CC BY
15
DOI: 10.12845/bitp.43.3.2016.19
prof. dr hab. inz. Stanislaw Nawrat1 dr inz. Natalia Schmidt-Polonczyk1 mgr inz. Sebastian Napieraj1
Przyjfty/Accepted/Принята: 29.06.2016; Zrecenzowany/Reviewed/Рецензирована: 22.08.2016; Opublikowany/Published/Опубликована: 30.09.2016;
Mozliwosci stosowania technologii oczyszczania powietrza z zanieczyszczen gazowych w tunelach drogowych2
Possibility of Using Air Purification Technology From Gas Pollution
in Road Tunnels
Возможность использования технологии очистки воздуха от газовых загрязнений в дорожных туннелях
ABSTRAKT
Cel: Budowa tuneli drogowych szczegolnie na terenach zurbanizowanych pozwala zmniejszyc emisj^ zanieczyszczen gazowych w miejscu wybudowanego tunelu, ale jednoczesnie powoduje znaczne zwi^kszenie st^zen tych zanieczyszczen w rejonie wylotu zuzytego powietrza z tunelu. W artykule przedstawiono symulaj rozprzestrzeniania si£ ditlenku azotu pochodz^cego ze spalin samochodowych w rejonie analizowanej ulicy oraz symulaj zmiany jego st^zen w przypadku budowy tunelu z wentylaj wzdluzn^ bez systemu oczyszczania powietrza oraz z zabudowanym systemem oczyszczania powietrza. Przeprowadzono analiz^ skutecznosci stosowania technologii oczyszczania powietrza wentylacyjnego z tuneli.
Wprowadzenie: Wedlug raportow dotycz^cych jakosci powietrza Polska nalezy do najbardziej zanieczyszczonych panstw w Europie. Glownym powodem wysokiego st^zenia zanieczyszczen w powietrzu w miastach s^ emitowane spaliny samochodowe. Jedn^ z metod ograniczenia zawartosci zanieczyszczen stalych i gazowych w powietrzu w miastach jest budowa drogowych tuneli komunikacyjnych. Rozwiqzanie to powoduje znaczne zmniejszenie emisji zanieczyszczen, szczegolnie gazowych w obszarze tunelu. Niemniej jednak odprowadzane powietrze wentylacyjne z tunelu generuje lokalnie w rejonach wylotow z tuneli podwyzszony poziom st^zenia zanieczyszczen. Na swiecie stosowane s^ systemy oczyszczania duzych strumieni powietrza wentylacyjnego tuneli z zanieczyszczen stalych i gazowych - przykladami s^ tunele Mont Blanc w Alpach l^cz^cy Chamonix we Francji z Courmayeur we Wloszech oraz tunel M30 w Madrycie. W takich tunelach powietrze wentylacyjne jest oczyszczane przed jego usuni^ciem do atmosfery.
Metodologia: W celu zbadania wplywu tunelu drogowego na poziom st^zenia wybranych zanieczyszczen w powietrzu wybrano koncepcyjn^ lokalizaj budowy tunelu drogowego w Warszawie w ci^gu ulicy Wawelskiej. Emisja wybranych zanieczyszczen gazowych pochodz^cych ze spalin silnikow samochodowych do atmosfery zostala zamodelowana nowoczesnym oprogramowaniem Computational Fluid Dynamics. W tym zakresie przeprowadzono analiz^ trzech przypadkow: stanu istniej^cego w rejonie ulicy Wawelskiej (ruch pojazdow ci^giem drogowym), budowy tunelu z wentylaj wzdluzn^ bez oczyszczania powietrza wentylacyjnego z tunelu oraz budowy tunelu z wentylaj wzdluzn^ z systemem oczyszczania powietrza z tunelu. Nast^pnie wyniki badan st^zen zanieczyszczen w powietrzu dla analizowanych przypadkow zostaly porownane. Wnioski: Rezultaty analiz numerycznych zestawione z przeprowadzonymi przez pracownikow Politechniki Warszawskiej wynikami badan st^zen zanieczyszczen powietrza w rejonie ulicy Wawelskiej w Warszawie potwierdzily przyj^te zalozenia dotycz^ce modelowania numerycznego stanu obecnego. Efekty analiz dotycz^cych prognozowanego st^zenia zanieczyszczen w powietrzu dla wariantu budowy tunelu bez systemu oczyszczania powietrza wykazaly znaczne zmniejszenie zanieczyszczen w rejonie ulicy Wawelskiej oraz spore przekroczenia dopuszczalnych st^zen zanieczyszczen przy wylotach z portali tuneli. Ponadto wyniki badan numerycznych potwierdzily, ze budowa tunelu wraz z systemem oczyszczania powietrza wentylacyjnego jest najkorzystniejszym rozwi^zaniem prowadz^cym do zmniejszenia poziomu zanieczyszczen w rejonie ulicy Wawelskiej w Warszawie.
