1 Belüftungskonzeptionen von Straßentunnel-Anlagen

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1 1 Belüftungskonzeptionen von Straßentunnel-Anlagen Dipl.-Ing. Wolfgang Müller, Zweibrücken Dipl.-Phys. Jürgen Steltmann, Zweibrücken Entwicklung und heutiger Stand der Belüftungskonzeptionen von Straßentunnel-Anlagen Zu Beginn der 50-iger Jahre war das Verkehrsaufkommen im Vergleich zu heute sehr gering und den Umweltaspekten wurde kaum Beachtung geschenkt. Erst im Zuge des wirtschaftlichen Aufschwunges hat sich der Individualverkehr (Transit, Urlaub, Berufsverkehr) progressiv von Jahr zu Jahr gesteigert. Staus in Ballungszentren sowie Alpenregionen führten zu Schadstoffemissionen, die für die Verkehrsteilnehmer und Anlieger zu einer unerträglichen Belastung führte. Zwangsläufig befaßten sich die zuständigen Behörden mit dem Verkehrsaufkommen und suchten Lösungen wie zukünftig die Umwelt mit den bereits damals abzusehenden Belastungen fertig werden könnte. Die Lösung waren Tunnelanlagen. Durch die hohe Bevölkerungsdichte nahm Europa eine Vorreiterstellung in der Tunneltechnologie ein. Die Tunnellängen bewegten sich zwischen 3 bis km. Für die Belüftung solch teilweise sehr langer Tunnelstrecken mußte zum damaligen Zeitpunkt von den Planern und letzten Endes von den ausführenden Firmen in vielen Bereichen Pionierarbeit geleistet werden, da man nur bedingt auf Erfahrungen älterer Tunnelanlagen weltweit zurückgreifen konnte. Bild 1: Tunnel Ein-Ausfahrt Die Entwicklung einzelner Komponenten für die Tunnelbelüftungsanlage lief zum damaligen Zeitpunkt parallel mit der Entwicklung von Gebläsen für thermische Kraftwerke. Grubenbewetterungsanlagen und Windkanalanlagen für strömungstechnische Versuche. Bei vielen Bauelementen konnten Entwicklungsvorhaben und Versuchsergebnisse direkt auf die Tunnelbelüftung übertragen werden, die letzten Endes zu dem heutigen hohen Entwicklungsstand im Tunnellüftungsbau geführt haben. Die große Unbekannte war die Abschätzung der Entwicklung des verkehrstechnischen Aufkommens und letzten Endes der Entwicklung der Emmissionen aus dem Fahrzeugverkehr bis zum Jahr Man hatte damals schon die Emission von CO und der Sichttrübung als Parameter für die Frischluftbedarfsbestimmung der Tunnelanlagen zugrunde gelegt und hatte die rapide Steigerung in den 60- und 70-iger Jahren bis zum Jahre 2000 extrapoliert. Dieses Verfahren führte zu sehr hohen Frischluftbedarfsmengen, die nach heutigen Erkenntnissen weit überschätzt wurden, da die tatsächliche Entwicklung auf dem Gebiet der Verkehrstechnik nicht abzusehen war. Bild 2: Axialventilator mit hydraulischer Laufschaufelregelung

2 Belüftungskonzeptionen von Straßentunnel-Anlagen 2 Die ersten Tunnelanlagen wurden hauptsächlich mit einer Halbquerbelüftung (Schema 1) für mittlere Tunnellängen und mit der Vollquerlüftung (Schema 2) für große Tunnellängen projektiert. Später wurde auch eine Kombination beider Systeme eingesetzt. Der große Regelbereich bei den Ventilatoren konnte energetisch sinnvoll nur über eine Volumenstromanpassung durch eine Laufschaufelverstellung während des Betriebes in Kombination mit mehreren festen Drehzahlstufungen bewerkstelligt werden. Schema 1: Halbquerlüftung