با گسترش پروژه‌های زیرزمینی نظیر تونل‌های حمل‌ونقل، مترو، راه‌آهن و جاده‌ای، ضرورت تأمین هوای پاک و ایمن در این فضاهای بسته بیش از پیش احساس می‌شود. یکی از مهم‌ترین عوامل برای حفظ ایمنی، آسایش و عملکرد صحیح این سازه‌ها، وجود یک سیستم تهویه مؤثر و پایدار است. تهویه مناسب در تونل‌ها نقش حیاتی در کنترل دما، حذف آلاینده‌ها، رطوبت، دود ناشی از تردد وسایل نقلیه یا آتش‌سوزی‌ها و تأمین اکسیژن ایفا می‌کند.

در نبود تهویه مناسب، غلظت گازهای سمی مانند منوکسید کربن (CO) و دی‌اکسید نیتروژن (NO₂) ممکن است به سطوح خطرناکی برسد که سلامتی کاربران و نیروهای عملیاتی را به خطر بیندازد. همچنین در شرایط اضطراری، مانند آتش‌سوزی، عملکرد سیستم تهویه به عنوان یکی از ابزارهای کلیدی در مدیریت دود و تسهیل عملیات نجات محسوب می‌شود.

از این رو، طراحی، نصب و نگهداری صحیح سیستم‌های تهویه در تونل‌ها، یکی از مهم‌ترین جنبه‌های ایمنی و بهره‌برداری از این سازه‌های زیرزمینی به شمار می‌آید.

اهداف اصلی سیستم تهویه تونل

سیستم تهویه در تونل‌ها با اهداف مشخصی طراحی و پیاده‌سازی می‌شود که در راستای تأمین ایمنی، سلامت کاربران و عملکرد صحیح تونل است. مهم‌ترین اهداف این سیستم‌ها عبارت‌اند از:

اطمینان از عملکرد ایمن و پایدار تونل
تهویه مستمر باعث حفظ شرایط مناسب برای عملکرد تجهیزات، کاهش خطر انفجار گازها و ایمنی در حین تعمیرات یا بهره‌برداری می‌شود.

تأمین هوای تازه برای تنفس انسان‌ها
در تونل‌های مورد استفاده برای تردد انسان‌ها (نظیر متروها یا تونل‌های عابرپیاده)، باید به طور مداوم هوای تازه وارد شده و هوای آلوده خارج شود تا غلظت اکسیژن در حد استاندارد باقی بماند.

کنترل و حذف آلاینده‌ها
وسایل نقلیه موتوری، تجهیزات ساختمانی و فعالیت‌های عمرانی می‌توانند گازهای خطرناکی مانند منوکسید کربن، اکسیدهای نیتروژن و ذرات معلق تولید کنند. تهویه، وظیفه رقیق‌سازی و تخلیه این آلاینده‌ها را دارد.

کنترل دما و رطوبت
به ویژه در تونل‌های طولانی یا عمیق، گرمای ناشی از تجهیزات، اصطکاک قطارها و موتور خودروها باید توسط سیستم تهویه کنترل شود تا دمای محیط از حد مجاز فراتر نرود.

مدیریت دود در شرایط اضطراری
یکی از مهم‌ترین وظایف تهویه در مواقع حادثه مانند آتش‌سوزی، خارج کردن دود و گازهای سمی و فراهم‌سازی مسیر ایمن برای فرار افراد و دسترسی نیروهای امدادی است.

افزایش طول عمر تجهیزات
با کاهش رطوبت و دفع گرد و غبار، سیستم تهویه به جلوگیری از خوردگی و آسیب به تجهیزات الکتریکی و سازه‌ای کمک می‌کند.

انواع سیستم‌های تهویه تونل

انتخاب نوع سیستم تهویه در تونل‌ها به عوامل متعددی از جمله طول تونل، نوع استفاده (جاده‌ای، ریلی، مترو)، میزان ترافیک، شرایط اقلیمی و الزامات ایمنی بستگی دارد. به طور کلی، سیستم‌های تهویه تونل به چند دسته اصلی تقسیم می‌شوند:

1. تهویه طبیعی (Natural Ventilation)

در تونل‌های کوتاه و با ترافیک کم، ممکن است تهویه از طریق جریان‌های طبیعی هوا صورت گیرد. در این روش، اختلاف فشار و دما بین دهانه‌های ورودی و خروجی، باعث گردش هوا می‌شود. این روش ساده و کم‌هزینه است، اما در بسیاری از شرایط مدرن کافی نیست.

