Tunnel Systembeschreibung

NOVENCO Building & Industry liefert seit Anfang der 1970er Jahre Jet Ventilatoren für die Längslüftung von Straßen- und Eisenbahntunneln. Heute ist NOVENCO einer der weltweit führenden Hersteller von Tunnelbelüftungs- und Entrauchunssystemen.

 

Gründe für die Tunnelbelüftung

  • In normalen Situationen sollten die verkehrsbedingten Emissionskonzentrationen sowohl innerhalb als auch in unmittelbarer Nähe des Tunnels (abhängig von der Lage des Tunnels) reduziert werden.

  • Im Brandfall muss die Bewegung des Rauchs kontrolliert werden.
    In besonderen Fällen kann eine Belüftung erforderlich sein, um die Temperatur im Inneren des Tunnels zu kontrollieren.

Luftqualität - Begrenzung der Emissionskonzentrationen

Im normalen Tunnelbetrieb werden die Abgase im Tunnel durch den Verkehr freigesetzt. Neben den Abgasen führt auch der Verschleiß der Reifen und der Fahrbahnoberfläche zur Bildung von Staubpartikeln. Innerhalb des Tunnels führt dies zu bestimmten Konzentrationen von Gasen und Partikeln, die für die Gesundheits- und Sicherheitssituation im Tunnel gefährlich sein können. Höhere Partikelkonzentrationen führen auch zu einer geringeren Sicht.
Für kürzere, einseitig befahrene Verkehrstunnel kann die natürliche Belüftung in Kombination mit dem Verkehrswiderstandseffekt ausreichend sein. Bei längeren Tunneln kann eine mechanische Belüftung erforderlich werden.

Durch den Einsatz von Belüftung kann die Konzentration von gefährlichen Gasen und Partikeln kontrolliert werden, um die Anforderungen an sichere Tunnel zu erfüllen. Die Hintergrundkonzentration von Gasen und Partikeln sollte bei der Berechnung der erforderlichen Belüftung ebenfalls berücksichtigt werden.

 

Faktoren, die für die Belüftung eine Rolle spielen

  • Höhe des Tunnels - Verkehrsemissionen in Abhängigkeit von der Höhe

  • Tunnelraum und Variationen

  • Steigungen des Tunnels - die Verkehrsemissionen können bis zu einem Faktor 10 höher sein *

  • Verkehrs-Emissionsnorm - abhängig vom Alter der Fahrzeuge

  • Motortyp (Benzin, Diesel, Elektro, LPG)

  • Verkehrsgeschwindigkeit im Tunnel

  • Alterungsfaktor von Motoren und Katalysatoren

  • Verkehrszusammensetzung (%LKW, %Busse, %Lieferwagen, %PKW)

  • Gewicht der Lastwagen (variiert zwischen 3,5 und 30 Tonnen)

  • Emissionsgrenzwerte für CO, NOx und Sichtbarkeit (basierend auf PM10-Partikel-Emissionen)

  • Verkehrsgeschwindigkeit und Emissionsbegrenzungen für Baustellen

* Basierend auf 60 km/h, Grad des Anstiegs von +6° gegenüber einem Grad des Abstiegs von -6°.

Sicherheit - Rauch- und Hitzeschutz im Brandfall

Im Falle eines Brandes sind Personen, die sich in einem Tunnel aufhalten oder eingeschlossen sind, gefährdet. Bedrohungen entwickeln sich rasch in Form von heißen Gasen, Wärmestrahlung, verminderter Sicht und toxischen Gasen. Die meisten Brandopfer sterben oder leiden unter längerer Exposition gegenüber heißen und giftigen Gasen sowie unter Sichtverlust, wodurch die Fluchtwege verdeckt werden. In den ersten Phasen eines Brandes sind die Verkehrsteilnehmer bedroht, in späteren Phasen vor allem die Rettungsdienste.

