Анализ эффективности вариантов адиабатического увлажнения тоннельного воздуха как способа нормализации микроклимата в сооружениях метрополитена в теплый период года Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

УДК 697.9:625.42

АНАЛИЗ ЭФФЕКТИВНОСТИ ВАРИАНТОВ АДИАБАТИЧЕСКОГО УВЛАЖНЕНИЯ ТОННЕЛЬНОГО ВОЗДУХА КАК СПОСОБА НОРМАЛИЗАЦИИ МИКРОКЛИМАТА В СООРУЖЕНИЯХ МЕТРОПОЛИТЕНА В ТЕПЛЫЙ ПЕРИОД ГОДА

Иван Владимирович Лугин

Институт горного дела им. Н. А. Чинакала СО РАН, 630091, Россия, г. Новосибирск, Красный проспект, 54, кандидат технических наук, доцент, старший научный сотрудник, тел. (383)205-30-30, доп. 179, e-mail: ivlugin@misd.nsc.ru

Елена Леонидовна Алферова

Институт горного дела им. Н. А. Чинакала СО РАН, 630091, Россия, г. Новосибирск, Красный проспект, 54, младший научный сотрудник, тел. (383)205-30-30, доп. 179, e-mail: alferova@mosk.ru

Рассмотрены способы охлаждения воздуха путем адиабатического увлажнения в двухпутном тоннеле метрополитена в теплый период года на примере Московского метро. Проведено сравнение эффективности адиабатного увлажнения воздуха в вентиляционной камере и при непосредственном распылении воды в тоннеле.

Ключевые слова: метрополитен, теплоизбытки, вентиляция, адиабатное увлажнение, охлаждение воздуха, оросительная камера.

ANALYSIS OF ADIABATIC TUNNEL AIR WETTING EFFICIENCY AS A WAY TO NORMALIZE MICROCLIMATE IN SUBWAY IN WARM SEASON PERIOD

Ivan V. Lugin

Chinakal Institute of Mining SB RAS, 630091, Russia, Novosibirsk, 54 Krasny prospect, Ph. D., Assistant Professor, Senior Researcher, tel. (383)205-30-30, extension 179, e-mail: ivlugin@misd.nsc.ru

Elena L. Alferova

Chinakal Institute of Mining SB RAS, 630091, Russia, Novosibirsk, 54 Krasny prospect, Junior Researcher, tel. (383)205-30-30, extension 179, e-mail: alferova@mosk.ru

Processes for air cooling by adiabatic wetting of two-track subway tunnel in warm season period are considered in terms of Moscow subway. Performance of adiabatic air wetting in the ventilation chamber and the direct water pulverization in the subway tunnel is compared.

Key words: subway, heat excess, ventilation, adiabatic wetting, air cooling, water pulverization chamber.

Основной задачей тоннельной вентиляции является создание и поддержание требуемых параметров внутреннего воздуха в помещениях и сооружениях метрополитена. Допустимые требуемые параметры внутреннего воздуха в тоннеле достигаются и поддерживаются в теплый период года за счет компенсации выделяющихся теплоизбытков подачей наружного воздуха, количество которого определяются на основе сведения теплового баланса. В данной работе тепловыделения в тоннеле рассчитаны исходя из пассажиропотока и интервала движения поездов самой загруженной линии - Таганско-Краснопресненской [1]. Влаговыделения от пассажиров рас-

считаны в зависимости от пассажиропотока, для условий легкой работы, как наиболее приближенных к условиям метрополитена [2]. Расчетные тепло- и влаговыделения приведены на рис. 1.

н

m

* 7

§ 6 К 5

§ 4 § 3

* 2

л и о ч с

<и Н

I I Тепловыделения, кВт

Влаговыделения, кг/ч

• п • м гп

• • • — / —

* и * ••

••

• F7I

m "h-п

о о

о о

о о

о о

о о

о о

о о о о

о о

о о

о о

ООО ООО

о о о о

о о

о о

ЧО О 00 On О

(Nm^ri/o'-.ot^ooONO

23

о о

о о

о о

о о

2222

1л чо о оо

о о

сК о

о о

о о

о о

о о

о о

о о

о о о о

о о

о о

о о

о о

(Nm^ri/o'-.ot^ooONO

о о

(N m

о о

о о

о о

2222

о о

о о

о о

Часы суток, ч

1000 * 800 | 600 g 400 де 200 вы 0 ога

л В

Рис. 1. Расчетные тепло- и влаговыделения в тоннеле в течение суток

Теплопотери в грунт рассчитаны на основе работ [3-4].