2. تهویه مکانیکی (Mechanical Ventilation)

برای تونل‌های بلند، عمیق یا پررفت‌وآمد، از سیستم‌های مکانیکی استفاده می‌شود که با استفاده از فن‌ها، هوای آلوده را تخلیه و هوای تازه را وارد می‌کنند.

سیستم‌های مکانیکی خود به سه گروه عمده تقسیم می‌شوند:

الف) تهویه طولی (Longitudinal Ventilation)

در این سیستم، هوا به موازات محور تونل حرکت می‌کند و معمولاً توسط جت‌فن‌ها (Jet Fans) در سقف تونل جابجا می‌شود. این روش در تونل‌های جاده‌ای رایج است و به دلیل سادگی و نصب سریع، پرکاربرد است.

ب) تهویه عرضی (Transverse Ventilation)

در تهویه عرضی، هوای تازه از یک کانال خاص به داخل تونل تزریق و هوای آلوده از کانال دیگری خارج می‌شود. این سیستم بیشتر در تونل‌های طولانی یا تونل‌های با نیازهای ایمنی بالا استفاده می‌شود.

ج) تهویه نیمه‌عرضی (Semi-Transverse Ventilation)

ترکیبی از تهویه طولی و عرضی است. در این روش معمولاً فقط هوا یا تزریق یا تخلیه به صورت عرضی انجام می‌شود، نه هر دو. این سیستم در مواردی استفاده می‌شود که تعادل بین هزینه و کارایی مدنظر باشد.

اجزای اصلی سیستم تهویه تونل

برای عملکرد صحیح سیستم تهویه در تونل‌ها، مجموعه‌ای از اجزا و تجهیزات به‌کار گرفته می‌شوند که هرکدام نقش مشخصی در تأمین جریان هوای مطلوب ایفا می‌کنند. مهم‌ترین اجزای این سیستم‌ها عبارت‌اند از:

1. فن‌ها (Fans)

اصلی‌ترین بخش سیستم تهویه، فن‌ها هستند که وظیفه جابجایی هوا را بر عهده دارند. بسته به نوع سیستم، از انواع مختلفی مانند:

• جت‌فن (Jet Fan): رایج در سیستم‌های طولی، نصب در سقف تونل
• فن محوری (Axial Fan): برای انتقال حجم زیاد هوا با سرعت بالا
• فن سانتریفیوژ (Centrifugal Fan): برای ایجاد فشار بالا در سیستم‌های پیچیده
  استفاده می‌شود.

2. کانال‌های هوا (Ducts)

در سیستم‌های عرضی یا نیمه‌عرضی، کانال‌هایی برای ورود یا خروج هوا تعبیه می‌شوند. این کانال‌ها ممکن است در بالا، کنار یا زیر تونل قرار گیرند و نقش حیاتی در توزیع یکنواخت هوا دارند.

3. سیستم‌های کنترل و مانیتورینگ

برای پایش دائمی شرایط هوا (مانند دما، رطوبت، غلظت آلاینده‌ها) و تنظیم عملکرد فن‌ها، از سیستم‌های کنترلی هوشمند استفاده می‌شود. این سیستم‌ها معمولاً شامل سنسورها، کنترلرهای منطقی (PLC) و نرم‌افزارهای مانیتورینگ هستند.

4. دریچه‌ها و دمپرها (Dampers & Louvers)

برای هدایت یا مسدود کردن مسیر جریان هوا در مواقع خاص (مثل حادثه یا تعمیرات)، از دمپرهای موتوردار یا دستی استفاده می‌شود.

5. منبع تغذیه اضطراری (UPS یا ژنراتور)

در شرایطی که برق قطع شود، سیستم تهویه باید بتواند به کار خود ادامه دهد. به همین دلیل منابع برق پشتیبان نقش کلیدی دارند، به‌ویژه در شرایط اضطراری.

6. سیستم اطفای حریق و ایمنی

در تونل‌هایی که احتمال آتش‌سوزی وجود دارد، اجزایی برای تخلیه سریع دود و کنترل حرارت، در کنار سیستم‌های اعلام و اطفای حریق نصب می‌شوند.

