地下工程风能主动利用方式分析

地下工程风能主动利用方式分析

王子云，王松

（四川大学，成都，610065）

摘要：通过分析地下工程通风的特点，设想将风力机和通风机相结合，实现风能在地下工程中的主动利用。文章对具体的技术方案进行论证，并对其能源利用效率进行对比分析，得到可以利用风能通过风力机驱动通风机对地下工程进行通风，这一技术措施不但对风能利用具有创新性，也是对风能，这一可再生能源的有效利用方式。

关键词：风能，风力机，通风机，地下工程

1.前言

可再生能源的有效利用是减缓能源紧张，调整能源结构的必然趋势。风能利用形式多种多样，除了可用来发电、提水、制冷制热外，与我们生活直接相关的是，建筑物采用各种技术和形式加强通风换气。利用风能对建筑物通风，不但可以提高建筑的人居环境质量，又可降低建筑物环控能耗。对于一些特殊建筑，如隧道、矿井等，随着其建设规模的不断大型化，其环控要求和设计难度加大的同时，能耗也不断提高。如何有效改善地下工程的通风效果，同时利用自然能源，如风能，降低能耗，是值得研究的领域。

目前风能在建筑通风中的应用主要是加强自然通风（仅分析由于风压引起的自然通风，不考虑热压作用）[1-4],从风能利用效率角度来分析，根据公式（1）建筑能得到的风功率定义，我们可以看出建筑风能利用时，在一定来流风速下，决定风能利用量的因素是迎风面积A和风能利用系数Cn，增大建筑开口迎风面积可得到更多的风能，而风能利用系数Cn则是和我们所采用的各种技术和设备相关的参数，合理高效的技术措施也能更大限度地利用风能。

3CnUwA(kW) （1） Nw2

对于高出地面的建筑，风能对建筑自然通风的贡献是很容易实现的，见图1（a），利用风能加强地面建筑自然通风的技术也已经相当成熟[1-2]，增大地面建筑物进风口迎风面积可获得更多的风能。

图1（b）中开口可迎风的隧道（文中叙述以隧道为例，同样适用于矿井等地下工程），其迎风面积为隧道入口面积，在一定的来流风速下，通过入口可得到的最大风功率为3UwA

2（为简化分析，忽

___________________

作者简介：王子云，四川大学（1972-），男，甘肃景泰，副教授，博士.email:[email protected]

略山峰背面负压作用），当风向和隧道入口不正交，可利用风能更小，同时随着隧道（尤其公路隧道）的长度、交通量的增加，需风量也是增加的，对于较长的隧道，利用自然风很难达到环控要求的通风量。而图1（c）所示的隧道，其入口不迎风，基本无法自然获得风能。

图1 建筑自然通风示意

可见隧道、矿井等地下工程，一则其与大气接触的迎风通道面积小，难以得到足够量的风能，二则自然风的风向常年变化，很难利用自然风满足其通风换气要求，目前都是通过电力驱动斜、竖井通风机或者其他形式电动机械通风来达到其空气环境控制要求的。

2地下工程风能主动利用的必要性

为了保持长距离隧道内部的环境卫生要求，设立通风竖井是一种较为常见的形式。实际建设中，这些隧道中的通风竖井，由于需要高空排放隧道内部的污染空气，相对地表通常处于相对空旷的环境中。这种“相对空旷”的环境为风能的利用创造了有利的条件，可以在高空利用风力机截获风能，直接驱动隧道通风机，对隧道进行通风换气，如图2。从图1-2分析，原理上，我们可按照隧道通风用通风机所需输入功率，考虑机械传动效率后确定所需的风力机输出功率，再考虑风力机的风能利用系数后，进而确定风力机的几何尺寸（叶片长短、数量、直径等）,达到两个的功率匹配。从图2可见，采用风力机获取风能驱动隧道通风机，可根据设计确定风力机迎风面积，获得足够多的风能，因此可满足隧道通风所需的能量，这种方式相对于传统被动式自然通风方式，是一种主动式通风方式。

改革开放以来，我国经济进入了迅猛发展阶段，隧道的建设也如火如荼地进行着。改革开放之初的1979年，中国只有公路隧道374座。截止2005年底，我国公路隧道达到2500余座，总长1250

余公里。具有代表性的有七道梁隧道(1.56km)、梧桐山隧道(2.3km)、中梁山隧道(3.17km)、打浦路隧道(2.76km)、大溪岭隧道(4.10krn)、二郎山隧道(4.16km)。2007年开通、长度排名世界第一的双洞单向交通秦岭终南山公路隧道长达18.02km。截止2002年底，我国己建成铁路隧道6876座，总长约3670公里，成为世界上铁路隧道数量最多、长度最大的国家。具有代表性的有西康线秦岭铁路隧道(18.5km)、乌鞘岭铁路隧道(20.1km)、太行山铁路隧道(27.8km)[5]。