Все то тепло, что не ушло в грунт, требуется удалять средствами тоннельной вентиляции, то есть подавать необходимое для охлаждения тоннеля количество наружного воздуха. Количество наружного воздуха Ь (м3/с), необходимое для выноса теплоизбытков ^определяется по формуле:

Ь &

^ • Св - ^а ) • Р а '

где с = 1.005 кДж/(кг-°С) - удельная теплоемкость воздуха; /а- температура атмосферного воздуха, °С [5]; /в- температура внутреннего воздуха, °С [6]; ра- плотность атмосферного воздуха, кг/м3.

При эксплуатации нерегулируемых вентиляторов, их производительность устанавливается среднесуточным расходом воздуха, который определяется по формуле:

0сут

гсут _

^аув

24с • (1в - ta) • Р

ave

где QCT - суммарные теплоизбытки за сутки; р^е- средняя за сутки плотность атмосферного воздуха, кг/м3. Для принятых условий требуемый среднесуточный расход воздуха составляет 166 м3/с для глубины заложения тоннеля 20 м. Однако, в часы пик при проветривании таким расходом воздуха, его температура в тоннеле будет превышать нормативные +33 °C.

Если же проветривать тоннель с дополнительным регулированием расхода воздуха - в часы пик увеличивать расход воздуха соответственно теплоизбыткам, то в данных условиях расчетные расходы воздуха по удалению теплоизбытков (рассчита-

ны с учетом суточного изменения температуры наружного воздуха и при температуре внутреннего воздуха +33°) будут значительно превышать возможности оборудования тоннельной вентиляции (рис. 2). Так, например, требуемая производительность каждого подающего вентилятора при параллельной работе двух вентиляторов в промежуток времени между 16 и 17 часами составит 273 м3/с (при глубине заложения тоннеля 20 м).

о X о ей Рч

600 450 300 150

Ж

□ 5 м

□ 10 м

□ 20 м

Ж

Ш1_

0000 0000

0 0

0 0

0 0

о о

0 0

о о о о о о о о о о

чо о оо с^ о

00 00

0 0

0 0

0000 о о о о

о ^ сЧ т с^ с^ с^ с^

чо о оо

0

о

¿К ¿5

0 0

0 0

О О

0 0

0 0

0 0

О О О О

0 0

0 0

Часы суток, ч

0

о о

О О

0

000 О О О

¿5 ^ Г^ С^

С^ С^ с^ с^

0 0

0

О ¿5

0

Рис. 2. Расход подаваемого в тоннель воздуха для выноса тепло избытков в течение часового промежутка времени суток при различной глубине заложения двухпутного тоннеля

0

В теплый период для сокращения воздухообмена можно применять адиабатный способ охлаждения воздуха. Сущность этого способа заключается в том, что при разбрызгивании в камере орошения воды с температурой, равной температуре воздуха по мокрому термометру, движущийся по камере воздух взаимодействует с каплями воды и увлажняется испарившейся влагой до состояния близкого к насыщению. В условиях теоретического процесса при достижении полного насыщения воздуха влагой его конечная температура должна равняться температуре мокрого термометра, практически она будет несколько выше. Требуемый расход при этом будет рассчитываться по формуле:

7-охл __

Ьтр -

Фв ^м.т. )р м.т.

где /м.т. и рм.т. - температура мокрого термометра, °С, и соответствующая этой температуре плотность воздуха, кг/м3.

По известным изменениям параметров наружного воздуха рассчитано влияние адиабатическое охлаждения наружного воздуха на снижение температуры удаляемого воздуха. Для теплого периода при среднегодовой относительной влажности 78 % [7] температура удаляемого воздуха снижается не менее, чем на 2 °С. За расчетный принимается наиболее теплый месяц. Для него можно описать изменение суточное изме-

нение температуры и относительной влажности наружного воздуху: согласно [5], средняя месячная относительная влажность воздуха наиболее теплого месяца составляет 73 %, средняя месячная относительная влажность воздуха в 15 часов наиболее теплого месяца составляет 60 %. Для расчетного месяца температура удаляемого воздуха при адиабатном охлаждении снижается на 5-6 °С. На рис. 3 на диаграмме Рамзи-на - Молье показан процесс обработки воздуха в камере орошения. Точка Н - наружный воздух, с температурой /н, соответствующей данному промежутку времени; О -воздух после камеры орошения, т.е. наружный воздух, охлажденный до температуры мокрого термометра/м.т.,В - воздух, удаляемый из тоннеля (+33 °С).