Slowa kluczowe: tunel, wentylacja tuneli, oczyszczanie powietrza, zanieczyszczenia. Typ artykulu: artykul przegl^dowy
ABSTRACT
Aim: Road tunnel construction, especially in urban areas, leads to the reduction in the emission of solid and gaseous pollutants within the area of the constructed tunnel, and at the same time to a significant increase in the concentration of this pollution in the areas where the exhaust
1 AGH Akademia Gorniczo-Hutnicza / AGH University of Science and Technology; [email protected];
2 Autorzy wniesli rowny wklad merytoryczny w opracowanie artykulu / The authors contributed equally to this article;
D01:10.12845/bitp.43.3.2016.19
air is discharged from the tunnel. The article presents a simulation of how nitrogen dioxide coming from car exhaust spreads in the area of the analyzed street and a simulation of changes in its concentration in the case of tunnel building with longitudinal ventilation with and without air purification system. At the same time analysis of the effectiveness of using air purification technology in tunnels was carried out. Introduction: Reports concerning air quality in Europe place Poland among the most polluted countries. Exhaust emission from cars is the main reason for the high concentration of air pollutants in cities. Construction of road tunnels is one of the methods to reduce the content of solid and gaseous pollutants in the air in cities. This solution leads to a significant reduction in the emission of pollutants, especially gaseous ones, within the area of a tunnel; however, the ventilation air discharged from the tunnel generates locally, in the areas of tunnel portals, an increased concentration level of solid and gaseous pollutants. All over the world, in city tunnels, systems of purifying large volumes of ventilation air streams from solid and gaseous pollutants are used - examples are Mont Blanc tunnel in Alps connecting Chamonix in France and Courmayeur in Italy and the M30 tunnel in Madrid, where ventilation air from the tunnels is purified before it is removed to the atmosphere. Methodology: In order to study the impact of a road tunnel on the concentration levels of selected air pollutants, a location included in the conceptual design of a road tunnel in Warsaw, along Wawelska Street, was selected. The emission of selected gaseous pollutants from car engines was modelled using Computational Fluid Dynamics for the current situation on Wawelska Street (vehicle traffic on the road), for the construction of a tunnel with a longitudinal ventilation without an air purification system, and for the construction of a tunnel with longitudinal ventilation with an air purification system. The levels of air pollution concentration for the analysed cases were juxtaposed with one another. Conclusions: The comparison of the results of numerical analyses with the results of the air pollution concentration study in the area of Wawelska street in Warsaw, which was conducted by the Warsaw University of Technology staff, confirmed the adopted numerical modelling assumptions for the current state. The results of the analyses concerning the predicted concentration of air pollution in the variant of tunnel construction without an air purification system showed a significant reduction in pollution in the area of Wawelska Street and largely exceeded pollution concentration limits in the area of the tunnel portals. Moreover, the results of numerical analyses confirmed that the construction of a tunnel with an air purification system was the most favourable solution, leading to the reduction of pollution in the area of Wawelska Street in Warsaw.
Keywords: tunnel, tunnel ventilation, air purification, pollutants Type of article: review article
АННОТАЦИЯ
Цель: Строительство автодорожных туннелей, особенно в городских районах, позволяет уменьшить количество выбросов газовых загрязнений в месте построенного туннеля, но одновременно значительно увеличивает концентрацию этих загрязнений около места выброса отработанного воздуха из туннеля. В статье представлено моделирование распространения диоксида азота, поступающего из автомобилей в районе анализируемой улицы, а также моделирование изменений его концентрации в случае построения туннеля с системой продольной вентиляции без системы очистки воздуха и туннеля с встроенной системой очистки воздуха. Проведен анализ эффективности использования технологии очистки вентиляционного воздуха из туннелей.