国内已投入使用的青岛胶州湾海底公路隧道（长度7.797km）,主隧道设置轴流风机18台，总功率达5000kW；隧道射流风机78台，总功率2244kW；风机房等地下设备用房通风排烟用风机功率800kW左右；整个系统装机功率8000kW；可见通风能耗将是长大隧道的一项主要运营支出。目前国内长大隧道的建设处于高峰期，国家也在规划琼州海峡过海隧道，方案设计考虑地下部分20km,正在进行可行性研究；台湾海峡过海隧道也在可行性讨论阶段，这些长大隧道的建设，通风问题及其运营能耗都是隧道建设和运营的关键问题。同时我国是一个产煤大国，地下矿井主要能耗也是通风能耗，并且矿井多采用竖井高排的方式，可利用自然风能进行矿井通风。

图2 风力机驱动隧道通风机示意

3地下工程风能主动利用的可行性

上世纪80年代，风力机的功率只有25kW,而现在商业用风机功率已经达到2500kW，2003年德国新装风力机的平均功率已达1600kW。目前市场上销售的最大功率的风力机功率可达3600kW，单机容量500、600、700kW的风电机组已达到商业化生产的水平，成为世界风力发电的主力机型[6-9]。而隧道和矿井用通风机功率通常在90～600kW，风力机的功率输出，在部分风资源丰富的时间内，理论上完全可以达到隧道通风风机的能耗需求。利用风力机驱动通风机在部分风力可满足风力机功率要求的时间内，经过合理的匹配，可满足地下工程通风要求。

任何能源在以任何形式的转换过程中，转换过程的能量损失都是不可避免，以风能驱动隧道通

风为例，分析两种方案的能量转换及损失情况，见图3（图中显示了各种转换的能量转换率）。a.为发电后利用电能驱动方式，首先通过风力机将风能转换为机械能（能量转换率最大值为贝兹极限0.593,目前风力机普遍能够达到0.4），再通过发电机转换为电能，在使用过程中，如隧道通风中，再将在电能通过电动机转化为机械能，机械能通过通风机转化成空气流动的压能和动能，整个过程中四次能量型式的转换，两次机械传动损失，总能量转换率约为0.172，同时由于目前电能的储存材料尚无法储存大量电能，无法就地储存和使用所发电能；如果将风能直接转换成机械能，直接驱动通风机，减少了机械能到电能，电能再到机械能的转换，而且少了一次机械传动损失,总能量转换率为0.285,两种方案相比较，直接驱动方式约是发电再利用方式的1.66倍。因此，如果在适当的场合，可以不通过或通过尽量少的转换环节利用自然能源，则可以有效地提高自然能源的利用率。

图3 风能利用方式效率对比

4.结论

利用丰富的风资源，降低隧道通风能耗，符合目前国家大力提倡节能减排的政策，通过理论研究和实验分析，形成地下工程主动通风用风能驱动设备的合理机械结构、运行特征，是可再生能源风能在隧道通风中应用的创新。从动力源上看，是隧道通风方法扩展；从运行工况及其控制上看，将有别于传统电驱动通风运行模式，是地下建筑通风和节能的一大创新。不仅具有相关基础理论研究、解决关键科技问题的意义，同时研究结果无论从节能、环保、可再生能源利用等多重意义上，皆具有实际的应用参考价值。

参考文献

[1]龚波.自然通风的设计策略及模拟分析[J].建筑热能通风空调,2004,23(5):30-34.

[2]B.Wang, D.W. Etheridge, M. Ohba. Wind tunnel investigation of natural ventilation through multiple

stacks. Part 1:Mean values[J].Building and Environment , 2011(46):1380-1392.

[3]王颖.过渡季节自然通风节能效果分析[J].建筑节能,2011, 39(10):19-22.

[4] Naghman Khan, Yuehong Su, Saffa B. Riffat. A review on wind driven ventilation techniques[J].Energy

and Buildings, 2008(40):1586-1604.

[5]张光鹏.公路隧道双向换气式纵向通风研究.西南交通大学博十学位论文.2008.

[6] 世界前沿技术发展报告2007[M]. 科学技术出版社，2008.

[7] 美国风电装机容量超越德国跃居全球首位[N]. 重庆日报，2009，3.

[8] 关伟，卢岩. 国内外风力发电概况及发展方向[J]. 吉林电力，2008，10(2)：1-2.

[9] 关媛媛. 国内最大功率风力发电机组在渝研制成功[N]. 2007，11.