Halbquerlüftung mit Axialventilatoren Schema 2: Vollquerlüftung Schema 3: Kombinierte Halbquer-Vollquerbelüftung Allgemein führt die Halbquerlüftung dem Verkehrsraum gerade soviel Frischluft zu, wie zur Verdünnung der dort entstehenden Schadstoffe nötig ist. Die verdünnte Tunnelluft strömt zu gleichen Teilen durch die Portale aus. Die Frischluft wird gezielt kontinuierlich in einen separaten Luftkanal eingeblasen. Von dort aus werden die erforderlichen Teilvolumina dem Verkehrsraum über sogenannte Sekundärkanäle zugeführt. Um bei einem Brandfall die Richtung der Strömung beeinflußen zu können, werden reversierbare Axialventilatoren eingesetzt. Im Normalbetrieb laufen diese Ventilatoren als Zuluftventilatoren. Bei Bedarf können sie dann als Abluftventilatoren betrieben werden. Die Abluft wird über die Sekundärkanäle abgesaugt. Vorteile gegenüber der Längslüftung mit Strahlventilatoren ergeben sich durch eine kleinere Längsgeschwindigkeit der Luft im Verkehrsraum, da die Luft nach beiden Portalen abströmen kann. Das bedeutet, daß auch längere Straßentunnel durch die Halbquerlüftung belüftet werden können. Allerdings wird der Verkehrsraumquerschnitt gegebenenfalls durch die notwendigen Zuluftkanäle verkleinert. Dies hat zur Folge, daß die Längsgeschwindigkeit der Luft gegenüber der Längslüftung herabgesetzt werden kann.

3 3 Belüftungskonzeptionen von Straßentunnel-Anlagen Vollquerlüftung mit Axialventilatoren Grundsätzlich wird bei einer Vollquerlüftung jedem Teil des Verkehrsraums genau soviel Frischluft zugeführt wie Abluft abgesaugt wird. Die Frischluft wird in parallel zum Verkehrsraum verlaufenden Verteilerkanäle eingeblasen und über Zuluftöffnungen, sogenannten Sekundärkanälen, dem Verkehrsraum zugeführt. Schema 4: Längslüftung mit Strahlventilatoren Die mit Abgasen angereicherte Luft wird über die Tunnellänge kontinuierlich durch angeordnete Abluftöffnugnen angesaugt. In zum Verkehrsraum parallel verlaufende Sammelkanäle läuft der Abgasstrom zusammen und wird über Abluftkamine ins Freie geführt. Eine Variante der Vollquerlüftung bildet die reduzierte Querlüftung, die für einen gegenüber dem Zuluftvolumenstrom reduzierten Abluftvolumenstrom ausgelegt wird. Die überschüssige Luft strömt über die Portale ab. (Schema 3) Längslüftung In den letzten Jahren ist die zunehmende Tendenz der Längsbelüftung bis zu mittleren Tunnellängen von 3 km zu erkennen. Schema 5: Längslüftung mit Saccardodüsen Die Entwicklung dieses Belüftungssystems wurde begünstigt durch die im Verhältnis zu anderen Systemen niedrigeren Investitions-, Betriebsund Wartungskosten. Strahlventilatoren (Schema 4), die einzeln oder in Gruppen in gewissen Abständen an der Tunneldecke installiert werden und durch Impulsaustausch dem Tunnelstrom Energie zuführen, der die vorhandene Luftsäule in Bewegung setzt. Es ist dabei zu beachten, daß der Abstand der Ventilatoren in der Tunnellängsachse so vorzusehen ist, daß eine gute Vermischung des Treibstrahls mit dem übrigen Tunnelstrom und eine möglichst gute Strömungsverteilung im Tunnelquerschnitt erfolgt. Schema 6: Längslüftung mit Abluftventilatoren Die Länge der mittels Strahlenventilatoren belüfteten Tunnel ist begrenzt