Введение: Согласно отчетам по качеству воздуха в Европе, Польша является одной из наиболее загрязненных стран. Основной причиной высокой концентрации загрязнения воздуха в городах являются выхлопные газы автомобилей. Одним из способов уменьшения содержания стойких и газовых веществ в воздухе в городах является постройка автодорожных туннелей. Это решение приводит к значительному сокращению выбросов, в частности газа, в районе туннеля. Однако, выделяемый вентиляционный воздух, выходящий из туннеля, местно генерирует в районе его выбросов повышенные концентрации загрязнений. В мире используются системы для очистки больших потоков вентиляционного воздуха туннелей от стойких загрязняющих веществ и газов - примерами являются туннели Монблан в Альпах, который соединяет Шамони во Франции и Курмайор в Италии, а также туннель M30 в Мадриде. В таких туннелях вентиляционный воздух перед выбросом в атмосферу проходит очистку.
Методология: Для изучения влияния автодорожного туннеля на уровень концентрации отдельных вредных веществ в воздухе было выбрано проектное местоположение строительства автодорожного туннеля в Варшаве на улице Вавельской. Выброс в атмосферу отдельных газовых загрязнений из выхлопных газов автомобильных двигателей был смоделирован с использованием современного программного обеспечения CFD. В связи с этим был проведен анализ 3 следующих случаев: текущей ситуации в районе улицы Вавельской (движение машин на улице), постройки туннеля с системой продольной вентиляции без очистки вентиляционного воздуха и постройки туннеля с системой продольной вентиляции с очисткой воздуха, выходящего из туннеля. Затем результаты испытаний концентрации загрязняющих веществ в анализируемых случаях были сопоставлены друг с другом.
Выводы: Результаты численного анализа в сравнении с результатами исследований концентрации загрязнений в районе улицы Вавельской в Варшаве, проведенными сотрудниками Варшавского политехнического университета, подтвердили принятые предположения, касающиеся численного моделировании текущей ситуации. Результаты анализа прогнозируемой концентрации загрязнений в воздухе для варианта постройки туннеля без системы очистки воздуха показали значительное снижение уровня загрязнения в районе улицы Вавельской и большое превышение допустимых концентраций вредных веществ при выездах из туннеля. Кроме того, результаты численных исследований подтвердили, что строительство туннеля вместе с системой очистки вентиляционного воздуха является наилучшим решением, которое приведет к снижению уровня загрязнения в районе улицы Вавельской в Варшаве.
Ключевые слова: туннель, вентиляция туннеля, очистка воздуха, загрязнение Вид статьи: оригинальная научная статья
1. Wprowadzenie
Rozwoj infrastruktury miejskiej i zwi^zane z nim wysokie nat^zenie ruchu drogowego w miastach spowodowaly wzrost po-ziomu zagrozen srodowiskowych na terenach zurbanizowanych. Dotyczy to przede wszystkim zagrozen o charakterze chemicznym (zanieczyszczenia powietrza) oraz fizycznym (halas, wibracje).
W celu zmniejszenia wplywu uci^zliwych dla mieszkan-cow miast zagrozen srodowiskowych zwi^zanych z ruchem
pojazdow samochodowych budowane s^ mi^dzy innymi miejskie tunele drogowe.
Zanieczyszczenia w tunelach drogowych zwi^zane s^ najcz^sciej ze szkodliwymi gazami emitowanymi przez po-ruszaj^ce si§ w nich pojazdy samochodowe, nadmiernym wydzielaniem ciepla oraz pylow. Dodatkowym czynnikiem, ktory wplywa na podwyzszone st^zenia zanieczyszczen w tunelach, s^ zatory drogowe. Emisja spalin wynikaj^ca
ТЕХНИКА И ТЕХНОЛОГИЯ
z ruchu pojazdow zalezy od nat^zenia i plynnosci ruchu, typu silnika przejezdzaj^cych przez tunele pojazdow, ich stanu technicznego, rodzaju paliwa i uksztaltowania trasy. Spaliny w tunelu s^ rezultatem pracy silnikow samochodo-wych, w ktorych nast^puje zamiana energii chemicznej na mechaniczn^ [1].
Za podstawowe substancje zanieczyszczaj^ce atmosfer^, emitowane przez silniki spalinowe uwaza si§ m.in.: tlenek w^gla, w^glowodory, aldehydy, sadz^, tlenki azotu, ditlenek azotu oraz ditlenek siarki. Ponadto przejezdzaj^ce pojazdy generuj^ takze inne substancje zanieczyszczaj^ce atmosfe-tunelu pochodz^ce np. ze zuzywaj^cych si§ opon czy tez olejow [1].
Wykonane badania jakosci powietrza w UE [2-3] wyka-zaly przekroczenie dopuszczalnych norm zanieczyszczenia powietrza, mi^dzy innymi w zakresie emisji spalin samocho-dowych ditlenku azotu - ryc. 1.