第一作者简介：

王子云、男、1972.11、副教授

联系地址：四川省成都市一环路南一段24号四川大学行政楼112室，610065

联系电话：[1**********]；传真：028-85401015；电子邮箱[email protected]。

地下工程风能主动利用方式分析

王子云，王松

（四川大学，成都，610065）

摘要：通过分析地下工程通风的特点，设想将风力机和通风机相结合，实现风能在地下工程中的主动利用。文章对具体的技术方案进行论证，并对其能源利用效率进行对比分析，得到可以利用风能通过风力机驱动通风机对地下工程进行通风，这一技术措施不但对风能利用具有创新性，也是对风能，这一可再生能源的有效利用方式。

关键词：风能，风力机，通风机，地下工程

1.前言

可再生能源的有效利用是减缓能源紧张，调整能源结构的必然趋势。风能利用形式多种多样，除了可用来发电、提水、制冷制热外，与我们生活直接相关的是，建筑物采用各种技术和形式加强通风换气。利用风能对建筑物通风，不但可以提高建筑的人居环境质量，又可降低建筑物环控能耗。对于一些特殊建筑，如隧道、矿井等，随着其建设规模的不断大型化，其环控要求和设计难度加大的同时，能耗也不断提高。如何有效改善地下工程的通风效果，同时利用自然能源，如风能，降低能耗，是值得研究的领域。

目前风能在建筑通风中的应用主要是加强自然通风（仅分析由于风压引起的自然通风，不考虑热压作用）[1-4],从风能利用效率角度来分析，根据公式（1）建筑能得到的风功率定义，我们可以看出建筑风能利用时，在一定来流风速下，决定风能利用量的因素是迎风面积A和风能利用系数Cn，增大建筑开口迎风面积可得到更多的风能，而风能利用系数Cn则是和我们所采用的各种技术和设备相关的参数，合理高效的技术措施也能更大限度地利用风能。

3CnUwA(kW) （1） Nw2

对于高出地面的建筑，风能对建筑自然通风的贡献是很容易实现的，见图1（a），利用风能加强地面建筑自然通风的技术也已经相当成熟[1-2]，增大地面建筑物进风口迎风面积可获得更多的风能。

图1（b）中开口可迎风的隧道（文中叙述以隧道为例，同样适用于矿井等地下工程），其迎风面积为隧道入口面积，在一定的来流风速下，通过入口可得到的最大风功率为3UwA

2（为简化分析，忽

___________________

作者简介：王子云，四川大学（1972-），男，甘肃景泰，副教授，博士.email:[email protected]

略山峰背面负压作用），当风向和隧道入口不正交，可利用风能更小，同时随着隧道（尤其公路隧道）的长度、交通量的增加，需风量也是增加的，对于较长的隧道，利用自然风很难达到环控要求的通风量。而图1（c）所示的隧道，其入口不迎风，基本无法自然获得风能。

图1 建筑自然通风示意

可见隧道、矿井等地下工程，一则其与大气接触的迎风通道面积小，难以得到足够量的风能，二则自然风的风向常年变化，很难利用自然风满足其通风换气要求，目前都是通过电力驱动斜、竖井通风机或者其他形式电动机械通风来达到其空气环境控制要求的。

2地下工程风能主动利用的必要性

为了保持长距离隧道内部的环境卫生要求，设立通风竖井是一种较为常见的形式。实际建设中，这些隧道中的通风竖井，由于需要高空排放隧道内部的污染空气，相对地表通常处于相对空旷的环境中。这种“相对空旷”的环境为风能的利用创造了有利的条件，可以在高空利用风力机截获风能，直接驱动隧道通风机，对隧道进行通风换气，如图2。从图1-2分析，原理上，我们可按照隧道通风用通风机所需输入功率，考虑机械传动效率后确定所需的风力机输出功率，再考虑风力机的风能利用系数后，进而确定风力机的几何尺寸（叶片长短、数量、直径等）,达到两个的功率匹配。从图2可见，采用风力机获取风能驱动隧道通风机，可根据设计确定风力机迎风面积，获得足够多的风能，因此可满足隧道通风所需的能量，这种方式相对于传统被动式自然通风方式，是一种主动式通风方式。

改革开放以来，我国经济进入了迅猛发展阶段，隧道的建设也如火如荼地进行着。改革开放之初的1979年，中国只有公路隧道374座。截止2005年底，我国公路隧道达到2500余座，总长1250

余公里。具有代表性的有七道梁隧道(1.56km)、梧桐山隧道(2.3km)、中梁山隧道(3.17km)、打浦路隧道(2.76km)、大溪岭隧道(4.10krn)、二郎山隧道(4.16km)。2007年开通、长度排名世界第一的双洞单向交通秦岭终南山公路隧道长达18.02km。截止2002年底，我国己建成铁路隧道6876座，总长约3670公里，成为世界上铁路隧道数量最多、长度最大的国家。具有代表性的有西康线秦岭铁路隧道(18.5km)、乌鞘岭铁路隧道(20.1km)、太行山铁路隧道(27.8km)[5]。

