CC BY
36
УДК 622.4:625.42
Е.Л. Алферова, И.В. Лугин
К ВОПРОСУ СОЗДАНИЯ И ПОДДЕРЖАНИЯ ТРЕБУЕМЫХ ПАРАМЕТРОВ ВНУТРЕННЕГО ВОЗДУХА В ТОННЕЛЯХ МЕТРОПОЛИТЕНА В ТЕПЛЫЙ ПЕРИОД ГОДА
Аннотация. В настоящее время недостаточно изучен вопрос о тепловых процессах и поддержания микроклимата для метрополитена с двухпутным тоннелем. Рассмотрена работа тоннельной вентиляции метрополитена с двухпутным тоннелем с использованием данных для самой загруженной линии Московского метрополитена (Таганско-Краснопресненской). Определены тепловыделения от поездов и пассажиров, определены тепловые балансы для различных глубин заложения тоннеля: 5, 10 и 20 м. Рассчитаны требуемые и среднесуточные расходы воздуха для условий самого жаркого для наиболее теплого месяца года (июль) с использованием нормативных и статистических данных. Показано, что расчетный среднесуточный расход воздуха не обеспечивает нормативные требования и температура удаляемого воздуха значительно превышает нормативные +33 °С. Определены требуемые расходы воздуха при использовании регулируемого проветривания, однако, в этом случае получившиеся требования по производительности вентиляторов значительно превышают возможности существующего вентиляционного оборудования: так для промежутка времени между шестнадцатью и семнадцатью часами самого жаркого дня наиболее теплого месяца требуемая производительность одного вентилятора при параллельной работе двух вентиляторов составила 273 м3/с. Предложено использование адиабатического увлажнения воздуха в камере орошения для его охлаждения.
Ключевые слова: метрополитен, вентиляция, тепловой баланс, глубина заложения, климатические параметры, охлаждение воздуха, увлажнение воздуха, теплый период года.
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. Основными источниками тепла в метрополитене являются пассажиры и тепловыделения при разгоне и торможении поездов [1—2], ос-
DOI: 10.25018/0236-1493-2018-11-0-63-69
тальные факторы составляют незначительную его часть. Основная часть тепло-потерь — это потери тепла в грунтовой массив, окружающий тоннель. Частота движения на всех станциях одной линии одинаковая и тепло разносится поездами по линии относительно равномерно, поэтому расчет теплопоступлений проведен для одного типового перегона на примере Московского метрополитена, средняя длина перегона которого составляет 1770 м [3].
Тепловыделения в тоннеле рассчитаны исходя из пассажиропотока и интервала движения поездов самой загружен-
ISSN 0236-1493. Горный информационно-аналитический бюллетень. 2018. № 11. С. 63-69. © Е.Л. Алферова, И.В. Лугин. 2018.
Рис. 1. Частота движения поездов и пассажиропоток на одном перегоне в течение суток
Fig. 1. Trains and passengers traffic on the single station-to-station block during the day
ной линии — Таганско-Краснопреснен-ской [4]. На рис. 1 показано суточное изменение частоты движения поездов и пассажиропотока на одной перегоне.
Кинетическая энергия движущегося поезда переходит в тепло при его торможении и остановке. Количество тепла, выделяющегося при торможении можно определить, воспользовавшись теоремой об изменении кинетической энергии:
ЕА = Т! — Т0 ± ^ где ЕА — сумма активных сил, Дж; Т1 — кинетическая энергия при движении поезда по перегону, Дж; Т0 = 0 — кине-
тическая энергия стоящего на станции поезда, Дж; Ай —работа сил тяжести на участке линии, Дж;
Т1 = 0,5тУ 2, где т — максимально возможная масса поезда, кг, приняты основные используемые типы подвижных составов: вось-мивагонные поезда с вагонами типа 81-760/761 «Ока» [5], масса одного пассажира — 75 кг; V — максимальная скорость поезда, м/с, для Московского метрополитена составляет 25 м/с.
Поскольку рассматривается тепловыделение при движении пары поездов, суммарная работа сил тяжести Ай на уча-
Рис. 2. Расчетные тепло- и влаговыделения в тоннеле в течение суток
Fig. 2. The estimated heat emission andmoisture exudation in the tunnel during the day
Рис. 3. Расчетный тепловой баланс (теплоизбытки) в тоннеле при глубине его заложения 5,10 и 20 м
Fig. 3. The estimated heat balance (excess heat) in the tunnel for 5, 10 and 20 m tunnel depth
стке линии будет равна нулю, а сумма работ активных сил при торможении полностью переходит в тепло после прохождения поездов 7—8 перегонов [6]. Аналогично, тепло выделяется при уходе поезда и разгоне его до той же скорости, которую он имел в середине перегона.
