Tunnel ventilatie systeembeschrijving

NOVENCO Building & Industry levert sinds het begin van de jaren zeventig van de vorige eeuw straalventilatoren voor langsventilatie van weg- en spoortunnels. Vandaag de dag behoort het bedrijf tot 's werelds toonaangevende fabrikanten van tunnelventilatie- en rookbeheersingssystemen.

Redenen voor tunnelventilatie

• In normale situaties moeten de verkeersemissieconcentraties worden beperkt, zowel binnen als in de directe omgeving van de tunnel (afhankelijk van de locatie van de tunnel).
• In geval van brand moet de beweging van de rook onder controle worden gehouden.

In speciale gevallen kan ventilatie nodig zijn om de temperatuur in de tunnel te regelen.

Luchtkwaliteit – beperking van de emissieconcentraties

Bij normaal tunnelgebruik komen de uitlaatgassen in de tunnel vrij door het verkeer. Naast de uitlaatgassen veroorzaakt ook de slijtage van de banden en het wegdek de vorming van stofdeeltjes. Binnen de tunnel leidt dit tot bepaalde concentraties van gassen en deeltjes, die gevaarlijk kunnen zijn voor de gezondheids- en veiligheidssituatie in de tunnel. Hogere deeltjesconcentraties leiden ook tot een lager zicht.

Voor kortere, énrichtingsverkeertunnels kan de natuurlijke ventilatie in combinatie met het verkeersweerstandseffect al voldoende zijn. Bij langere tunnels kan mechanische ventilatie noodzakelijk zijn.

Door gebruik te maken van ventilatie kan de concentratie van gevaarlijke gassen en deeltjes worden geregeld om te voldoen aan de eisen voor veilige tunnels. Bij de berekening van de benodigde ventilatie moet ook rekening worden gehouden met de achtergrondconcentratie van gassen en deeltjes.

Factoren die de hoeveelheid ventilatie bepalen

• Hoogte van de tunnel - verkeersemissies afhankelijk van de hoogte
• Tunnelruimte en variaties
• Gradiënten van de tunnel - de uitstoot van het verkeer kan tot een factor 10 hoger zijn *
• Emissienorm voor het verkeer - afhankelijk van de leeftijd van de voertuigen
• Type motor (benzine, diesel, elektrisch, LPG)
• Verkeerssnelheid in de tunnel
• Verouderingsfactor van de motoren en katalysatoren
• Verkeerssamenstelling (%trucks, %bussen, %vans, %auto's)
• Gewicht van de vrachtwagens (variërend tussen 3,5 en 30 ton)
• Emissiegrenswaarden voor CO, NOx en zichtbaarheid (gebaseerd op de emissie van PM10-deeltjes)
• Verkeerssnelheid en emissiegrenzen bij wegwerkzaamheden

* Gebaseerd op 60 km/u, stijgingsgraad van +6° ten opzichte van een dalingsgraad van -6°.

Veiligheid – rook- en warmtebeheersing bij brand

In geval van brand lopen personen die in een tunnel verblijven of vastzitten gevaar. De bedreigingen evolueren snel in de vorm van hete gassen, warmtestraling, verminderd zicht en giftige gassen. De meeste slachtoffers van branden sterven of lijden door langdurige blootstelling aan hete en giftige gassen en door verlies van zichtbaarheid, waardoor de vluchtwegen verborgen blijven. In de eerste fasen van een brand worden de weggebruikers bedreigd, in latere fasen vooral de hulpverleners.