国内已投入使用的青岛胶州湾海底公路隧道（长度7.797km）,主隧道设置轴流风机18台，总功率达5000kW；隧道射流风机78台，总功率2244kW；风机房等地下设备用房通风排烟用风机功率800kW左右；整个系统装机功率8000kW；可见通风能耗将是长大隧道的一项主要运营支出。目前国内长大隧道的建设处于高峰期，国家也在规划琼州海峡过海隧道，方案设计考虑地下部分20km,正在进行可行性研究；台湾海峡过海隧道也在可行性讨论阶段，这些长大隧道的建设，通风问题及其运营能耗都是隧道建设和运营的关键问题。同时我国是一个产煤大国，地下矿井主要能耗也是通风能耗，并且矿井多采用竖井高排的方式，可利用自然风能进行矿井通风。

图2 风力机驱动隧道通风机示意

3地下工程风能主动利用的可行性

上世纪80年代，风力机的功率只有25kW,而现在商业用风机功率已经达到2500kW，2003年德国新装风力机的平均功率已达1600kW。目前市场上销售的最大功率的风力机功率可达3600kW，单机容量500、600、700kW的风电机组已达到商业化生产的水平，成为世界风力发电的主力机型[6-9]。而隧道和矿井用通风机功率通常在90～600kW，风力机的功率输出，在部分风资源丰富的时间内，理论上完全可以达到隧道通风风机的能耗需求。利用风力机驱动通风机在部分风力可满足风力机功率要求的时间内，经过合理的匹配，可满足地下工程通风要求。

任何能源在以任何形式的转换过程中，转换过程的能量损失都是不可避免，以风能驱动隧道通

风为例，分析两种方案的能量转换及损失情况，见图3（图中显示了各种转换的能量转换率）。a.为发电后利用电能驱动方式，首先通过风力机将风能转换为机械能（能量转换率最大值为贝兹极限0.593,目前风力机普遍能够达到0.4），再通过发电机转换为电能，在使用过程中，如隧道通风中，再将在电能通过电动机转化为机械能，机械能通过通风机转化成空气流动的压能和动能，整个过程中四次能量型式的转换，两次机械传动损失，总能量转换率约为0.172，同时由于目前电能的储存材料尚无法储存大量电能，无法就地储存和使用所发电能；如果将风能直接转换成机械能，直接驱动通风机，减少了机械能到电能，电能再到机械能的转换，而且少了一次机械传动损失,总能量转换率为0.285,两种方案相比较，直接驱动方式约是发电再利用方式的1.66倍。因此，如果在适当的场合，可以不通过或通过尽量少的转换环节利用自然能源，则可以有效地提高自然能源的利用率。

图3 风能利用方式效率对比

4.结论

利用丰富的风资源，降低隧道通风能耗，符合目前国家大力提倡节能减排的政策，通过理论研究和实验分析，形成地下工程主动通风用风能驱动设备的合理机械结构、运行特征，是可再生能源风能在隧道通风中应用的创新。从动力源上看，是隧道通风方法扩展；从运行工况及其控制上看，将有别于传统电驱动通风运行模式，是地下建筑通风和节能的一大创新。不仅具有相关基础理论研究、解决关键科技问题的意义，同时研究结果无论从节能、环保、可再生能源利用等多重意义上，皆具有实际的应用参考价值。

参考文献

[1]龚波.自然通风的设计策略及模拟分析[J].建筑热能通风空调,2004,23(5):30-34.

[2]B.Wang, D.W. Etheridge, M. Ohba. Wind tunnel investigation of natural ventilation through multiple

stacks. Part 1:Mean values[J].Building and Environment , 2011(46):1380-1392.

[3]王颖.过渡季节自然通风节能效果分析[J].建筑节能,2011, 39(10):19-22.

[4] Naghman Khan, Yuehong Su, Saffa B. Riffat. A review on wind driven ventilation techniques[J].Energy

and Buildings, 2008(40):1586-1604.

[5]张光鹏.公路隧道双向换气式纵向通风研究.西南交通大学博十学位论文.2008.

[6] 世界前沿技术发展报告2007[M]. 科学技术出版社，2008.

[7] 美国风电装机容量超越德国跃居全球首位[N]. 重庆日报，2009，3.

[8] 关伟，卢岩. 国内外风力发电概况及发展方向[J]. 吉林电力，2008，10(2)：1-2.

[9] 关媛媛. 国内最大功率风力发电机组在渝研制成功[N]. 2007，11.

第一作者简介：

王子云、男、1972.11、副教授

联系地址：四川省成都市一环路南一段24号四川大学行政楼112室，610065

联系电话：[1**********]；传真：028-85401015；电子邮箱[email protected]。