طراحی تهویه تونل؛ روش های تهویه تونل‌ های مترو و جاده ای

سیستم تهویه تونل

طراحی تهویه ‌ی تونل ‌ها و پارکینگ ‌ها، همواره یکی از مهم‌ترین مراحلی است که مهندسین با آن سروکار دارند. اما چرا؟
یکی از مسائلی که شاید حتی شما، به عنوان یک فرد رهگذر، داخل پارکینگ‌ های عمومی یا تونل‌ ها با آن مواجه شده باشید، هوای گرفته و دودی مانند درون فضا بوده است که همواره باعث ‌شده ترجیح دهید سریع‌تر از آن فضا خارج شوید. علت این امر، وجود گاز‌های خروجی، نظیر مونوکسید کربن، اکسید نیتروژن و LPG (گاز مایع‌شده نفتی) است. وجود این گاز‌ها برای مدت طولانی به شدت خطرناک و مسموم کننده است. هم‌چنین هوای گرم و بوی نامطبوع، از اثرات دیگر این گازهاست.
بنابراین، اهمیت تهویه ‌ی داخل فضا آن ‌قدر زیاد است که مهندسین از همان ابتدای کار آن ‌را جزو اولویت ‌ها می ‌گذارند و همواره به جزییات و نکات احداث آن توجه خاصی نشان می ‌دهند.
مهندسین با استفاده از متد‌ها و سیمو لیشن ‌ها و تجهیزات مختلف، همانند فن ‌جت ‌ها که متداول ‌ترین روش تهویه به شمار می ‌رود و سایر روش ‌ها، که در این مقاله به بررسی آن ‌ها خواهیم پرداخت، کیفیت هوا را تا حد مطلوبی بهتر می‌کنند.

طراحی تهویه تونل

تهویه ‌ی تونل چیست؟

به ‌طور کلی تهویه ‌ی تونل سیستمی است که در آن فن‌ های اگزوز در یک سمت محفظه و در سمت مخالف دو دهانه ‌ی بزرگ نصب شده است. هوا از طریق این دهانه ‌ها، از پایین وارد و از سمت دیگر خارج می‌شود. مانند یک تونل باد.
در واقع تهویه تونل نوعی سیستم اگزوز مانند است. فن ها مانند پمپ عمل می‌کنند تا هوا را از طریق مسیر خروجی هوا حرکت دهند. پمپاژ هوا از یک محفظه باعث کاهش فشار هوا در داخل محفظه می‌شود. سپس فشار هوای خارجی، هوا را از طریق دهانه‌ ی ورودی وارد محفظه کرده و این سیکل ادامه پیدا می ‌کند.

سیستم ‌های تهویه تونل ‌ها و ایستگاه‌ های مترو جهت تأمین شرایط مطلوب، به طور معمول برای حالت‌ های زیر طراحی و اجرا می‌شوند:

  1. هوا رسانی، خنک‌کردن و خارج کردن حرارت از تونل ‌ها و ایستگاه ‌ها در شرایط معمولی
  2. هوا  رسانی، خنک ‌کردن و خارج کردن حرارت از تونل ‌ها و ایستگاه‌ ها در شرایطی که در کار عادی اختلال ایجاد شود.
  3. کنترل و تخلیه دود حاصل از حریق در مواقع اضطراری

اما فاکتور هایی که باید در هنگام تهویه کنترل شوند عبارت‌اند از:

  1. دما
  2. رطوبت نسبی
  3. هوای تازه مورد نیاز
  4. سرعت باد
  5. کیفیت و غلظت هوا
  6. آلودگی صوتی انواع مختلفی از سیستم‌ های تهویه در ساخت تونل وجود دارد که برای از بین بردن گرد و غبار و گاز سمی در طول ساخت و بهره برداری از آن ارائه می‌شود.جت فن

اهداف اصلی تهویه‌ ی تونل عبارت‌اند از:

  • ایجاد هوای تازه برای خدمه و کارگران
  • از بین بردن بخارات و گازهایی که قبلاً نیز به آن اشاره کردیم، که برای سلامتی مضر هستند، ماهیت انفجاری دارند و باعث خوردگی تجهیزات نیز می‌شوند.
  • از بین بردن ذرات معلق در هوا و گرد و غبارهایی که هنگام مته کاری، حفاری، یا سایر کارهای احداثی به وجود آمده است. (مانند دیزل ژنراتور، لیفتراک و ماشین‌آلات سنگین که عمدتاً به‌صورت ترکیبات کربن، نیتروژن و دوده در محیط وجود دارند).

