他区域的隧道空气净化系统设计提供理论参考。

1 工程简介

采用工程案例为北京某城市隧道工程，其全线位于既有道路下，沿隧道两侧30 m范围内密布居住、办公、教学等敏感建筑，对隧道内废气的排放标准要求较高。地下道路全长6.57 km，标准段采用综合管廊和地下道路共构设置，隧道标准段节点效果如图1所示。

图1 隧道标准段节点效果

1.1 隧道工程概况

该隧道为一类城市交通隧道，隧道封闭段长度为6 086 m；设计行车速度为80 km/h；交通阻滞车速为30 km/h；隧道断面面积为82.3 m2；设计交通量为左线1 800 pcu/h、右线3 430 pcu/h；路面纵坡为i≤±4.0%。隧道内CO(一氧化碳)设计浓度为：正常运营时100 cm3/m3，交通阻滞时150 cm3/m3，养护维修时30 cm3/m3。烟雾设计浓度为：正常运营时0.007 0 m-1，养护维修时0.003 0 m-1。隧道内NO2(二氧化氮)设计浓度为1.0 cm3/m3。隧道换气频率为3次/h。

1.2 隧道需风量计算

根据《公路隧道通风设计细则》(JTG/T D70/2—02—2014)[9]进行隧道通风量计算，隧道需风量如表1所示。

表1 隧道需风量 (m3/s)

由表1可知，隧道平时通风换气次数应满足各工况最大需风量，即442.65 m3/s。

1.3 隧道通风方案比选

现有两种隧道通风方案，通过详细对比，选择更适合本案例的通风方案。

方案一：采用分段纵向通风方式，隧道内废气的40%从隧道洞口排出，60%从排风井排出。根据本工程环评要求，全线需设置12个直径为7.5 m的排风井，以满足污染物排放要求。

方案二：采用全纵向式通风+旁通式空气净化站方式，隧道内空气全部从洞口排出，隧道通风系统示意如图2所示。经计算，不采取任何净化措施的情况下，隧道洞口NOX(氮氧化物)超标，为了降低隧道洞口附近敏感点的环境污染，需设置隧道空气净化站，降低隧道排出空气的污染物浓度，以满足污染物排放要求。

图2 隧道通风系统示意

通过对比可知，方案一的排风井选址难度大，景观难以协调一致，在实际工程中操作难度大；同时，方案一扩大了污染物影响范围，污染物总量并未减少，不推荐此方案。方案二的空气净化站能有效降低污染物总量，减少地面排风井数量，景观效果较好，还可以提高工程建设的灵活性。因此，本工程推荐采用方案二。

2 隧道内外污染物允许浓度和排放分布特征分析

机动车排放尾气中含有大量有害成分，例如CO、NOX和PM(颗粒物)等，城市隧道以汽油车为主，颗粒物影响较小，本文重点研究CO和NOX。为保障隧道内行驶空间的空气质量，确定各污染物允许浓度和排放分布特征是隧道通风与空气净化设计的重要内容。

2.1 隧道内污染物允许浓度

2.1.1 CO

《公路隧道通风设计细则》(JTG/T D70/2—02—2014)[9]对隧道内CO浓度限值的要求为：正常工况下125 mg/m3，阻塞工况下187.5 mg/m3。根据PIARC(世界道路协会)2012年报告，CO浓度限值取87.5 mg/m3。

2.1.2 NOX

《公路隧道通风设计细则》(JTG/T D70/2—02—2014)[9]对NOX浓度限值提出了要求，即20 min内NO2浓度应不大于2.05 mg/m3，折合成NOX允许浓度为10.25 mg/m3[10]。我国《环境空气质量标准》(GB 3095—2012)[11]中规定大气环境中NOX浓度限值要求为：日均值不大于80 μg/m3、小时均值不大于200 μg/m3。

2.2 隧道外污染物允许浓度

目前，大部分国家仅制定了大气环境空气质量标准，仅有挪威等少数国家明确规定了隧道洞口污染物浓度控制标准和大气环境空气质量标准。隧道洞口环境空气质量标准(挪威)如表2所示。

表2 隧道洞口环境空气质量标准(挪威) (μg/m3)

《环境空气质量标准》(GB 3095—2012)[11]对大气环境中各项污染物控制指标做出了明确规定，其中二级标准对1 h的CO和NOX浓度限值要求分别为10 mg/m3和200 μg/m3。因此，隧道排风井污染物浓度限值需符合标准要求。

除全国标准外，部分地区针对大气污染物排放也制定了地区排放标准，以北京为例，隧道排风井污染物需满足《大气污染物综合排放标准》(DB11/501—2017)[12]的规定，单位周界无组织排放监控浓度限值为：CO 3 mg/m3、NOX0.12 mg/m3。值得注意的是，大气污染排放标准中单位周界无组织排放浓度限值表示的是监控点与参照点浓度之间的差值，而参照点浓度为当地大气环境浓度。一般情况下，山岭公路隧道的背景值较低，可不考虑。城市隧道位于城市中心区，路面交通排放污染物容易和地下道路排放的污染物产生叠加作用。因此，城市隧道污染物背景值应该根据大气环境状况确定。目前设计阶段还无法提供具体数值，本文暂按环评报告中现状监测值计算，其中CO现状监测值为0.8 mg/m3，NOX现状监测值为0.112 mg/m3。隧道洞口单位周界无组织排放监控浓度限值为：CO 3.8 mg/m3、NOX0.232 mg/m3。