Влаговыделения от пассажиров рассчитаны в зависимости от пассажиропотока, для условий легкой работы, как наиболее приближенных к условиям метрополитена. Принято, что доли мужчин и женщин среди пассажиров равные, влаговыделения составляют 150 г/ч от одного мужчины и 127,5 г/ч от одной женщины [7]. Расчетные тепло- и влаго-выделения приведены на рис. 2.
Теплопотери в грунт рассчитаны на основе работ [8—9]. На рис. 3 приведен почасовой расчетный тепловой баланс (теплоизбытки) в тоннеле при различной глубине его заложения.
Все то тепло, что не ушло в грунт, требуется удалять средствами тоннельной вентиляции, то есть подавать необходимое для охлаждения тоннеля количество наружного воздуха.
Опыт эксплуатации метрополитенов показывает, что расчетным расходом
воздуха является расход на удаление из тоннеля теплоизбытков. Количество наружного воздуха I (м3/с), необходимое для выноса теплоизбытков 0Е, определяется по формуле:
^ с-((„- 1а )■ ра
где с = 1,005 кДж/(кг • °С) — удельная теплоемкость воздуха; ^ — температура атмосферного воздуха, ° С [10]; ^ — температура внутреннего воздуха, °С [11]; ра — плотность атмосферного воздуха, кг/м3.
При эксплуатации нерегулируемых вентиляторов, их производительность устанавливается среднесуточным расходом воздуха, который определяется по формуле:
= -
QТ
24c- (tB- ta )• pave где 0Есут — суммарные теплоизбытки за сутки; pave — средняя за сутки плотность атмосферного воздуха, кг/м3. Для принятых условий требуемый среднесуточный расход воздуха составляет 160, 164 и 166 м3/с соответственно для глубин заложения тоннеля 5, 10 и 20 м. Однако, в часы пик при проветривании таким расходом воздуха, его температу-
Рис. 4. Температура удаляемого из тоннеля воздуха при проветривании среднесуточным расходом воздуха при глубине заложения тоннеля 5,10 и 20 м
Fig. 4. Temperature of removed from the tunnel airin case of ventilating with daily average airflowdepth for 5, 10 and 20 m tunnel depth
ра в тоннеле будет превышать нормативные +33 °С (рис. 4).
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 (рассчитаны с учетом суточного изменения температуры наружного воздуха и при температуре внутреннего воздуха +33°) будут значительно превышать
возможности оборудования тоннельной вентиляции (рис. 5). 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).
В теплый период для сокращения воздухообмена можно применять адиабатный способ охлаждения воздуха. Сущность этого способа заключается в том,
Часы суток, ч
Рис. 5. Почасовой расход воздуха для выноса теплоизбытков при различной глубине заложения двухпутного тоннеля
Fig. 5. Hourly airflow for the removing of excess heat for different depth of double-track tunnel laying
Рис. 6. Процесс обработки воздуха в камере орошения Fig. 6. Processing of air in the irrigation chamber
что при разбрызгиваниив 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:
^охл _
тр сав - ^ )р мт.
где (мт. и рмт. — 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% [12] температура удаляемого воздуха снижается не менее, чем на 2 °С. За расчетный принимается наиболее теплый месяц. Для него можно описать изменение суточное изменение температуры и относительной влажности на-
ружного воздуху: согласно [10], средняя месячная относительная влажность воздуха наиболее теплого месяца составляет 73%, средняя месячная относительная влажность воздуха в 15 часов составляет 60%. Для расчетного месяца температура удаляемого воздуха при адиабатном охлаждении снижается на 5—6 °С. На рис. 6 показана id-диаграмма с процессом обработки воздуха в камере орошения в промежутке времени между 14 и 15 часами для глубины заложения 20 м. Точка Н — наружный воздух, с температурой соответствующей данному промежутку времени (+27,7 °С); О — воздух после камеры орошения, т.е. наружный воздух, охлажденный до температуры мокрого термометра (+22,3 °С); В — воздух, удаляемый из тоннеля (+33 °С).