برای محاسبه کنترل کیفیت هوا ابتدا فرض می ‌کنیم که هوا خشک است و بر اساس آن مسائل مربوط به حجم اصلی هوا محاسبه می ‌شود. اگر بخواهیم از دید ترمودینامیکی بررسی کنیم، هوا یک ترکیب مکانیکی از هوای خشک و بخار آب می ‌باشد؛ اما از نظر شیمیایی ترکیبی از هوای خشک است که معمولاً شامل ۲۱% اکسیژن، ۷۹% نیتروژن و گازهای نادر است که منبع اصلی مصرف اکسیژن در مترو، مسافرین و پرسنل بوده و منبع اصلی تولید گرما علاوه بر مسافرین و پرسنل، تجهیزات و قطارها نیز هستند.

در هنگام شرایط اضطراری، برای تأمین شرایط تخلیه، دمای هوا از ۸۰ درجه سانتیگراد که به مدت ۱۵ دقیقه قابل تحمل است نباید بالاتر رود.
همچنین باید توجه داشت که در دمای ۱۵۰ تا ۲۰۰ درجه سانتیگراد، بتن شروع به ریزش می‌کند و این امر خود سبب منع تخلیة افراد شده و می‌تواند آتش‌ نشانان را مجروح کند.

آتشی به توان ۷ مگاوات (طبق آزمایش‌ ها و در اثر سوزاندن یک واگن قطار این اعداد برآورد شده‌اند.) توانایی تولید ۲۵ متر مکعب در ثانیه دود را داراست که می‌تواند قسمتی از تونل را به طور کامل بلاک کند. پس دستگاه‌ های تهویه باید به‌گونه ‌ای طراحی شوند که سرعت هوا و شدت جریان لازم را در داخل تونل ایجاد کرده و دود را در جهت مناسب کنترل کنند؛ تا شرایطی پایدار برای مأمورین آتش ‌نشانی به وجود آید تا بتوانند از جهت مخالف تخلیه دود وارد تونل شده و افراد نیز از همان جهت خارج شوند و محل مورد نظر تخلیه گردد.

روش ‌های گوناگونی برای محاسبه سرعت بحرانی برای کنترل دود در تونل ‌ها وجود دارد که مهم‌ترین آن‌ ها شامل روابط تجربی، روش‌ های پدیده شناسانه و دینامیک سیالات محاسباتی (CFD) است.

تهویه ‌تونل از مهم‌ ترین و حیاتی‌ ترین بخش ‌های پروژه است که روش ‌های گوناگونی دارد و مهندسین با توجه به شرایط محیطی و نوع تونل، روش مناسب و کم‌ هزینه را انتخاب می ‌کنند.

روش ‌های تهویه

 همان‌طور که اشاره شد، روش‌های گوناگونی برای تهویه در تونل ‌های زیرزمینی و متروها وجود دارد که درمورد سیستم تهویه قطار هم صدق می کند. البته در توضیحاتی که راجع‌به هر روش داده خواهد شد، شرح خواهیم داد که هر روش مناسب چه موقعیتی است، اما بد نیست به‌طورکلی، قبل از آشنایی با هرکدام از روش‌های ذکر شده، بدانیم که برای تعیین نوع سیستم‌های تهویه و ظرفیت آن‌ها باید چه عواملی را در نظر گرفت. مهم‌ترین این عوامل عبارت‌اند از:

  1. مقدار حرارت و گرمای ایجاد شده در تونل
  2. نوع قطار یا وسایل نقلیه که در تونل مورد نظر تردد دارند.
  3. شتاب‌های تندشونده و کندشونده
  4. تعداد افرادی نظیر مسافرین و پرسنل
  5. ساعات کار اوج روزانه
  6. شرایط جوی محیط
  7. شدت حریق و آتش ‌سوزی ممکن در ایستگاه‌ ها و تونل ‌ها
  8. و در نهایت شرایط فیزیکی تونل ‌ها و ایستگاه‌ ها از قبیل قطر، سطح مقطع و…

همگی این موارد ذکر شده هنگام طراحی و تهویه تونل متروهای ایران مثل بادبزن‌های هوادهی یا تخلیه مؤثرند.
دما، سرعت و فشار از مهم‌ترین فاکتورهای بحرانی برای طراحی تهویه و همچنین ایمنی به هنگام آتش‌سوزی هستند.
شکل زیر، تصویری است شماتیک از تهویه اضطراری به هنگام آتش‌ سوزی.

سیستم‌ های تهویه طولی در تونل‌ ها

برای ترانزیت و تونل راه آهن، از سیستم جریان طولی هوا استفاده می‌ شود. در این روش ماهیت جریان هوا طولی است.
در ابتدای تونل، گازها و مواد آلاینده به حرکت در می ‌آیند و به دنبال آن‌ها هوای تازه نیز وارد می ‌شود؛ سپس در انتهای تونل، هوای ناسالم از طریق کانال‌های مخصوص تخلیه می ‌شود.

