Diseño de ventilación de túneles: principios, tipos y sistemas.

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La ventilación de túneles es uno de los aspectos más críticos de la ingeniería de túneles. Garantiza que la calidad del aire dentro del túnel siga siendo segura para los usuarios y trabajadores al tiempo que elimina el calor, el humo y los gases de escape generados por vehículos o equipos de construcción.

Un sistema de ventilación bien diseñado es esencial tanto para el funcionamiento normal como para condiciones de emergencia. Este artículo explica los fundamentos del diseño de ventilación de túneles, los tipos de sistemas de ventilación, los parámetros de diseño y las mejores prácticas seguidas en los proyectos de túneles modernos.

¿Por qué es importante la ventilación del túnel?

Los túneles crean un ambiente cerrado donde la circulación natural del aire es limitada. Los motores de vehículos, los equipos eléctricos y la maquinaria de construcción producen calor, monóxido de carbono (CO), óxidos de nitrógeno (NOx) y partículas. Sin una ventilación adecuada, estos contaminantes pueden acumularse, planteando graves riesgos para la salud y la seguridad.

Un buen sistema de ventilación debe:

• Mantener la calidad del aire dentro de límites seguros.
• Elimine el humo y el calor durante emergencias de incendio.
• Garantizar visibilidad y comodidad para conductores y trabajadores.
• Optimice el uso de energía y los costos operativos.

Principales objetivos del diseño de ventilación de túneles

1. Control de contaminantes del aire:
   Mantenga las concentraciones de contaminantes por debajo de los límites permisibles durante condiciones normales de tráfico.
2. Control de humo en emergencias:
   Extraiga el humo de manera eficiente y mantenga rutas de evacuación despejadas durante incidentes de incendio para garantizar una evacuación segura.
3. Regulación Térmica:
   Gestione el calor de los vehículos, la iluminación y los equipos.
4. Equilibrio de presión:
   Evite fluctuaciones bruscas de presión que puedan afectar al confort del vehículo o al funcionamiento de las puertas en los túneles del metro.
5. Eficiencia Energética:
   Minimice los requisitos de energía del ventilador mientras mantiene niveles seguros de flujo de aire.

Parámetros y estándares de diseño.

Al diseñar la ventilación de túneles, se consideran varios parámetros clave:

Parámetro	Rango típico/Consideración
Longitud del túnel	Corto (<500 m), Medium (500–3000 m), Long (>3000 metros)
Tipo de tráfico	Carretera, ferrocarril o metro
Volumen y velocidad del vehículo	Determina los niveles de calor y escape.
Pendiente del túnel	Influye en la dirección natural del flujo de aire.
carga de fuego	Determine la capacidad de ventilación de emergencia.
Límites de calidad del aire	CO < 70 ppm, NOx < 5 ppm (estándares típicos)
Condiciones ambientales	Temperatura, humedad y altitud.

Los estándares de diseño comparables seguidos incluyen NFPA 502, PIARC, AS 4825 y BS 6164, según la ubicación del proyecto.

Los sistemas de ventilación de túnel se clasifican según cómo se suministra y extrae el aire.

1. Sistema de ventilación longitudinal

1. El aire fresco entra y sale por los portales del túnel.
2. Los ventiladores de chorro, también conocidos como ventiladores axiales, empujan el aire a lo largo del túnel.
3. Común en túneles de carretera con tráfico unidireccional.

Ventajas:

• Diseño sencillo y fácil instalación.
• Bajos costos de construcción y mantenimiento.

Limitaciones:

• Menos eficaces para túneles largos o con mucho tráfico.
• El control del humo durante un incendio puede resultar complicado en túneles bidireccionales.

2. Sistema de ventilación transversal

1. El aire se suministra y extrae continuamente a lo largo del túnel a través de conductos o cámaras de aire.
2. Los ventiladores separados proporcionan aire fresco y eliminan el aire contaminado.

Ventajas:

• Calidad del uniforme aire en todo el túnel.
• Control eficaz del humo.

Limitaciones:

• Alto costo de construcción y grandes requisitos de espacio para conductos.
• Sistemas complejos de control y mantenimiento.

3. Sistema de ventilación semitransversal

1. Una combinación de sistemas longitudinales y transversales.
2. Se suministra aire fresco a lo largo del túnel mientras que el aire de escape se elimina en puntos específicos.