Belangrijke factoren in geval van brand

• Voorkomen dat weggebruikers in rook opgesloten raken
• Zorg voor rookvrije vluchtwegen
• Zorg ervoor dat hulpdiensten veilig bij de brand kunnen komen om:
  • Slachtoffers veilig te redden
  • De brand onder controle te krijgen
• Voorkom langdurige blootstelling van de tunnelstructuur aan hoge temperaturen
• Voorkom verspreiding van rook naar andere ruimtes

Langsventilatie met stuwkrachtventilatoren

Bij langsventilatie komt er frisse lucht binnen via het ingangsportaal van de tunnel en wordt deze afgevoerd bij het uitgangsportaal van de tunnel. De luchtstroom door de tunnel kan worden opgewekt en geregeld met stuwkrachtventilatoren. De stuwkracht van de stuwkrachtventilatoren wordt als impulsen op de lucht uitgeoefend, waardoor de lucht naar voren komt.

Principe van longitudinale ventilatie

Bij longitudinale ventilatie neemt de verontreinigingsconcentratie toe in de richting van de ventilatie, omdat er geen verse lucht in de tunnel wordt toegevoerd of afgezogen. De verontreinigingsgraad kan worden gedetecteerd met speciale gasdetectie- en zichtmeetsystemen. Op basis van de informatie van deze detectiesystemen kan de noodzakelijke ventilatie effectief worden geregeld door de stuwkrachtventilatoren aan of uit te schakelen.

De maximale lengte van de tunnel die door langsventilatie kan worden geventileerd, wordt beperkt door de maximaal toegestane vervuiling en het zicht in de tunnelbuis. Afhankelijk van de hoeveelheid en het type voertuigen is de maximale lengte van de tunnel die met langsventilatie kan worden geventileerd 3 - 6 km.

In geval van brand kan de richting van de rook en gassen effectief worden geregeld, zelfs bij zeer grote branden. Het tunnelgedeelte stroomopwaarts van de brand kan volledig rookvrij worden gehouden, waardoor personen in dat gedeelte van de tunnel worden beschermd tegen rook en giftige gassen. Stroomopwaarts hebben de brandweer en andere hulpdiensten ook een goede toegang.

Principe van rookbeheersing

Stroomafwaarts is de tunnel volledig gevuld met rook. Bij eenrichtingsverkeer is dit geen probleem, aangezien de voertuigen stroomafwaarts de tunnel verlaten als onderdeel van de normale verkeersstroom.

De tunnel stuwkrachtventilatoren stroomafwaarts van de brand worden blootgesteld aan hogere (rook)temperaturen. Daarom moeten deze stuwkrachtventilatoren bij hoge temperaturen gedurende een korte periode kunnen functioneren. NOVENCO-tunnel stuwkrachtventilatoren zijn getest en gecertificeerd bij een onafhankelijk test- en certificeringsinstituut in Duitsland voor temperaturen tot 400°C gedurende 2 uur.

Om te voorkomen dat stuwkrachtventilatoren bij brand uitvallen, worden de stuwkrachtventilatoren vaak dicht bij de tunnelingang geplaatst. Dit type stuwkrachtventilatoren worden vaak aangeduid als open injectoren. Door de stuwkrachtventilatoren in een kleine hoek met de tunnelas te plaatsen, kan het rendement van de installatie worden verbeterd.

Langsventilatie met stuwkrachtventilatoren, positie van de injectieventilatoren

Statische en dynamische factoren die de stuwkracht beïnvloeden

• In- en uitstroomverliezen van de lucht die de tunnel binnenkomt en verlaat
• Verliezen van de lucht die door de tunnel beweegt (wrijvingsverliezen, andere installaties)
• Verkeerssamenstelling (%vrachtwagens, %bussen, %auto’s) in de tunnel
• Verkeerssnelheid in de tunnel *
• Verkeersfrontale gebieden en weerstandscoëfficiënten
• Hoogte van de tunnel - op grotere hoogte is de luchtdichtheid lager, wat een impact heeft op zowel de verliezen als de stuwkracht van de tunnel stuwkrachtventilatoren
• Luchttemperatuur en relatieve vochtigheid (en dus dichtheid)
• Installatiefactor van de tunnel stuwkrachtventilatoren - zie hieronder voor meer informatie
• Verdeling van de stuwkrchtventilatoren
• Windsnelheid en -richting op de tunnelportalen
• In geval van brand
  • Brandgrootte
  • Positie van de brand
  • Drukval over de brandhaard
  • Schoorsteeneffect door temperatuurverschillen
  • Temperatuur en luchtdichtheid stroomopwaarts en stroomafwaarts
  • Stuwkrachtventilatoren die stroomopwaarts en stroomafwaarts werken (verschillende stuwkrachten door verschillende temperaturen)
  • Stuwkrachtventilatoren die falen door hoge temperaturen</li