تهویه تونلسیستمهای تهویه جریان هوا عرضی در تونل

از این روش برای تونل ‌های جاده‌ای و بعضاً تونل‌های ترانزیتی استفاده می ‌شود. در اینجا هوای تازه به صورت یکنواخت در طول تونل ایجاد می‌شود و هوای برگشت از طریق شبکه‌ هایی به داخل کانال برگشت، مکیده می ‌شود.
تهویه عرضی یا نیمه عرضی برای تونل‌ هایی با طول بیش از ۴ تا ۵ کیلومتر مورد استفاده قرار می‌ گیرد. مقطع کانال ‌های ورودی و خروجی در طول تونل متفاوت است و هوا معمولاً از کف تونل وارد شده و از نزدیک سقف خارج می ‌شود.

تهویه جریان هوا عرضی در تونل

این شکل روش ‌های مختلف تهویه عرضی در تونل ‌ها را نشان می ‌دهد. سیستمهای تهویه جریان هوا نیمه عرضی در تونل

در این روش که در حقیقت ترکیبی از روش طولی و عرضی است، هوای تازه واد تونل می‌شود و هوای آلوده به درون کانال ‌هایی که در طول تونل تعبیه شده و طول آن ‌ها متفاوت است، مکیده شده و از تونل خارج می ‌شود.

سیستم تهویه مکانیکی در تونل ها

سیستم تهویه مکانیکی عمدتاً از دستگاه‌های مکانیکی مانند فن‌های الکتریکی، جت‌فن‌ها، اگزوز و دمنده‌ها استفاده می‌کند که وظیفه آن‌ها حذف گازهای خروجی درون تونل و کمک به دمیدن هوای تازه به داخل تونل است.
متداول‌ترین سیستم تهویه استفاده از جت ‌فن هاست که در تونل‌های یک طرفه و دو طرفه کاربرد دارد. در این روش در سقف تونل جت فن نصب می‌کنند که هوا را در محدوده فوقانی مقطع هندسی تونل به جریان درآورده و تهویه طولی را انجام می‌دهد.
یکی از مزیت‌های این روش امکان مدیریت میزان مصرف انرژی است. چرا‌که می‌توان با توجه به میزان ترافیک، تعدادی از فن ها را خاموش کرد. همین‌طور به نسبت روش‌های دیگر اجرای آن ساده‌تر و نصب آن نیز سریع‌تر است. دیگر آن‌که نسبت به تغییرات شرایط جوی انعطاف‌پذیری بالایی نیز دارد. یعنی با استفاده از جت فن هایی که قابلیت ایجاد جریان معکوس را دارند می‌توان جهت جریان هوا را با توجه به جهت جریان طبیعی مدیریت کرد.
به منظور حفاظت تونل به خصوص در موارد آتش‌سوزی، فن‌های برگشت پذیر انتخاب بهتری هستند.

از آنجا که جت فن ها فقط در نقاط خاصی نصب می‌شوند، بنابراین کمتر از ۰٫۵% از سقف را اشغال می‌کنند. این امر باعث ایجاد فضای کافی برای سایر تجهیزات می‌شود و در زمان و هزینه نیز صرفه‌جویی می‌شود.
رابطه زیر به منظور پیدا‌کردن تعداد فن های مورد‌نیاز برای غلبه بر مقاومت کل تونل و تأمین نیروی مورد نیاز برای تهویه به کار می‌رود:

NF= Ttot/ Ti

در اینجا Ttot بیانگر نیروی کل تونل و Ti نیروی فن نصب‌شده( واقعی) است.

البته با توجه به نوع تونل، همان‌طور که اشاره شد، این روش محدودیت‌هایی نیز دارد. اما عدم نیاز به احداث اتاقک بادزن از مزیت‌های دیگر این روش است که آن را از سایرین ممتاز می‌کند.
این روش از زیرشاخه‌های سیستم تهویه‌ی طولی است.

سیستم‌ های تهویه به روش دمیدن در تونل

این روش نیز از زیرشاخه های تهویه ‌ی مکانیکی است و همان‌طور که از اسمش پیداست، هوای پاک و تمیز به کمک لوله‌ ها به سطح کار دمیده می ‌شود. در حقیقت با استفاده از یک دمنده و مکنده هوا در ابتدا و انتهای تونل، هوا وادار به حرکت می ‌شود.
البته این سیستم در تونل‌های دو طرفه طولانی سبب ایجاد مه و آلودگی می‌شود و فقط در تونل های یک‌ طرفه کاربرد دارد.