 

Wichtige Faktoren im Brandfall

  • Verhindern, dass Verkehrsteilnehmer in Rauch eingeschlossen werden

  • Für rauchfreie Fluchtwege sorgen

  • Sicherstellen, dass die Rettungsdienste sicher zum Brand gelangen können
     - Opfer retten
     - Feuer kontrollieren

  • Lange Exposition der Tunnelstruktur gegenüber hohen Temperaturen verhindern

  • Verhinderung der Ausbreitung von Rauch in andere Bereiche

Längslüftung mit Jet Ventilatoren

Bei der Längslüftung tritt die Frischluft durch das Eingangs-portal des Tunnels ein und wird am Ausgangsportal des Tunnels abgeführt. Der Luftstrom durch den Tunnel kann mit Schubventilatoren erzeugt und geregelt werden. Die Schubkraft der Schubventilatoren wird in Form von Impulsen auf die Luft ausgeübt, wodurch die Luft nach vorne kommt.


NOVENCO longitudinal tunnel ventilation with jet fans
Prinzip der Längsbelüftung

Bei der Längslüftung steigt die Schadstoffkonzentration in Lüftungsrichtung an, da keine Frischluft in den Tunnel ein- oder ausgeleitet wird. Der Verschmutzungsgrad kann mit speziellen Gasdetektions- und Bildverarbeitungsmesssystemen ermittelt werden. Auf der Grundlage der Informationen aus diesen Detektionssystemen kann die erforderliche Belüftung durch Ein- oder Ausschalten der Schubventilatoren effektiv gesteuert werden.

Die maximale Länge des Tunnels, der durch Längslüftung belüftet werden kann, ist durch die maximal zulässige Kontamination und Sicht in der Tunnelröhre begrenzt. Je nach Anzahl und Art der Fahrzeuge beträgt die maximale Länge des Tunnels, der durch Längslüftung belüftet werden kann, 3 - 6 km.

Im Brandfall kann die Richtung von Rauch und Gasen auch bei sehr großen Bränden wirksam kontrolliert werden. Der Tunnelabschnitt vor dem Brand kann völlig rauchfrei gehalten werden, wodurch die Menschen in diesem Tunnelabschnitt vor Rauch und toxischen Gasen geschützt werden. Upstream haben auch die Feuerwehr und andere Rettungsdienste guten Zugang.

NOVENCO longitudinal smoke control system for tunnels
Prinzip der Rauchkontrolle

Stromabwärts ist der Tunnel vollständig mit Rauch gefüllt. Für den Einbahnverkehr stellt dies kein Problem dar, da die Fahrzeuge den Tunnel flussabwärts als Teil des normalen Verkehrsflusses verlassen.

Die Tunnelschubventilatoren stromabwärts des Brandes sind höheren (Rauch-)Temperaturen ausgesetzt. Daher sollten diese Schubventilatoren in der Lage sein, für kurze Zeit bei hohen Temperaturen zu arbeiten. Die NOVENCO-Tunnelschubventilatoren wurden von einem unabhängigen Prüf- und Zertifizierungsinstitut in Deutschland für Temperaturen bis 400°C für 2 Stunden getestet und zertifiziert.

Um ein Versagen der Schubventilatoren im Brandfall zu verhindern, werden die Schubventilatoren oft in der Nähe des Tunneleingangs aufgestellt. Diese Art von Schubventilatoren wird oft als offene Injektoren bezeichnet. Durch die Anordnung der Schubventilatoren in einem kleinen Winkel zum Tunnelschacht kann die Effizienz der Anlage gesteigert werden.