Выводы
Определены расходы воздуха для поддержания нормативных требований в метрополитене с двухпутным тоннелем. Показано, что для их обеспечения требуемые параметры оборудования существенно превышают возможности тоннельных вентиляторов.
Проведено обоснование применения адиабатного охлаждения воздуха для проветривания метрополитена и определена его эффективность.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Kim M., Braatz R. D., Kim J. T., Yoo C. Indoor air quality control for improving passenger health in subway platforms using an outdoor air quality dependent ventilation system // Building and Environment. 2015. No 92. Pp. 407—417.
2. Kim M., Liu H., Kim J. T., Yoo C. Sensor fault identification and reconstruction of indoor air quality (IAQ) data using a multivariate non-Gaussian model in underground building space // Energy Build. 2013. № 66. Pp. 384—394.
3. Метрополитены СНГ — статистика [Электронный ресурс]. URL: www.mrl.ucsb.edu/ ~yopopov/transit/statistics.html (дата обращения 20.05.2016).
4. Московский метрополитен. Годовые отчеты [Электронный ресурс]. URL: old.mosmetro. ru/press/reports (дата обращения 20.05.2016).
5. Метромост. Транспортный журнал. Новые вагоны метрополитена в 2012—2013 годах [Электронный ресурс]. URL: www.metromost.com/?p=1284 (дата обращения 20.05.2016).
6. Кияница Л.А. Исследование тепловыделений по длине линии метрополитена с двухпутным тоннелем и станциями закрытого типа / Материалы Всероссийской научно-технической конференции «Энергосбережение и энергоэффективность на промышленных предприятиях и в жилищно-коммунальном хозяйстве», посвященной памяти д-ра техн. наук, профессора, А.А. Сандера. — Новосибирск: НГАСУ (Сибстрин), 2016. — С. 123—132.
7. Павлов Н. Н. Справочник проектировщика. Внутренние санитарно-технические устройства. Ч. 3. Вентиляция и кондиционирование воздуха. Кн. 1. — М.: Стройиздат, 1992. — 319 с.
8. Лугин И. В., Алферова Е.Л. Влияние годовой цикличности изменения теплового потока в грунт на расчетный тепловой баланс двухпутного тоннеля метрополитена // Интерэкспо ГеоСибирь. —2016. — Т. 2. — № 3. — С. 191—196.
9. Красюк А. М., Лугин И. В. Экспериментальное исследование температуры обделок тоннеля и массива окружающего грунта в метрополитенах мелкого заложения // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2008. — № 3. — С. 124—129.
10. СП 131.13330.2012. Строительная климатология. Актуализированная редакция СНиП 23-01-99*. Введ. 01.01.2013. — М., 2012.
11. СП 120.13330.2012. Метрополитены. Актуализированная редакция СНиП 32-022003. Введ. 01.01.2013. — М., 2012. — 267 с.
12. Погода и климат. Климат Москвы [Электронный ресурс]. URL: http://www.pogodaiklimat. ru/climate/27612.htm (дата обращения 25.12.2016). ЕШ
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ
Алферова Елена Леонидовна1 — младший научный сотрудник, e-mail: alferova@mosk.ru,
Лугин Иван Владимирович1 — кандидат технических наук, доцент, старший научный сотрудник,
1 Институт горного дела им. Н.А. Чинакала Сибирского отделения РАН.
ISSN 0236-1493. Gornyy informatsionno-analiticheskiy byulleten'. 2018. No. 11, pp. 63-69.
Generation and maintenance of the required air parameters in subway tunnels during warm seasons
Alferova E.L.1, Junior Researcher, e-mail: alferova@mosk.ru, Lugin I.V.1, Candidate of Technical Sciences, Assistant Professor, Senior Researcher,
1 Chinakal Institute of Mining of Siberian Branch of Russian Academy of Sciences, 630091, Novosibirsk, Russia.
Abstract. Heat buildup in subway tunnels in warm seasons is a major hazard which can be removed using fan units. At the present time, the problem of heat processes and microclimate maintenance in subways with double-track tunnels is studied insufficiently. This article discusses ventilation performance
in subway with double-track tunnels using data on the busiest line of the Moscow Metro (Taganka-Kras-naya Presnya). Heat buildup from trains and passengers is estimated, and temperature balances are determined for tunnels at different depths of occurrence: 5, 10 and 20 m. The required and daily air flows are calculated for the hottest month of the year (July) using established standards and statistical data. The article shows that the estimated daily air flow fails to meet regulatory requirements, and the outlet air temperature greatly exceeds the standard of +33 °C. The required air flow rate in case of adjustable ventilation is determined. However, the resultant demands imposed on fan capacity considerably exceed capabilities of the available ventilation equipment: for the time span between 6 and 5 p.m. on the hottest day of the warmest month, the required capacity of a fan in the concurrent operation of two fans makes 273 m3/s. It is suggested to cool air by adiabatic humidification in air washer. Under adiabatic humidification, the outlet air temperature can be reduced on average no less than by 2 °C in warm seasons and by 5-6 °C on the hottest day of the warmest month.
