纵向通风隧道正常运营CO浓度限值计算

作者:叶蔚;张旭 刊名:同济大学学报(自然科学版) 上传者:曾明兰

【摘要】我国《公路隧道通风照明设计规范》与国外标准对隧道内CO浓度限值的设定在计算方法和取值上都存在差异.针对射流风机式及竖井送排与射流风机组合式纵向通风隧道CO浓度分布特性,基于差分形式的Coburn-Forster-Kane方程(CFK方程),拟合了两类典型纵向通风隧道正常运营CO浓度限值计算式.结果表明:尽管两类隧道具有不同的CO浓度分布特性,工程中可按相同的限值设计;对于长隧道,我国应设定更严格的限值标准.

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从卫生角度讲,CO是隧道内环境存在的主要污染物,其对人的危害程度取决于CO浓度和人体暴露时间.CO之所以危害人体健康,是因其与血液中的血红蛋白(Hemoglobin,Hb)结合生成羧络(碳氧)血红蛋白(Carboxyhemoglobin,COHb)的结合力是O2与血红蛋白结合生成氧合血红蛋白(Oxyhemoglobin,O2Hb)结合力的约210倍[1].降低CO对人体健康危害的主要方式是进行隧道通风,隧道中稀释CO的需风量由隧道内CO排放量、CO浓度限值、隧道外CO浓度等因素确定.我国现有隧道通风设计标准《公路隧道通风照明设计规范》[2]及国际主要隧道通风标准制订组织PIARC在2004年发布的报告“Roadtunnel:vehicleemissionsandairdemandforventilation”[3]中给出了不同的CO浓度限值和稀释CO的需风量计算方法.我国规范[2]中CO浓度限值存在一定争议[4].尽管在许多国家CO浓度并不是隧道需风量设计的决定性因素[3],但鉴于CO可能给人体健康带来的危害,完善我国CO浓度限值指标仍值得深入研究.目前求解CO浓度、人体暴露时间与羧络血红蛋白浓度饱和度关系的理论基础是Coburn等[5]建立的在恒定且较低的环境CO浓度下人体暴露时间与人体体内羧络血红蛋白浓度饱和度的微分关系式,即CFK(Coburn-Forster-Kane)方程.WHO通过实验研究验证了CFK方程具有一定的可靠性[6].原CFK微分方程以CO浓度为定值进行计算,而隧道中沿程CO浓度通常并不恒定,直接使用CFK微分方程计算CO浓度限值存在较大误差.叶蔚等[7]基于不同通风方式隧道CO分布特性给出了用CFK积分方程导出解析解用于计算隧道CO浓度限值.但积分方程中仍假定氧合血红蛋白饱和度为定值,得到的解析解为近似解析解.CFK差分方程可克服该缺陷.本文针对射流风机式及竖井送排与射流风机组合式纵向通风隧道CO浓度分布特性,基于差分形式的CFK方程,拟合了两类典型纵向通风隧道正常运营工况CO浓度限值计算式.1纵向通风隧道CO浓度分布纵向通风是目前隧道的主要通风形式,具体有射流风机式、集中送入式、竖(斜)井(简称竖井)排出式、竖井送排式、竖井送排与射流风机组合式及静电除尘式等不同设计方式[2].纵向通风通常使新鲜空气通过隧道口或送风竖井进入隧道,沿隧道纵向流动,将污染空气通过隧道口或排风竖井排出隧道.若不考虑静电除尘方式,纵向通风隧道CO浓度分布规律大致可分为无竖井和有竖井两类.1.1射流风机纵向通风隧道射流风机纵向通风隧道是无竖井纵向通风隧道的典型.作如下假设:隧道为单向交通等截面隧道,长为L,km;隧道为正常运营,车速恒定为v,kmh-1,单位交通量单位长度CO排放量gCO,mgs-1m-1,为定值;忽略隧道内CO的扩散作用;隧道所有断面上机动车污染物均与空气混合均匀,且忽略机动车排放对隧道通风量体积的影响;忽略隧道温升和坡度对CO浓度分布的影响.以行车方向为坐标轴,以隧道入口为坐标原点,则隧道内坐标轴x处(0<xL)人体吸入的CO分压力PCO=PCO(0)+PCO=PCO(0)+Gv60t(1)式中:PCO(0)为隧道入口处CO分压力,Pa;PCO为隧道内坐标轴x处由机动车排放产生的CO分压力,Pa;t为人员在CO环境中暴露时间,min.G=gCOPmix/(qj).其中,Pmix为混合气体总压力,Pa;qj为纵向通风量,m3s-1;为CO密度,mgm-3.1.2竖井送排与射流风机组合式纵向通风隧道竖井送排与射流风机组合式纵向通风隧

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