سیستم‌ های تهویه کننده با استفاده از شفت یا دویل

در موتورهای تهویه تونل مترو از این روش استفاده می‌شود، در این روش در مرکز تونل یک کانال حفر می‌کنند که در آن‌یک بادزن تهویه وجود دارد. این بادزن( فن) باعث مکش هوا می‌شود و باعث می‌شود هوا از دو طرف تونل وارد و از طریق کانال از آن خارج شود. این روش فقط برای تونل‌های دوطرفه قابل استفاده است چرا‌که جهت حرکت هوا در نیمی از تونل بر خلاف جهت حرکت خودروها است که این امر اثر پیستونی را خنثی می‌کند. بنابراین فقط در نیمی از تونل تهویه خواهیم داشت.

تهویه هوای تونل

تهویه طبیعی تونل

اگر در دهانه‌ی ورودی و خروجی تونل، اختلاف فشار وجود داشته باشد(در اثر عواملی نظیر اختلاف ارتفاع در دو دهانه تونل،
اختلاف دما در دو دهانه تونل، اثر باد در تونل و..) هوا به صورت طبیعی به حرکت در می‌آید و تهویه طبیعی شکل می‌گیرد.
این اتفاق معمولاً در تونل های کوتاه رخ می‌دهد. توجه داشته باشید که در این روش هیچ فن یا وسیله‌ی دیگری برای کنترل جریان هوا وجود ندارد.

تهویه به کمک مواد شیمیایی

از بین روش‌هایی که ذکر شد، تهویه طولی با استفاده از دویل میانی و استفاده از جت ‌فن برای تونل‌ ها و تهویه عرضی و نیمه‌ عرضی برای تهویه ایستگاه ‌ها عموماً شایع‌تر است. در موقعیت ‌های اضطراری، گاهی بادبزن‌ های سقفی را نیز به کار می ‌برند. به ‌طور کلی معمولاً مهندسین از یک روش استفاده نمی‌کنند و روش ‌های فوق را با یکدیگر ترکیب کرده تا نیازهای گوناگون آن ‌ها را بتواند پاسخ دهد.
این مواد شیمیایی عبارت‌اند از احتراق کاتالیتی (مثلاً با هوپکالیت)، جذب سطحی(مثلاً با کربن فعال شده)، جذب (مثلاً جذب شیمیایی)، انتقال رطوبت با ژل سیلیس، تمیز کردن هوا با رطوبت و رسوب دادن الکتروستاتیک و…
همانطور که گفته شد، طراحی تهویه تونل با توجه به نوع تونل متفاوت است. البته برای مثال استفاده از جت ‌فن‌ ها روشی است که در اکثر موارد نیاز ما را رفع می‌کند و از بقیه نیز قابل دسترس تر بوده و سر و صدای آن نیز کمتر است. بسیاری از مهندسین هستند که ترجیح می‌دهند دو تا از روش‌ ها را با یکدیگر ترکیب کنند. به طور کلی می‌توان همه‌ی این روش‌ها را در دو دسته‌ ی تهویه طبیعی و تهویه مکانیکی جای داد که هر کدام به دسته‌های دیگر تقسیم می‌شوند که به آن‌ها اشاره شد.

بادبزن‌های تهویه دارای چه مشخصاتی می‌باشند؟

  • برگشت ‌پذیر هستند.
  • مقاومت آن‌ ها بالا بوده و در مدت‌ زمان کم می ‌توانند به صورت معکوس عمل کنند و در برابر فشاری که حرکت پیستونی قطار ایجاد می‌کند و به شدت بالاست مقاوم هستند.
  • در شرایط آتش‌ سوزی و در دمای بالا قادر به کارکردن هستند و می‌توانند دود یا هوای لازم را از تونل مورد نظر تخلیه کنند. (مثلاً در دمای ۱۵۰ درجه سانتیگراد تا دو ساعت و در دمای ۲۵۰ درجه سانتیگراد تا ۲۰ دقیقه باید بتوانند کار کنند.)
  • تعمیر آنها باید آسان باشد و نصب آن‌ ها به ‌گونه‌ ای باشد که از دسترس تعمیرکار خارج نباشند.
  • بادبزن ‌های تهویه از نوع محوری بوده و زاویه پره‌ های آن‌ ها قابل تنظیم است.
  • مجهز به دمپرهای اتوماتیک و صدا‌ خفه ‌کن هستند.امیدواریم با خواندن این مقاله اطلاعات کافی و جامع لازم را در مورد شیوه‌ی طراحی تهویه تونل، انواع تهویه، و کاربری هرکدام را به شما، مخاطب عزیز، رسانده باشیم.
فهرست