Wedlug Glownego Urz^du Statystycznego sredni wiek sa-mochodu w Polsce wynosi 15 lat (zob. tabela 1). Okolo 30% samochodow w tym wieku posiada silniki wysokopr^zne. Pojazdy te emituj^ znaczne ilosci zanieczyszczen do powietrza i wpiywaj^ na przekroczenie dopuszczalnych poziomow zanieczyszczen [5].
D01:10.12845/bitp.43.3.2016.19
2. Budowa tuneli w celu zmniejszenia zagrozen srodowiskowych
Wykonywane badania jakosci powietrza w Warszawie potwierdzaj^ przekroczenie dopuszczalnych st^zen zwi^zkow gazowych i stalych. Jednym z miejsc, w ktorych zanotowano przekroczenie, jest rejon ulicy Wawelskiej. Prowadzone przez pracownikow Politechniki Warszawskiej [6] badania skladu powietrza na tej ulicy wykazaly wysokie st^zenia mi^dzy innymi ditlenku azotu (wynosz^ce ponad 100 pg/m3). Zmie-rzone zanieczyszczenia gazowe s^ zmienne w czasie i silnie skorelowane z nat^zeniem ruchu pojazdow (ryc. 2).
Nat^zenie ruchu pojazdow w dni robocze w ci^gu ulicy Wawelskiej wynosi od ok. 20 do ok. 75 tys. pojazdow na dob§, a sred-nia pr^dkosc ruchu pojazdow wynosi ok. 31 km/h. W zwi^zku z tym podejmowane s^ dzialania zmierzaj^ce do budowy tu-nelu, ktory mialby zmniejszyc wplyw zanieczyszczen pocho-dz^cych od ruchu samochodowego w rejonie ulicy Wawelskiej na jej mieszkancow. Planowana dlugosc tunelu wynioslaby ok. 1000 m. Zalozono, ze tunel b^dzie przewietrzany wentyla j wzdluzn^, tj. swieze powietrze wentylacyjne b^dzie doplywalo do tunelu calym przekrojem portalu wlotowego. Poprzez „efekt tloka" przejezdzaj^cych pojazdow lub/i zastosowanie wentylato-row typu „jet-fan" tloczone b^dzie do portalu wylotowego, poprzez ktory razem z zanieczyszczeniami pochodzijcymi z ruchu samochodowego, b^dzie emitowane do atmosfery (ryc. 3).
Ryc. 1. Roczne stfzenie ditlenku azotuw201 3 r. wyrazone w [(ig/m3] (czerwone i ciemnoczerwone kropki wskazuj^ stacje pomiarowe, na ktorych zostal przekroczony dopuszczalny poziom sredniorocznego stfzania ditlenku azotu,okreslonego w prawodawstwie UE, wyncsz^cego 40 [(ig/m3]) [4] Fig. 1. Annual concentration of nitrogen dioxide in 2013 expressed in [(g/m3] (red and dark-red dots indicate measuring stations where the annual average limit value for nitrogen dioxide, defined by EU regulations and
amounting to 40 [(g/m3], was exceeded) [4]
D01:10.12845/bitp.43.3.2016.19
Tabela 1. Samochody osobowe, motocykle i motorowery wedlug grup wiekowych - stan na rok 2014 [5] Table 1. Passenger cars, motorcycles and mopeds, according to age group - 2014 levels [5]
L.p. / No. Wiek / Age Samochody osobowe [%] Passenger cars [%]
1 Do 1 roku/ Up to 1 year 2,6
2 2 lata/ 2 years 1,5
3 3 lata/ 3 years 1,7
4 4-5 lat/ 4-5 years 3,3
5 6-7 lat/ 6-7 years 5,6
6 8-9 lat/ 8-9 years 6,0
7 10-11 lat/ 10-11 years 7,7
8 12-15 lat/ 12-15 years 18,5
9 16-20 lat/ 16-20 years 21,8
10 21-25 lat/ 21-25 years 12,0
11 26-30 lat/ 26-30 years 7,1
12 31 i starsze/ 31 and older 12,2
tin Tun»
-H03 -
Ryc. 2. Zaleznosc stfzenia NO2 od natfzenia ruchupojazdow na tj-l. Wawelskiej [6] JFigi;. 2. Correlation between NO2 concentration and vehicle traffic on Wawelska Street [6]
Ryc. 3. Projektowana trasa tunelupod ulic^ Wawelsk^ Fig. 3. Planned tunnel route under Wawelska Street Zrodlo: Opracowanie wlasne z wykorzystaniem map Google: mapy.google.pl. Source: Own elaboration with the use of Google maps: maps.google.com.