4 Belüftungskonzeptionen von Straßentunnel-Anlagen 4 durch die maximal zulässige Längsgeschwindigkeit der Luft im Verkehrsraum, die aus Gründen der Sicherheit und des Komforts bestimmte Grenzwerte nicht überschreiten darf. Vollständigkeitshalber sei noch das System der Längslüftung über Saccardodüse erwähnt. Saccardodüsen (Schema 5) über am Tunnelportal installierte Axialgebläse, bei der die angesaugte Luft über einen Ringspalt im oberen Bereich des Tunnelportals unter einem Winkel von 15 bis 20 zur Tunnelachse mit einer Geschwindigkeit von 25 bis 30 m/sec in den Tunnelfahrraum eingeblasen wird. Diese Belüftungskonzeption hat sich als relativ empfindlich gegen Widertandserhöhung gleich welcher Art (Wind oder dergleichen) gezeigt und wird bei neueren Anlagen nicht mehr in die Konzeptplanung einbezogen. Eine weitere interessante Entwicklung wird in den letzten Jahren bei der Längslüftung von Straßentunneln über Abluftventilatoren in Kavernen mit Zentralschächten beobachtet. (Schema 6) Bei diesem System wird über große Axialventilatoren, welche in Kavernen im Bereich der Tunnelmitte angeordnet sind, die Frischluft von beiden Tunnelportalen angesaugt und über die Absaugventilatoren und einen Ausblaseschacht wieder an die Umwelt abgegeben. Vorteilhaft bei diesem System ist, daß die Abluft auf keiner Seite der Portale austreten kann und die Lüftungstrecke praktisch halbiert wird, was sich günstig auf die CO und Sichttrübeentwicklung im Tunnel auswirkt. Bei diesem System werden oftmals zusätzliche Strahlenventilatoren im Tunnel angeordnet, die im Brandfalle eingeschaltet werden und den Fluchtweg der Menschen im Tunnel vom Brandherd weg, frei von schädlichen Abgasungen halten. Die anderen Belüftungssysteme wie reduzierte Halbquerbelüftung Halbquerbelüftung Vollquerbelüftung haben jedoch gegenüber der reinen Längsbelüftung ihre eigenen spezifi- Bild 3: Strahllüfter in der Fertigung, pulverbeschichtet mit geschlossenem Laufrad (Laufradnabe gegen Staub und Korrosion gekapselt) Bild 4: Absaugventilator axialer Bauart Bild 5: Betriebsgebäude mit Ausblasschacht

5 5 Belüftungskonzeptionen von Straßentunnel-Anlagen schen Vorteile im Hinblick auf Sicherheit im Brandfalle, Fahrkomfort und Umweltbetrieb, so daß von Fall zu Fall diese Systeme zur Anwendung kommen bzw. zwingend vorgeschrieben werden. Natürlich ergeben sich auch sinnvolle Kombinationen zwischen der Längslüftung und der Halbquerlüftung im Normalbetrieb und im Brandfalle. Die Wahl der Belüftungskonzeption nach heutigen Gesichtspunkten Die Auswahl des Tunnelbelüftungssystems wird im wesentlichen von folgenden Faktoren bestimmt: Frischluftbedarf in Abhängigkeit der CO-, No x, Trübe-Emission sowie Tunnellängsgeschwindigkeit unter Beachtung der gesetzlichen Auflagen und im Hinblick auf die zu erwartende Entwicklung der Emissionen und deren erlaubten Grenzwerte in den kommenden Jahren. Aktuelle Daten werden in der RABT und von der PIARC vorgeschrieben. Zuverlässigkeit der Anlage Sicherheit im Brandfall Energieverbrauch Investitionskosten Instandhaltung Servicefreundlichkeit Regelsysteme Anpassung des Ventilatorregelkonzeptes an die Erfordernisse des Tunnelbelüftungssystems Zur Einhaltung der vorgeschriebenen Immissionswerte im Tunnel