Open injector tunnel jet fans in the tunnel entrance for ventilation and smoke control
Längslüftung mit Strahlventilatoren, Position der Einspritzventilatoren

Statische und dynamische Faktoren, die den Schub beeinflussen

  • Verluste von Luft, die in den Tunnel eintritt und ihn verlässt
  • Verluste der durch den Tunnel strömenden Luft (Reibungsverluste, andere Installationen)
  • Verkehrszusammensetzung (%LKWs, %Busse, %PKWs) im Tunnel
  • Verkehrsgeschwindigkeit im Tunnel *
  • Verkehrsfrontflächen und Widerstandsbeiwerte
  • Höhe des Tunnels - in größerer Höhe ist die Luftdichtheit geringer, was sich sowohl auf die Verluste als auch auf den Schub der Tunnelschubventilatoren auswirkt.
  • Lufttemperatur und relative Feuchtigkeit (und damit Dichte)
  • Installationsfaktor der Tunnelschubventilatoren - siehe unten für weitere Informationen
  • Verteilung der Schubradialventilatoren
  • Windgeschwindigkeit und -richtung auf den Tunnelportalen
  • Im Brandfall
    - Größe des Feuers
    - Position des Feuers
    - Druckabfall über dem Feuer
    - Kamineffekt aufgrund von Temperaturunterschieden
    - Temperatur und Luftdichtheit stromaufwärts und stromabwärts
    - Schubventilatoren, die stromaufwärts und stromabwärts arbeiten (unterschiedliche Auswirkungen aufgrund unterschiedlicher Temperaturen)
    - Schubventilatoren fallen aufgrund hoher Temperaturen aus

* Bei Einbahnverkehr bewirkt die Kolbenwirkung des fließenden Verkehrs einen positiven Widerstandseffekt. Wenn die Kolbenwirkung des Verkehrs groß genug ist, können die Schubventilatoren abgeschaltet werden.

Der effektive Schub eines schräg gestellten Strahlventilators ist viel geringer als ein in der Mitte des Tunnels mit ausreichendem Abstand zur Decke und zu den Wänden platzierter Jet Ventilator. Dieser so genannte Einbaufaktor der Schubventilatoren kann durch den Einsatz von Luftleitblechen an den Ausgängen der Schubventilatoren erheblich verbessert werden. Es hat sich gezeigt, dass die Art und Ausführung der Luftleitbleche einen großen Einfluss auf die Leistung und Installationseffizienz der Schubventilatoren haben. NOVENCO verwendet speziell konstruierte aerodynamische, flügelförmige Luftleitbleche mit sehr hoher Effizienz und geringer Lärmentwicklung.

Berechnung von Tunnellängslüftungssystemen

Für die Berechnung von Tunnelbelüftungssystemen verwendet NOVENCO sowohl deterministische als auch probabilistische Berechnungsmodelle. Zur Kontrolle der Konstruktion verfügt NOVENCO über eine spezialisierte Abteilung für CFD-Berechnungen (Computational Fluid Dynamics) und Simulationen. Unsere Tunnelspezialisten haben Erfahrung mit IDA Tunnel, einer umfassenden Software für die Belüftung und Brandsimulation von Straßen- und Eisenbahntunneln, die von führenden Tunnelbauunternehmen weltweit eingesetzt wird. Die berechneten Ergebnisse können in einer vollständigen 3D-Darstellung des Tunnels animiert werden.

In deterministischen Berechnungsmodellen werden alle Eingaben auf feste Werte gesetzt, auf deren Basis die Tunnelbelüftungsanlage ausgelegt wird. Durch Änderung von Eingabedaten wie Windverhältnisse, Verkehrszusammensetzung, Tunnelbaudaten, Brandgröße und -ort sowie Auswahl und Position des Tunnelstrahlgebläses im Tunnel wird eine statische Berechnung durchgeführt.

Mit unserer derzeitigen Rechenleistung können wir auch probabilistische Berechnungsmodelle verwenden. Diese Modelle verwenden einen Wahrscheinlichkeitsverteilungsprozess, bei dem die Variablen unter Verwendung einer Wahrscheinlichkeitsverteilung mit einem Minimal- und Maximalwert festgelegt werden. Bei allen möglichen Kombinationen und Variationen dieser Eingangsvariablen werden deterministische Berechnungen auf der Grundlage der Wahrscheinlichkeit der Eingangsvariablen und akzeptabler Ausfallwahrscheinlichkeiten durchgeführt.