* In geval van eenrichtingsverkeer veroorzaakt het zuigereffect van het rijdend verkeer een positief weerstandseffect. Als het zuiger effect van het verkeer groot genoeg is, kunnen de stuwkrachtventilatoren worden uitgeschakeld.

De effectieve stuwkracht van een in een hoek geplaatste straalventilator is veel lager dan een in het midden van de tunnel geplaatste stuwkrachtventilator met voldoende afstand tot het plafond en de wanden. Deze zogenaamde installatiefactor van de stuwkrachtventilatoren kan sterk worden verbeterd door het gebruik van luchtdeflectoren op de uitgangen van de stuwkrachtventilatoren. Het type en het ontwerp van de luchtdeflectoren is van grote invloed gebleken op de prestaties en de installatie-efficiëntie van de stuwkrachtventilatoren. NOVENCO maakt gebruik van speciaal ontworpen aërodynamische vleugelvormige luchtdeflectoren met een zeer hoge efficiëntie en een lage geluidsproductie.

Berekening van longitudinale tunnelventilatiesystemen

Voor de berekening van tunnelventilatiesystemen maakt NOVENCO gebruik van zowel deterministische als probabilistische rekenmodellen. Ter controle van het ontwerp heeft NOVENCO een gespecialiseerde afdeling voor CFD (Computational Fluid Dynamics) berekeningen en simulaties. Onze tunnelspecialisten hebben ook ervaring met IDA Tunnel, een uitgebreide software voor weg- en spoortunnelventilatie en brandsimulatie, die wereldwijd door toonaangevende tunnelbouwbedrijven wordt gebruikt. De berekende resultaten kunnen worden geanimeerd in volledige 3D-weergave van de tunnel.

In deterministische rekenmodellen wordt alle invoer ingesteld op vaste waarden op basis waarvan het tunnelventilatiesysteem wordt ontworpen. Door het wijzigen van invoergegevens zoals windcondities, verkeerssamenstelling, tunnelbouwgegevens, brandgrootte en -locatie en tunnelstraalventilator selecties en positie in de tunnel, wordt een statische berekening gemaakt.

Met ons huidige rekenvermogen, kunnen we ook probabilistische rekenmodellen gebruiken. Deze modellen maken gebruik van een kansverdelingsproces, waarbij de variabelen worden ingesteld met behulp van een kansverdeling met een minimale en maximale waarde. Met alle mogelijke combinaties en variaties van deze ingangsvariabelen worden deterministische berekeningen gemaakt op basis van de waarschijnlijkheid van de ingangsvariabelen en aanvaardbare faalkansen.

Zo is de kans op een brand van 20 MW groter dan de kans op een brand van 100 MW. In dit verband is de aanvaardbare faalkans voor een 20 MW brand veel lager dan voor een grotere brand. Hetzelfde geldt voor het windeffect op het portaal. Waar een windsnelheid van ongeveer 3 tot 5 m/s (windkracht 3) vrij normaal is, is de kans op een windsnelheid van meer dan 10 m/s eerder uitzonderlijk. Daarom wordt ook de faalkans aangepast. Op basis van deze probabilistische berekeningen kan dan een risicoanalyse worden uitgevoerd, waarbij het ontwerp van het ventilatiesysteem wordt beoordeeld.