Key words: subway, ventilation, temperature balance, occurrence depth, climatic parameters, air cooling, air humidification, warm season.
DOI: 10.25018/0236-1493-2018-11-0-63-69
REFERENCES
1. Kim M., Braatz R. D., Kim J. T., Yoo C. Indoor air quality control for improving passenger health in subway platforms using an outdoor air quality dependent ventilation system. Building and Environment. 2015. No 92. Pp. 407-417.
2. Kim M., Liu H., Kim J. T., Yoo C. Sensor fault identification and reconstruction of indoor air quality (IAQ) data using a multivariate non-Gaussian model in underground building space. Energy Build. 2013, no 66. Pp. 384-394.
3. MetropolitenySNG — statistika, available at: www.mrl.ucsb.edu/~yopopov/transit/statistics.html (accessed 20.05.2016).
4. Moskovskiy metropoliten. Godovye otchety, available at: old.mosmetro.ru/press/reports (accessed 20.05.2016).
5. Metromost. Transportnyy zhurnal. Novye vagony metropolitena v 2012—2013 godakh, available at: www.metromost.com/?p=1284 (accessed 20.05.2016).
6. Kiyanitsa L. A. Issledovanie teplovydeleniy po dline linii metropolitena s dvukhputnym tonnelem i stant-siyami zakrytogo tipa [Heat buildup along the line of subway with double-track tunnels and enclosed-type stations], Materialy Vserossiyskoy nauchno-tekhnicheskoy konferentsii «Energosberezhenie i energoeffek-tivnost' na promyshlennykh predpriyatiyakh i v zhilishchno-kommunal'nom khozyaystve», posvyashchennoy pamyati d-ra tekhn. nauk, professora, A.A. Sandera. Новосибирск, NGASU (Sibstrin), 2016, pp. 123—132. [In Russ].
7. Pavlov N. N. Spravochnik proektirovshchika. Vnutrennie sanitarno-tekhnicheskie ustroystva. Ch. 3. Ventilyatsiya i konditsionirovanie vozdukha. Kn. 1 [Designer's manual. Internal sanitary-and-engineering installations. Part 3. Air ventilation and conditioning. Book 1], Moscow, Stroyizdat, 1992, 319 p.
8. Lugin I. V., Alferova E. L. Vliyanie godovoy tsiklichnosti izmeneniya teplovogo potoka v grunt na raschet-nyy teplovoy balans dvukhputnogo tonnelya metropolitena [Effect of annual cycling of heat flow in soil on the estimated temperature balance in double-track subway tunnel]. Interekspo Geo-Sibir'. 2016. Vol. 2, no 3, pp. 191—196. [In Russ].
9. Krasyuk A. M., Lugin I. V. Eksperimental'noe issledovanie temperatury obdelok tonnelya i massiva okruzhayushchego grunta v metropolitenakh melkogo zalozheniya [Experimental research of temperature in tunnel lining and adjacent rock mass in case of shallow subways]. Gornyy informatsionno-analiticheskiy byulleten'. 2008, no 3, pp. 124—129. [In Russ].
10. Stroitel'naya klimatologiya SP 131.13330.2012. Aktualizirovannaya redaktsiya SNiP 23-01-99* [Construction climatology SP 131.13330.2012. Updated edition of Construction norms and regulations SNiP 23-01-99*], Moscow, 2012.
11. Metropoliteny SP 120.13330.2012. Aktualizirovannaya redaktsiya SNiP 32-02-2003 [Метрополитены СП 120.13330.2012. Актуализированная редакция СНиП 32-02-2003], Moscow, 2012, 267 p.
12. Pogoda i klimat. Klimat Moskvy, available at: http://www.pogodaiklimat.ru/climate/27612.htm (accessed 25.12.2016).