Zum Beispiel ist die Wahrscheinlichkeit eines Brandes von 20 MW größer als die Wahrscheinlichkeit eines Brandes von 100 MW. In diesem Zusammenhang ist die akzeptable Ausfallwahrscheinlichkeit bei einem 20-MW-Brand wesentlich geringer als bei einem größeren Brand. Dasselbe gilt für die Windeinwirkung auf das Portal. Wo eine Windgeschwindigkeit von etwa 3 bis 5 m/s (Windstärke 3) ganz normal ist, ist die Wahrscheinlichkeit einer Windgeschwindigkeit von mehr als 10 m/s eher außergewöhnlich. Daher wird auch die Versagenswahrscheinlichkeit angepasst. Auf der Grundlage dieser probabilistischen Berechnungen kann dann eine Risikoanalyse durchgeführt werden, bei der Konzept für des Belüftungssystems nochmals bewertet wird.

Beispiele für variable Eingänge

  • Größe und Position des Feuers

  • Windlast

  • Verteilung des Verkehrs

Dieses probabilistische Berechnungsmodell wird in den "Empfehlungen zur Belüftung von Straßentunneln", herausgegeben von Rijkswaterstaat (Niederländische Straßenbaubehörden), ausführlich beschrieben.

Produkte für Tunnelbelüftungssysteme

NOVENCO Building & Industry in Dänemark ist ein Hersteller mit mehr als 70 Jahren Erfahrung bei der Entwicklung und speziellen Einsätzen von Ventilatoren in unterschiedlichsten Bereichen. NOVENCO liefert seit Anfang der 1970er Jahre Jet Ventilatoren für Straßen-, Eisenbahn- und U-Bahn-Tunnel.

Vor allem in den Niederlanden wurden viele Tunnel unter großen Flüssen in der Versenktunnelmethode gebaut, angefangen mit dem Maastunnel im Zentrum von Rotterdam vor etwa fünfzig Jahren. Bei diesem Verfahren werden die (rechteckigen) Tunnelelemente eingebaut und miteinander verbunden. Um hohe Baukosten zu vermeiden, wurden die Elemente unter Berücksichtigung der Verkehrshöhe und einer absoluten Mindesthöhe für die technischen Anlagen mit einer Mindesthöhe gebaut.

Für all die Fälle, in denen die Einbauhöhe begrenzt ist, bietet NOVENCO Building & Industry ein spezielles Tunnel-Ventilatoren-Programm mit platz- und energiesparenden Jet Ventilatoren an. Durch die Verwendung einer rechteckigen Außenform in Kombination mit einer speziellen Ventilatorkonstruktion benötigen diese Schubventilatoren bis zu 20% weniger Einbauhöhe im Tunnel, wobei die Schubkraft und der Wirkungsgrad erhalten bleiben. Aufgrund der Form der Schalldämpfer kann mehr schallabsorbierendes Material verwendet werden, dies führt zu einem niedrigeren Geräuschpegel im Vergleich zum gleichen Tunnelschubventilator in runder Bauform.

Zusätzlich zu den Tunnelschubventilatoren bietet NOVENCO auch eine breite Palette hocheffizienter Axialventilatoren mit einem Durchmesser von bis zu 2 Metern und einem Luftstrom von bis zu 110 m³/s (400.000 m³/h) an. Unsere Axialventilatoren sind auch als Entrauchungsventilatoren erhältlich, die für Temperaturen von bis zu 400 °C für 2 Stunden getestet und zertifiziert sind.

Bitte kontaktieren Sie uns für weitere Informationen über unsere Produkte und unser Fachwissen für Ihre Straßen-, Eisenbahn- und U-Bahn-Tunnelprojekte.

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