Рис. 3. Процесс обработки воздуха в камере орошения

Рассмотрим подробнее два различных способа охлаждения воздуха адиабатическим увлажнением.

1. Адиабатическое охлаждение в форсуночной (оросительной) камере: на рис. 4 изображена схема форсуночной камеры. Наружный воздух подается в оросительную камеру, в которой вода разбрызгивается под высоким давлением (для систем тоннельной вентиляции расход воды составит до 2650 т/ч, для форсунок типа УЦ 1410/15 требуемое давление воды при таком расходе - 60 кПа), вступает в непосредственный контакт с поверхностью капель воды, распыляемой с помощью форсунок. Распыляясь, вода превращается в густой туман мелких капель, сквозь который движется воздух, поглощая водяные пары. Несомненным плюсом такого способа увлаженения воздуха является то, что вода, используемая для увлажнения, является рециркуляционной, т.е. вся та жидкость, что не ушла на увлажнение восполняется из холодильного центра до требуемого расхода и снова подается в форсуночный стояк для увлажнения, что снижает затраты на водоподготовку. Однако, потребуется дополнительные системы очистки приточного воздуха во избежание пылеосаждения в поддоне оросительной камеры.

2. Адиабатическое охлаждения воздуха непосредственно в тоннеле: на рис. 5 изображена схема расположения трубопровода. Наружный воздух подается в тоннель, вдоль которого внутри проложены трубопроводы с форсунками. В отличии от предыдущего способа, этот можно использовать не только для охлаждения воздуха, но также для борьбы с другой большой проблемой в метрополитене - опыленностью воздуха, и, помимо этого, можно объединить системы орошения и пожаротушения в

одну. Но в данном случае возрастут расходы на водоподготовку, металлоемкость, время монтажа и наладки системы орошения.

1 - корпус оросительной камеры; 2 - форсунки; 3 - стояк; 4 -поддон; 5 - фильтр; 6 - насос; 7 - вентили; 8 - трубопровод от центра охлаждения воды

Рис. 5. Адиабатическое охлаждение воздуха в тоннеле: 1 - трубопровод охлажденной воды; 2 - форсунки; 3 - путевой отсек двухпутного тоннеля

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Московский метрополитен. Годовые отчеты [Электронный ресурс]. - Режим доступа: old.mosmetro.ru/press/reports.

2. Павлов Н. Н. Справочник проектировщика. Внутренние санитарно-технические устройства. Часть 3. Вентиляция и кондиционирование воздуха. Книга 1. - М.: Стройиздат, 1992. - 319 с.

3. Лугин И. В., Алферова Е. Л. Влияние годовой цикличности изменения теплового потока в грунт на расчетный тепловой баланс двухпутного тоннеля метрополитена // Интерэкспо ГЕО-Сибирь-2016. XII Междунар. науч. конгр. : Междунар. науч. конф. «Недропользование. Горное дело. Направления и технологии поиска, разведки и разработки месторождений полезных ископаемых. Геоэкология» : сб. материалов в 4 т. (Новосибирск, 18-22 апреля 2016 г.). - Новосибирск : СГУГиТ, 2016. Т. 3. - С. 191-196.

4. Красюк А.М. Экспериментальное исследование температуры обделок тоннеля и массива окружающего грунта в метрополитенах мелкого заложения / А.М. Красюк, И.В. Лу-гин // Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2008. - №3. С. 124-129.

5. СП 131.13330.2012. Строительная климатология Актуализированная редакция СНиП 23-01-99*. - Введ. 01-01-2013. Москва: [б.и.], 2012.

6. СП 120.13330.2012. Метрополитены. Актуализированная редакция СНиП 32-022003.- Введ. 01-01-2013. Москва: [б.и.], 2012. - 267 с.

7. Погода и климат. Климат Москвы [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.pogodaiklimat.ru/climate/27612.htm (дата обращения 25-12-2016).

© И. В. Лугин, Е. Л. Алферова, 2017