und im sogenannten Umweltbetrieb ist eine kontinuierliche Anpassung des Frischluft- und Abluftstromes an die tatsächlichen Verkehrsverhältnisse notwendig. Für die Anpassung des Volumenstromes werden folgenden Regelungsmöglichkeiten eingesetzt: Längslüftung mit Strahlenventilatoren Zu- und Abschalten von einzelnen Ventilatoren bzw. Ventilatorengruppen innerhalb der gesamten Tunnelstrecke. Längslüftung über Abluftkamine in Tunnelkavernen Bild 6: Axialventilator beim Einbau in ein Betriebsgebäude Bild 7: Reversierbarer Axialventilator in vertikaler Bauart

6 Belüftungskonzeptionen von Straßentunnel-Anlagen 6 Anlagenkennlinie Bei einem Belüftungssystem mit quadratisch verlaufender Tunnelwiderstandslinie ist sowohl die Laufschaufelverstelleinrichtung während des Betriebes als auch eine Drehzahlregelung der Ventilatoren als Regeleinheit einsetzbar. Probleme gibt es oftmals wenn sich unterschiedliche Widerstandslinien bei den verschiedenen Lüftungssequenzen ergeben. Dies kann z. B. im Brandfall im sogenannten Reversierbetrieb der Belüftungsstrecke der Fall sein. Diagramm 1: Kennfeld eines Axialventilators mit hydraulischer Laufschaufelverstellung Die Widerstände im Normal- und Reversierbetrieb ändern sich durch unterschiedliche Zu- und Abströmbedingungen einzelner Bauelemente. Weiterhin kann es durch entsprechende Luftumleitungen über ein spezielles Klappensystem zu stark unterschiedlichen Verlusten und damit veränderten Tunnelwiderstandslinien kommen. Diagramm 2: Kennfeld eines Axialventialtors mit Drehzahlregelung über Frequenzumrichter Halbquer-/Querbelüftung längerer Tunnels über Frischluft- und Abluft- Axialventilatoren an den Tunnelportalen bzw. Tunnelkavernen. Hier wird als Regeleinheit eingesetzt: (Diagramm 1) Laufschaufelverstellung während des Betriebes mit einer oder mehreren Teildrehzahlen über polumschaltbare Motoren (Diagramm 2) drehzahlregelbare Ventilatoren mit einzeln im Stillstand verstellbaren Laufschaufeln, Drehzahlverstellung über Frequenzumformer Beide Regelsysteme haben sich in der Praxis bewährt. Der Einsatz hängt jedoch von den geplanten Betriebsabläufen ab, die oftmals unterschiedliche Systemwiderstandslinien mitsichbringen. Beide extremen Betriebsfälle müssen bei der Auswahl des Regelkonzeptes schon im Projektstadium bekannt sein und bei der Auslegung der Ventilatoren berücksichtigt werden. Bei einer Drehzahlregelung ist der Verlauf der Abreißgrenze bei fester Schaufelstellung eine Nullpunktsparabel. Es muß in jedem Fall beachtet werden, daß alle Betriebspunkte im sicheren Abstand von der drehzahlabhängigen Abreißlinie des Ventilators entfernt sind. Oftmals sind Kompromisse in der Lage der Punkte zum Wirkungsgradoptimum zwischen dem Normalbetriebsbereich und dem Brandfall notwendig, damit diese Forderungen eingehalten werden können. Bei der Laufschaufelverstellung während des Betriebes sind bedingt durch den günstigen Verlauf der Abreißgrenze des Ventilators zur Fördermenge Null hin solche Einschränkungen in den meisten Fällen nicht notwendig. Der sogenannte Haltedruck des Ventilators bei Fördermenge Null liegt in der Regel bei 50 bis 60 % des Maximaldruckes. Man kann somit pauschal sagen, daß alle Betriebspunkte bis im Teillastbereich (in der Regel