Voorbeelden van variabele ingangen

• Grootte van de brand en positie van de brand
• Windbelasting
• Verkeersverdeling

Dit probabilistische rekenmodel is uitvoerig beschreven in de "Aanbevelingen ventilatie voor wegtunnels", gepubliceerd door Rijkswaterstaat.

Producten voor tunnelventilatiesystemen

Sinds het begin van de jaren '70 levert NOVENCO stuwkrachtventilatoren voor weg-, spoor- en metrotunnels.

Vooral in Nederland zijn veel tunnels onder grote rivieren gebouwd volgens de afzinktunnelmethode, te beginnen met de Maastunnel in het centrum van Rotterdam, zo'n vijftig jaar geleden. Bij deze methode worden de (rechthoekige) tunnelelementen afgezonken en met elkaar verbonden. Om hoge bouwkosten te voorkomen worden de elementen met een minimale hoogte gebouwd, rekening houdend met de verkeershoogte en een absolute minimumhoogte voor de technische installaties.

In die gevallen waar de inbouwhoogte beperkt is, heeft NOVENCO Building & Industry een speciaal tunnelventilatorprogramma met ruimtebesparende stuwkrachtventilatoren. Door gebruik te maken van een rechthoekige buitenvorm in combinatie met een speciale ventilatorconstructie gebruiken deze stuwkrachtventilatoren tot 20% minder inbouwhoogte in de tunnel, met behoud van de stuwkracht en het rendement van de stuwkracht. Door de vorm van de geluiddempers kan meer geluiddempend materiaal worden toegepast, wat resulteert in een lager geluidsniveau in vergelijking met dezelfde tunnel stuwkrachtventilator in een ronde uitvoering.

Naast de tunnel stuwkrachtventilatoren biedt NOVENCO ook een groot scala aan zeer efficiënte axiaalstroomventilatoren tot 2 meter diameter met luchtstromen tot 110 m³/s (400.000 m³/u). Onze axiaalventilatoren zijn ook beschikbaar als brandgasventilatoren die zijn getest en gecertificeerd voor temperaturen tot 400 °C gedurende 2 uur.

Sinds 2020 biedt NOVENCO ook de hoogst efficiënte ZerAx® reeks axiaalventilatoren aan als gecertificeerde rookgasventilatoren met variabele toerental conform de NEN-EN 12101 deel 3 (2015). Deze bij hoge temperaturen geteste en gecertificeerde pakketten met een combinatie van rookgasventilator en frequentieregelaar maken het mogelijk om in geval van brand gebruik te maken van ventilatoren met variabel toerental, zonder bypass van de frequentieomvormer. Het resultaat is maximale betrouwbaarheid en flexibiliteit om de rookventilatie in geval van brand te regelen in combinatie met lagere bedrijfskosten voor normale ventilatiecondities.

Een vergelijking van hetzelfde systeem toont bijvoorbeeld de verschillen tussen de industrie-conforme oplossingen zoals de NOVENCO NovAx™ rookgasventilatoren en de ZerAx® HR rookgasventilatoren. Met alle selectievariabelen ingesteld op dezelfde instelling, is het elektrisch ingangsvermogen voor de NovAx™ ACN 1250 F300 65kW tegenover 56kW voor de ZerAx® AZN 1250 F300. Het verschil in stroomverbruik is bijna 14%, wat zal leiden tot aanzienlijk lagere bedrijfskosten. Bovendien kunnen alle componenten in de stroomverzorging, inclusief UPS-systemen, 14% kleiner worden gedimensioneerd, wat leidt tot lagere initiële investeringskosten. En met een aanzienlijk lager geluidsniveau is de ZerAx® de voor de hand liggende keuze.

Kijk in de sectie gerelateerde producten hieronder of neem contact met ons op voor meer informatie over onze producten en expertise voor uw weg-, spoor- en metrotunnelprojecten.