目前，我国对大气环境质量的要求已与国际接轨，但对隧道内的污染物浓度、隧道排放口污染物浓度的控制标准较发达国家宽松。根据工程经验和相关环评要求，隧道内污染物允许浓度根据《公路隧道通风设计细则》(JTG/T D70/2—02—2014)[9]执行。隧道排风井和洞口污染物允许浓度需按照《环境空气质量标准》(GB 3095—2012)[11]和当地大气环境排放标准从严执行。

2.3 隧道污染物排放分布特征

2.3.1 机动车污染物排放源强度

根据各类型机动车流量及其尾气污染物的排放系数等参数，计算得出该路段行驶的机动车尾气污染物的排放源强度[13]，计算公式如下：

(1)

式中，qj为j类气态污染物排放源强度，mg/(m·s)；Ai为i型车预测年的小时交通量，pcu/h；Eij为在专用公路运行工况下i型车j类气态污染物在预测年的单车排放因子，mg/(pcu·m)。

2.3.2 机动车污染物排放系数

随着机动车内燃机的发展更新，机动车排放限值标准日趋严格，不同排放标准汽车污染物排放量分担率[14]如图3所示。

图3 不同排放标准汽车污染物排放量分担率

由图3可知，随着老旧车不断淘汰，清洁能源车、新能源车保有量不断上升，机动车流污染物(CO、NOX等)排放量呈下降趋势。机动车污染物排放系数是决定空气净化系统组成和规模的重要参考依据，其常用测试方法有台架测试、车载排放测试和隧道测试等[10]。我国于2016年发布了《轻型汽车污染物排放限值及测量方法(中国第六阶段)》(GB 18352.6—2016)[15]，本次设计中Eij选用该标准，与环评报告保持一致。

2.3.3 隧道污染物浓度分布

根据邓顺熙等[16]研究成果，对于长直隧道，如果不考虑其在隧道内的沉积作用，隧道内气态污染物浓度的纵向分布为

(2)

式中，C为污染物浓度，mg/m3；Cj 0为在x=0处j类气态污染物浓度，mg/m3；qj为隧道内机动车污染物排放源强，mg/(m·s)；Ar为隧道断面面积，m2；V为隧道平均风速，m/s。

3 空气净化站简介

3.1 净化站组成

隧道净化技术主要以烟尘和NOX为治理目标，其主要类型包括以静电除尘为代表的除尘技术和以活性碳吸收、吸附为代表的脱硝技术[17]。前期调研结果显示静电除尘+脱硝工艺初投资和运行费用昂贵，初投资按照处理的风量进行估算，约35万/m3。高投资在一定程度上限制了隧道空气净化技术的应用，国内尚未有成功的工程案例。

空气净化处理站主要由机械预过滤器、静电除尘器、活性炭过滤器、大型轴流风机、自动清洗系统、废水处理系统和自动控制系统组成，其中核心部件为静电除尘器和活性炭过滤器，本文重点介绍2个核心部件。隧道空气净化站组成示意如图4所示。

图4 隧道空气净化站组成示意

3.1.1 静电除尘器

《公路隧道通风设计细则》(JTG/T D70/2—02—2014)[9]中7.9.1及条文说明指出，目前我国尚未有除尘装置的应用实例，参考日本的相关研究和实例，主流标准机型处理风速为9 m/s。根据PIARC《公路隧道手册》介绍，隧道净化设计风速达13 m/s，PM2.5去除率大于80%，国际厂商也都能提供处理风速为9～13 m/s时的高净化效率报告。

本文对国内代理商和厂家的产品进行性能测试，国内不同厂家的静电除尘器性能对比如表3所示。前期调研结果显示，处理风速过大或一味追求静电除尘器净化效率将大大提高设备投资，处理风速过小或静电除尘器净化效率过低也会增加土建投资。本工程在提高设备国产率、减少投资的前提下，优先考虑性价比更高的静电除尘器，具体技术要求为：风速6 m/s情况下，静电除尘器的PM2.5和PM10净化效率不小于85%。