7 7 Belüftungskonzeptionen von Straßentunnel-Anlagen Sperrbereich Drehzahleglung Diagramm 3: Kennfeld eines Axialventilators mit hydraulischer Laufschaufelverstellung überlagert mit dem Kennfeld der Drehzahlregelung. Antriebsmotore mit spezieller Kühlung mit oder ohne externer Kühlluftventilatoren in Abhängigkeit der gewählten Motorschutzart z. B. IP 23 oder IP 44 durchzugsbelüftet oder IP 54 in geschlossener Ausführung oberflächengekühlt. Zusammenfassung Ausblick Durch die ständig verbesserten Schadstoffemissionswerte neuer Autos wird sich die Ausrichtung der Tunnelbelüftungssysteme mehr und mehr auf den Brandfall ausrichten. Absaugventilatoren die den Rauch direkt aus dem Fahrraum absaugen müssen auf einen Temperaturfestigkeit von mindestens 400 C während 90 Min. ausgelegt werden. (RABT 94) 10 % V. max) sicher ohne Instabilitäten gefahren werden können. Ein weiterer wichtiger Punkt der bei der Wahl des Regelkonzeptes beachtet werden muß, ist der sogenannte Tunnelvordruck, der beim Zusammenspiel zwischen Ventilatorzu- und -abluftbetrieb an den entsprechenden Tunneleinblase- und Absaugstellen eingestellt werden muß, damit es nicht zu unkontrollierten Strömungsumkehrungen innhalb der Tunnelstrecke kommt. Diese sogenannten Tunnelvordrücke bewirken eine Verschiebung der Tunnelwiderstandslinie vom Drucknullpunkt nach minus bzw. nach plus. Kritisch ist die Verschiebung nach plus. Bei einer drehzahlgeregelten Abreißlinie (Nullpunktsparabel) ergeben sich im Teillastgebiet Überschneidungen, die die fahrbare Mindestlast einschränken. Für Tunnelanlagen mit hoher Auslastung der Ventilation kann eine Kombination beider Regelsysteme sinnvoll sein. Die kombinierte Regelung Drehzahl/hydraulische Laufschaufelverstellung erlaubt es Energieoptimal die Anlage zu betreiben. Nachteilig sind die höheren Anschaffungskosten. Diese Mehrkosten können allerdings schon schnell durch niedrige Betriebskosten amortisiert werden. Sicherheit im Brandfall Für die Konzeption der Abluftventilatoren gilt für den Brandfall allgemein die Forderung einer Funktionstüchtigkeit bis 250 C, max. 1 Stunde für alle Bauelemente einschl. der Ventilatormotoreinheit. Bei den Abluftventilatoren sind zur Einhaltung dieser Forderung spezielle Maßnahmen notwendig, die die Sicherheit der Anlage gewährleisten wie z. B. Die oftmals gestellte Forderung eines Regelbereiches von 100 bis 10 % des Volumenstromes sind u. U. durch den Überschneidungseffekt (schwarze Fläche im Diagramm 3) nicht zu bewerkstelligen. Auch hier ist Laufschaufelverstellung vorteilhaft, da sich diese Überschneidungsprobleme nicht ergeben. hochtemperaturbeständige Laufschaufelmaterialien ausgereifte Verstellsysteme bei der Laufschaufelverstellung während des Betriebes, die unter Temperatureinfluß nicht zu einer Schwergängigkeit oder gar zu einem Blockieren führen Literaturangaben RABT: Richtlinien für die Ausstattung und den Betrieb von Straßentunnel PIARC 1995: PIARC Publikation AIPCR xxth Montreal Permanent Interantional Association of Road Congresses Road Tunnels: Emissions, Ventilation, Enviroment Tunneltag Zagreb 1995: Vortrag von Herrn W. Müller in Zagreb

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