ТЕХНИКА И ТЕХНОЛОГИЯ
3. Metoda badawcza wykorzystana do oceny rozprzestrzeniania siç zanieczyszczen gazowych
Do analizy skutecznosci stosowania wybranych systemow wentylacji tuneli wykorzystywane s^ programy CFD m.in. jak w pracy [7]. Do wykonania badan rozplywu zanieczyszczen gazowych zwi^zanych z ruchem pojazdow w rejonie ulicy Wawelskiej wykorzystano program Fire Dynamics Simulator (FDS) bazuj^cy na numerycznej mechanice plynow (ang. Computational Fluid Dynamics - CFD). Modele CFD odzwierciedlajc parametry danego obiektu lub zjawiska z do-ktadnosci^ zalozon^ przez projektanta. Pomimo coraz wiçk-szych mozliwosci wspolczesnych komputerow, w akceptowal-nym czasie udaje siç osi^gn^c jedynie przyblizone rozwi^za-nia badanych problemow i zjawisk w duzej skali. Ze wzglçdu na zlozonosc rozwazanego przypadku w przeprowadzonych symulacjach przyjçto pewne zalozenia upraszczaj^ce doty-cz^ce miçdzy innymi: warunkow atmosferycznych (przyjçto prçdkosc wiatru na poziomie 0 km/h), braku turbulencji po-wietrza wynikaj^cej z ruchu pojazdow, niewystçpowanie do-datkowych zanieczyszczen powietrza pochodz^cych z innych zrodel.
Programy CFD opieraj^ siç na rozwi^zywaniu rownan Navier-Stokesa, ktore opisujc powi^zanie ze sob^ wartosci prçdkosci, cisnienia, lepkosci oraz gçstosci poruszaj^cego siç plynu. Omawiane rownania s^ rozszerzeniem rownan Eule-ra, ktore uwzglçdniajc lepkosc plynu oraz bazujc na trzech podstawowych zasadach: zachowania masy, zachowania pçdu (druga zasada dynamiki Newtona) oraz zachowania energii (pierwsze prawo termo dynamiki) [8]. W celu wyznaczenia konkretnych wielkosci z tych rownan uzywane s^ rozne me-tody dyskretyzacji, takie jak: metoda skonczonych objçtosci (finite volume method), metoda elementow skonczonych (finite element method) oraz metoda roznic skonczonych (finite difference method). W rozpatrywanym przypadku wykorzystano metodç objçtosci skonczonych.
4. Przyjçte zalozenia emisji spalin przez pojazdy w rejonie ul. Wawelskiej
W celu wykonania obliczen rozplywu zanieczyszczen gazowych w rejonie ul. Wawelskiej przyjçto nastçpuj^ce zalozenia dotycz^ce emisji NOx dla pojazdow samochodowych, wykonanych zgodnie z normami EURO [9]:
• ruch samochodowy - 75 000 poj./dobç [6],
• emisja NOx dla samochodow z silnikiem spalinowym i diesla wraz z przyporz^dkowaniem procentowym grup wieku samochodow do odpowiedniej normy emisji - ta-bela 2.
W wyniku przeprowadzonych obliczen uzyskano dzienn^
D01:10.12845/bitp.43.3.2016.19
emisjç ditlenku azotu pochodz^cego ze spalin samochodowych dla badanego odcinka drogi o dlugosci 1 km w wielkosci 17 080 g.
5. Wplyw zastosowania systemow oczyszczania powietrza wentylacyjnego z tunelu na poziom wybranych zanieczyszczen gazowych w rejonie wyrzutni
Powietrze w tunelach bardzo czçsto wymaga oczyszczania z zanieczyszczen stalych i gazowych. Ma ono na celu zapew-nienie komfortu i bezpieczenstwa uzytkownikow drog oraz ograniczenie emisji zanieczyszczen usuwanych z tunelu do atmosfery [10]. Stacja oczyszczania zuzytego powietrza po-winna skladac siç z filtra cz^stek stalych oraz filtra wybranych zanieczyszczen gazowych.
Oczyszczanie powietrza z zanieczyszczen stalych i gazo-wych w tunelu powinno byc realizowane rowniez ze wzglçdu na zapewnienie dobrych warunkow widocznosci, odpowiedniej jakosci powietrza podczas eksploatacji tunelu i w jego otoczeniu. Istnieje wiele metod oczyszczania powietrza z za-nieczyszczen emitowanych przez instalacje przemyslowe, w tym przez silniki spalinowe.