روش‌های طراحی سیستم تهویه تونل

طراحی سیستم تهویه تونل‌ها نیازمند در نظر گرفتن عوامل مختلفی است که هر یک بر انتخاب نوع سیستم تهویه، تجهیزات مورد استفاده و نحوه عملکرد آن تأثیر می‌گذارند. این فرآیند معمولاً شامل مراحل زیر است:

1. تحلیل شرایط محیطی و کاربری تونل

قبل از طراحی، باید ویژگی‌های خاص تونل مانند طول، عمق، عرض، نوع استفاده (مترو، جاده‌ای، ریلی) و ترافیک پیش‌بینی‌شده مشخص شوند. این عوامل به‌طور مستقیم بر ظرفیت و نوع سیستم تهویه تأثیر می‌گذارند. به عنوان مثال، در تونل‌های جاده‌ای با ترافیک بالا، نیاز به تهویه مکانیکی قدرتمندتر است.

2. محاسبات جریان هوا و انتخاب ظرفیت فن‌ها

در این مرحله، محاسبات دقیق برای تعیین میزان هوای مورد نیاز برای تهویه تونل انجام می‌شود. این محاسبات بر اساس سرعت جریان هوا، فاصله و ابعاد تونل، و میزان آلاینده‌های تولید شده انجام می‌گیرد. بسته به نیاز، ظرفیت فن‌ها محاسبه و انتخاب می‌شود.

3. انتخاب نوع سیستم تهویه

با توجه به محاسبات و شرایط محیطی، نوع سیستم تهویه (طولی، عرضی، نیمه‌عرضی) انتخاب می‌شود. به طور معمول:

• در تونل‌های کوتاه و با ترافیک کم، سیستم‌های تهویه طبیعی یا طولی کفایت می‌کنند.
• در تونل‌های بلند یا با ترافیک سنگین، سیستم‌های عرضی یا نیمه‌عرضی به‌کار می‌روند.

4. موقعیت و جانمایی فن‌ها و کانال‌ها

در این مرحله، موقعیت نصب فن‌ها، کانال‌ها، دریچه‌ها و دمپرها بر اساس طراحی تونل مشخص می‌شود. این کار به‌طور مستقیم بر کارایی سیستم تهویه تأثیر می‌گذارد. برای مثال، در سیستم‌های طولی، فن‌ها باید در فواصل مناسب در طول تونل نصب شوند تا جریان هوای یکنواخت ایجاد شود.

5. بررسی ایمنی و امکانات اضطراری

یکی از مهم‌ترین مراحل طراحی، بررسی ایمنی سیستم تهویه در شرایط اضطراری است. این مرحله شامل تأمین سیستم‌های هوای اضطراری، تجهیزات اطفای حریق، و تهویه در مواقع بروز حریق می‌شود. همچنین، از نظر ایمنی، باید بررسی شود که در مواقع حادثه، مانند آتش‌سوزی، سیستم تهویه قادر به هدایت دود و گازهای سمی به خارج از تونل باشد.

6. پیش‌بینی هزینه‌ها و نگهداری

طراحی باید از نظر هزینه‌های ساخت، نصب، و نگهداری سیستم تهویه مقرون به صرفه باشد. همچنین، قابلیت دسترسی به تجهیزات برای تعمیرات و نگهداری در طول عمر تونل باید در نظر گرفته شود. انتخاب فن‌ها و تجهیزات با طول عمر بالا و نگهداری آسان می‌تواند هزینه‌های کلی را کاهش دهد.

7. ارزیابی شرایط محیطی و تأثیرات زیست‌محیطی

در نهایت، باید تأثیرات زیست‌محیطی سیستم تهویه مانند مصرف انرژی، تولید صدا، و اثرات آن بر محیط طبیعی بررسی شود. این ارزیابی‌ها می‌تواند به انتخاب سیستم‌های کارآمدتر و سازگارتر با محیط زیست کمک کند.

محاسبات مربوط به تهویه تونل‌ها

محاسبات تهویه تونل‌ها به منظور تعیین ظرفیت سیستم‌های تهویه، انتخاب فن‌ها، و اطمینان از عملکرد بهینه سیستم انجام می‌شود. این محاسبات معمولاً بر اساس استانداردها و روش‌های خاص مهندسی صورت می‌گیرد و به پارامترهای مختلفی بستگی دارد که در ادامه به مهم‌ترین آن‌ها اشاره می‌شود:

1. محاسبه سرعت و حجم جریان هوا

اولین گام در طراحی سیستم تهویه، محاسبه سرعت جریان هوا و حجم هوای مورد نیاز برای تهویه تونل است. این پارامترها به عواملی مانند طول تونل، عرض و ارتفاع آن، میزان ترافیک و آلاینده‌های تولیدی بستگی دارند. یکی از فرمول‌های رایج برای محاسبه حجم هوای مورد نیاز (Q) به‌صورت زیر است: Q=A×VQ = A \times VQ=A×V