表3 国内不同厂家的静电除尘器性能对比

3.1.2 活性炭过滤器

国内不同厂家的活性炭过滤器性能对比如表4所示。本工程采用的活性炭过滤器产品应满足：风速0.5 m/s情况下，NO2净化效率不低于90%。

表4 国内不同厂家的活性炭过滤器性能对比

通常，为有效保护活性炭过滤器的效率和寿命，NOX净化设备多与静电除尘设备结合使用。

3.2 净化站布置

隧道内污染物浓度随隧道长度增加而增加，污染物浓度的峰值与车辆密度、车型有关。采用纵向通风方式的隧道，隧道进出口污染物易产生堆积，污染物浓度较高。

应根据隧道内部及洞口污染物排放标准，确定净化站设置位置，本文主要研究两种情况：洞内污染物超标和洞外污染物超标。当洞内污染物超标时，若设置单纯隧道通风系统，需在超标点前设置排风井；若无法高空排放，需考虑设置旁通或竖井式空气净化站，降低洞内污染物浓度，净化站需根据隧道总长度、污染物浓度超标区段确定其设置数量和位置。当洞外污染物超标时，若只设置隧道通风系统，可满足洞内污染物浓度标准，在无法达到洞外环境空气质量标准情况下，净化站应设置在靠近隧道出洞口处，有效收集、处理隧道内污染物，减少对隧道外环境的污染。

3.3 空气净化站理论综合净化效率

假设空气净化站处理风量占需风量比例为M，污染物净化效率为δ，净化站距隧道进口距离为X，净化站距隧道出口距离为Y，忽略空气净化器占用距离，空气净化站理论综合净化效率[8]计算公式为

(3)

净化效率计算示意如图5所示。

图5 净化效率计算示意

4 隧道空气净化系统设计

4.1 隧道污染物浓度计算

根据式(1)计算，隧道污染物源强分布情况如表5所示。

表5 隧道污染物排放源强分布情况 [mg/(m·s)]

隧道距离对污染物浓度的影响如图6所示。

(a) CO

(b) NOX图6 隧道距离对污染物浓度的影响

由图6可知，隧道内污染物浓度与隧道距离呈线性正相关，受左右线交通流量差异的影响，右线隧道内污染物浓度高于左线，但隧道内污染物浓度均远低于隧道内污染物浓度限值(CO 125 mg/m3，NOX0.25 mg/m3)。隧道洞口左、右线CO排放浓度分别为2.74 mg/m3、4.14 mg/m3；左、右线NOX排放浓度分别为0.25 mg/m3、0.37 mg/m3。与环境质量标准中的限值相比，隧道洞口CO排放浓度低于《环境空气质量标准》(GB 3095—2012)[11]中的限值10 mg/m3，NOX排放浓度高于《环境空气质量标准》(GB 3095—2012)[11]中的限值0.2 mg/m3。与《大气污染物综合排放标准》(DB11/501—2017)[12]中无组织排放浓度限值相比，隧道洞口CO排放浓度左线满足要求，右线略高于限值(3.8 mg/m3)；隧道洞口左右线NOX排放浓度均高于单位周界无组织排放监控浓度限值(0.232 mg/m3)。

由3.2节可知，该隧道洞内污染物浓度满足限值要求，但无法达到洞外环境空气质量标准，基于此，应在靠近隧道洞口处设置隧道空气净化站。在实际建设过程中，空气净化站位置根据工程用地红线、周边环境等综合确定，左线空气净化站设置在距出口1 500 m，右线空气净化站设置在距出口386 m，根据实际位置进一步确定空气净化站的处理规模。

4.2 空气净化站处理风量

本案例中，CO和NOX排放浓度均存在高于允许排放浓度的情况，其中NOX超标更为严重，活性炭过滤器对各种气体污染物均有过滤效果，下文主要对NOX去除情况进行分析计算。

隧道排风井和洞口污染物浓度需同时满足《环境空气质量标准》(GB 3095—2012)[11]和当地大气环境排放标准的要求，空气净化站的处理风量应从环境质量标准限值和单位周界无组织排放监控浓度限值两个方面综合考虑。

4.2.1 按环境质量标准限值

将净化效率、各段距离代入式(3)，可得左线隧道综合净化效率计算公式为

(4)

推导可得M1=29.5%

可知，此时左线处理风量占比M1为29.5%，处理风量为130 m3/s。

右线隧道综合净化效率计算公式为

(5)

推导可得M2=54.5%

可知，此时右线处理风量占比M2为 54.5%，处理风量为242 m3/s。

4.2.2 按单位周界无组织排放监控浓度限值

同样，将净化效率、各段距离代入式(3)，可得左线隧道综合净化效率计算公式为

(6)

推导可得M3=10.6%

可知，此时左线处理风量占比M3为10.6%，处理风量为47 m3/s。

右线隧道综合净化效率计算公式为

(7)

推导可得M4=44.2%

可知，此时右线处理风量占比M4为44.2%，处理风量为196 m3/s。

综上所述，在净化效率为90%的条件下，本工程左线空气净化站计算处理风量为130 m3/s，占比29.5%，右线空气净化站计算处理风量为242 m3/s，占比54.5%。为保证隧道内外污染物排放达标，右线隧道净化系统配置规模需远大于左线，这主要是交通流量差异造成的，右线污染物排放量高于左线。根据以上分析，可知隧道污染物排放标准、机动车污染物排放系数、净化站位置等将影响隧道净化站进口和出口的污染物浓度，进而影响隧道净化系统的组成和规模。