Ventajas:

• Equilibra la eficiencia y el costo.
• Adecuado para túneles de mediana y larga longitud con tráfico moderado.

4. Sistema de ventilación de eje vertical.

1. Utilice ejes verticales con ventiladores para entrada y salida de aire.
2. Común en túneles de montaña y metro, donde las aberturas horizontales son limitadas.

Ventajas:

• Eficaz para túneles profundos o de varios niveles.
• Permite la instalación de ventilador central para fácil acceso.

Ventilación en Fase de Construcción

Durante la construcción, se requiere ventilación para eliminar el polvo, los gases de escape de los equipos y el calor de la maquinaria.

Los sistemas típicos incluyen:

1. conductos temporales con ventiladores axiales.
2. Conductos flexibles para suministrar aire fresco al frente del túnel.
3. Conductos de escape separados para eliminar el aire contaminado.

Los requisitos de ventilación aumentan con la longitud del túnel y el número de caras de trabajo. Un flujo de aire adecuado debe garantizar que los niveles de oxígeno se mantengan por encima del 19,5 % y los niveles de CO se mantengan por debajo de 50 ppm.

Diseño de control de incendios y humo.

Los escenarios de incendio son la consideración más crítica en el diseño de ventilación de túneles. El sistema debe controlar rápidamente el movimiento del humo para proporcionar rutas de evacuación seguras.

Principios clave de diseño:

1. Flujo de aire unidireccional: Empujar el humo en una dirección alejada de las vías de evacuación.
2. Puntos de Extracción de Humo: Utilice compuertas o ejes para extraer el humo a intervalos regulares.
3. Inversión del ventilador Jet: Algunos sistemas pueden invertir la dirección del flujo de aire en caso de emergencia.
4. Resistencia a la temperatura: Los ventiladores y conductos deben soportar altas temperaturas (250–400°C durante al menos 2 horas).

Las simulaciones de dinámica de fluidos computacionales (CFD) se utilizan a menudo para modelar la propagación del humo y verificar el desempeño del diseño en diversas condiciones de incendio.

Sistemas de Control y Eficiencia Energética

Los sistemas de ventilación de túneles modernos utilizan variadores de frecuencia (VFD) y sistemas de control automático para optimizar la velocidad del ventilador en función de datos en tiempo real sobre contaminantes o tráfico.

Las características de eficiencia energética incluyen:

1. Sensores de CO y NOx para ajustar la demanda de ventilación.
2. Secuenciación automática de ventiladores para minimizar el uso de energía.
3. Integración con sistemas SCADA de túneles para control y monitorización remota.

Mantenimiento y Monitoreo

La inspección y prueba periódicas de ventiladores, sensores y amortiguadores son fundamentales para garantizar la confiabilidad del sistema.
Los programas de mantenimiento deben incluir:

1. Controles mensuales del funcionamiento de los ventiladores.
2. Calibración y reemplazo de sensores.
3. Limpieza de conductos y filtros.
4. Pruebas y simulacros del sistema de emergencia.

El diseño de ventilación de túneles no se trata sólo de mover aire; se trata de garantizar la seguridad, el confort y la eficiencia durante todo el ciclo de vida del túnel.
Un sistema bien diseñado protege vidas durante emergencias, mantiene una calidad del aire saludable y opera eficientemente bajo diferentes condiciones ambientales y de tráfico.

A medida que los túneles se vuelven más largos y complejos, la integración de sistemas de monitoreo avanzados, ventiladores energéticamente eficientes y análisis predictivos desempeñarán un papel importante para lograr entornos de túneles más seguros e inteligentes.

Preguntas frecuentes

1. ¿Cuál es el tipo más común de sistema de ventilación de túnel?
Los sistemas longitudinales son los más habituales para túneles de carretera por su sencillez y rentabilidad.

2. ¿Cómo se controla el humo durante un incendio en un túnel?
El humo se controla dirigiendo el flujo de aire mediante ventiladores de chorro o conductos de escape para mantener caminos de evacuación despejados y minimizar la propagación del humo.

3. ¿Cómo se determinan los requisitos de ventilación?
Los requisitos se basan en la longitud del túnel, el volumen de tráfico, la carga de fuego y los límites de concentración de contaminantes definidos por las normas internacionales.