که در آن:

• QQQ حجم هوای مورد نیاز (متر مکعب در ثانیه)
• AAA مساحت مقطع عرضی تونل (متر مربع)
• VVV سرعت متوسط جریان هوا (متر بر ثانیه)

2. محاسبه افت فشار

افت فشار یکی از پارامترهای کلیدی در طراحی سیستم تهویه است. این افت فشار در اثر مقاومت‌های ناشی از اصطکاک هوا با سطح تونل، فن‌ها، کانال‌ها و دیگر اجزای سیستم ایجاد می‌شود. برای محاسبه افت فشار در یک تونل می‌توان از فرمول‌های تجربی استفاده کرد، که معمولاً به‌صورت زیر محاسبه می‌شود: ΔP=f×(LD)×ρ×V2\Delta P = f \times \left( \frac{L}{D} \right) \times \rho \times V^2ΔP=f×(DL​)×ρ×V2

که در آن:

• ΔP\Delta PΔP افت فشار (پاسکال)
• fff ضریب اصطکاک
• LLL طول تونل یا کانال (متر)
• DDD قطر کانال یا تونل (متر)
• ρ\rhoρ چگالی هوا (کیلوگرم بر متر مکعب)
• VVV سرعت هوا (متر بر ثانیه)

3. محاسبه تعداد و ظرفیت فن‌ها

پس از تعیین حجم هوای مورد نیاز و افت فشار، باید تعداد فن‌ها و ظرفیت آن‌ها مشخص شود. ظرفیت فن‌ها معمولاً بر اساس معیارهای زیر محاسبه می‌شود:

• حجم هوای مورد نیاز: فن‌ها باید توانایی جابجایی هوای کافی برای برآورده کردن حجم تهویه مورد نیاز را داشته باشند.
• افت فشار سیستم: ظرفیت فن‌ها باید به اندازه‌ای باشد که قادر به غلبه بر افت فشار ناشی از مقاومت‌های موجود در سیستم (فن‌ها، کانال‌ها، دمپرها و…) باشد.
• نوع و قدرت فن‌ها: انتخاب فن‌ها با توجه به مشخصات فنی آن‌ها (مثلاً توان، جریان، فشار) انجام می‌شود.

4. محاسبه گازهای آلاینده و تهویه اضطراری

برای محاسبه مقدار گازهای سمی مانند منوکسید کربن (CO) یا دی‌اکسید نیتروژن (NO₂) در تونل‌های جاده‌ای یا ریلی، باید بر اساس تعداد وسایل نقلیه، نوع سوخت و شرایط ترافیکی محاسبات انجام شود. همچنین، در طراحی سیستم‌های تهویه اضطراری، مقدار دود تولیدی در شرایط حریق و زمان لازم برای تخلیه آن نیز باید محاسبه گردد.

5. محاسبه تأثیرات زیست‌محیطی و مصرف انرژی

در طراحی سیستم تهویه، باید تأثیرات زیست‌محیطی و مصرف انرژی سیستم‌ها نیز محاسبه شود. این محاسبات می‌تواند شامل بررسی مصرف برق فن‌ها، اثرات آلودگی صوتی و مصرف سوخت‌های فسیلی در صورت استفاده از ژنراتورهای اضطراری باشد. در این مرحله از نرم‌افزارهای شبیه‌سازی و مدل‌سازی نیز استفاده می‌شود.

6. استفاده از نرم‌افزارهای شبیه‌سازی تهویه

برای انجام محاسبات پیچیده‌تر و شبیه‌سازی شرایط مختلف، مهندسان معمولاً از نرم‌افزارهایی مانند ANSYS Fluent، Computational Fluid Dynamics (CFD)، یا Tunnel Ventilation Software استفاده می‌کنند. این نرم‌افزارها قادر به مدل‌سازی جریان هوا، افت فشار، توزیع آلاینده‌ها و شبیه‌سازی رفتار سیستم در شرایط مختلف هستند.

نقش تهویه در مواقع اضطراری (حریق، گازهای سمی و…)

در شرایط اضطراری مانند آتش‌سوزی، انتشار گازهای سمی، یا وقوع حوادث دیگر، سیستم تهویه تونل‌ها نقش حیاتی در ایمنی و نجات افراد دارد. این سیستم‌ها نه تنها به کاهش خطرات مرتبط با آلاینده‌ها و دود کمک می‌کنند، بلکه باعث حفظ سلامت و امنیت کاربران تونل و تسهیل عملیات امدادی می‌شوند. در ادامه به چند جنبه کلیدی از نقش تهویه در این شرایط اضطراری پرداخته می‌شود:

1. حذف دود و گازهای سمی ناشی از آتش‌سوزی

در مواقع آتش‌سوزی، دود و گازهای سمی مانند منوکسید کربن (CO)، دی‌اکسید نیتروژن (NO₂) و سایر ترکیبات سمی ممکن است در تونل پخش شوند. این گازها برای انسان‌ها بسیار خطرناک بوده و می‌توانند باعث اختلال در تنفس و حتی مرگ شوند. سیستم تهویه اضطراری باید قادر باشد دود را از محل حادثه به خارج از تونل منتقل کرده و هوای پاک را برای تنفس فراهم کند.

برای این منظور، فن‌ها باید قادر به جابجایی حجم زیادی از هوا با فشار کافی باشند تا دود از مناطق آسیب‌دیده خارج و مسیرهای فرار ایمن باز بماند. همچنین، سیستم تهویه باید بتواند هوای تازه را از بیرون وارد کند تا سطح اکسیژن در تونل حفظ شود.

2. کمک به عملیات امدادی و نجات

سیستم تهویه در شرایط اضطراری به نیروهای امدادی کمک می‌کند تا به راحتی در تونل‌ها حرکت کنند و دسترسی به محل حادثه تسهیل شود. با حذف دود و بهبود کیفیت هوا، دید در تونل بهتر شده و زمان لازم برای رسیدن امدادگران کاهش می‌یابد. همچنین، حفظ شرایط هوایی مطلوب برای انجام عملیات اطفای حریق نیز اهمیت زیادی دارد.

3. کنترل فشار و جلوگیری از گسترش آتش

در برخی مواقع، سیستم تهویه می‌تواند به کنترل فشار هوا در تونل کمک کند. با ایجاد جریان هوای معکوس، می‌توان از گسترش آتش به سایر بخش‌های تونل جلوگیری کرد. این روش به‌ویژه در تونل‌های طولانی و پیچیده اهمیت دارد.

4. سیستم تهویه خودکار در مواقع اضطراری

در بسیاری از تونل‌ها، سیستم تهویه به‌طور خودکار در زمان وقوع حریق یا سایر حوادث اضطراری فعال می‌شود. این سیستم‌ها معمولاً مجهز به حسگرهای دود و حرارت هستند که به محض شناسایی شرایط خطرناک، فن‌ها و دمپرها را فعال کرده و جریان هوا را به سمت بیرون از تونل هدایت می‌کنند. همچنین، این سیستم‌ها می‌توانند به‌طور اتوماتیک تهویه اضافی در مسیرهای فرار یا نقاط بحرانی ایجاد کنند.

5. حفاظت از گازهای سمی و مواد شیمیایی

در برخی از تونل‌ها، گازهای سمی یا مواد شیمیایی به‌طور طبیعی وجود دارند یا ممکن است در اثر حادثه منتشر شوند. سیستم تهویه باید قادر باشد این گازها را از فضای داخلی تونل حذف کرده و از بروز مسمومیت‌های جدی جلوگیری کند. در این شرایط، تهویه باید علاوه بر جابجایی هوا، فیلتر کردن گازهای سمی مانند سولفید هیدروژن (H₂S) یا آمونیاک (NH₃) را نیز انجام دهد.

6. مراقبت از کارکنان و مسافران در شرایط اضطراری

در تونل‌هایی که برای تردد مسافران طراحی شده‌اند (مانند تونل‌های مترو)، سیستم تهویه می‌تواند به محافظت از مسافران در برابر گازهای سمی یا دود ناشی از آتش‌سوزی کمک کند. در این شرایط، ایجاد محیطی سالم و قابل تنفس برای افرادی که در تونل گرفتار شده‌اند، از اهمیت زیادی برخوردار است.

7. نظارت و کنترل شرایط اضطراری

سیستم‌های تهویه اضطراری معمولاً به سیستم‌های نظارت و کنترل مجهز هستند که به‌طور پیوسته کیفیت هوا و وضعیت سیستم تهویه را در زمان واقعی کنترل می‌کنند. در مواقع اضطراری، این سیستم‌ها می‌توانند به‌طور خودکار تنظیمات را تغییر داده یا هشدارهای لازم را به کارکنان و مسئولان ایمنی ارسال کنند.

برای خواندن بقیه مطالب به وبلاگ لوتوس فن مراجعه فرمایید.