Neutralizacj a zanieczyszczen gazowych, jak na przyklad ditlenku azotu, odbywa siç w specjalnych filtrach. Usuwanie tlen-kow azotu NOx jest zlozonym procesem. Wymaga w pierwszej kolejnosci oczyszczenia powietrza z cz^stek stalych - najczç-sciej z wykorzystaniem elektrofiltrow (electrostatic precipitator - ESP). Usuwanie zanieczyszczen gazowych odbywa siç na za-sadzie absorpcji lub adsorpcji na absorbentach lub adsorben-tach. Znan^ technologic usuwania zanieczyszczen gazowych, w tym ditlenku azotu, jest adsorpcja przy uzyciu wodorotlenku potasu KOH na materiale pochlaniaj^cym. W wyniku reakcji z KOH lub w wyniku adsorpcji ditlenku azotu z materialem nas^czonym siarczanem sodu Na2SO4 [10] powstaj^ zwi^zki KNO2 i KNO3. Systemy te pozwalajc na oczyszczenie powietrza z ponad 90% zanieczyszczen w tym NO2. Do dalszej czçsci analizy przyjçto zastosowanie filtrow oczyszczaj^cych powie-trze wentylacyjne z ditlenku azotu przy uzyciu wodorotlenku potasu ze sprawnosci^ 90%.
Przeprowadzono analizç numeryczn^ budowy tunelu ze stacja oczyszczania powietrza z NO2 a wyniki stçzen ditlenku azotu na wysokosci 2 m nad poziomem terenu naniesiono na mapç.
Przeprowadzone analizy rozprzestrzeniania siç ditlenku azotu - skladnika spalin samochodowych w rejonie ulicy Wa-welskiej w Warszawie wykazaly maksymalne stçzenia do 150 |igNO2/m3 w rejonie wyrzutni powietrza oraz 0 |igNO2/m3 na powierzchni terenu, wzdluz tunelu, okreslone na podstawie badan numerycznych dla wariantu budowy tunelu drogowe-go ze stacja oczyszczania powietrza.
Emisja NO silniki spalinowe [g/km] NO combustion engines X [g/km] Emisja NO silniki diesla [g/km] NO diesel engines [g/ X km] Data wprowadzenia Date of introduction % floty pojazdow % car fleet
Pre EURO 2,5 - 21,5
EURO 1 0,15 0,55 1993 13,0
EURO 2 0,15 0,55 1996 11,5
EURO 3 0,15 0,50 2000 19,5
EURO 4 0,08 0,25 2006 8,0
EURO 5 0,06 0,18 2009 18,5
EURO 6 0,06 0,08 2014 8,0
Tabela 2. Normy emisji spalin dotycz^ce emisji NO , daty wprowadzenia norm oraz udzial procentowy floty samochodow w Polsce [9], [5] Table 2. Exhaust emission standards concerning for NO2 emissions, date of standard introduction, and the percentage share of car fleet in Poland [9], [5]
DOI:10.12845/bitp.43.3.2016.19
Wyniki przeprowadzonej symulacji komputerowej po-zwalaje stwierdzic, ze budowa tunelu z systemem oczyszczania powietrza w ci^gu ulicy Wawelskiej przyczyni siç do zmniejszenia emisji zanieczyszczen gazowych w analizowa-nym rejonie (ryc. 4).
6. Analiza numeryczna rozplywu zanieczyszczen gazowych pochodz^cych z ruchu pojazdów w ci^gu ul. Wawelskiej
Z wykonanych obliczen emisji spalin wynika, ze dla przy-jçtego natçzenia ruchu, na odcinku l km w ci^gu doby do atmosfery emitowane jest И 0В0 g ditlenku azotu. Przepro-wadzona analiza numeryczna pozwolila naniesc obliczone
stçzenia NO2 na wysokosci 2 m nad poziomem gruntu na mapç terenu dla warunkow stanu istniej^cego (ryc. 5) oraz dla przypadku wybudowania tunelu bez stacji oczyszczania powietrza (ryc. 6).
Przeprowadzone analizy rozprzestrzeniania siç ditlenku azotu - skladnika spalin samochodowych w rejonie ulicy Wa-welskiej w Warszawie - pozwolily okreslic:
a) maksymalne stçzenia do 100 |gNO2/m3 na calej dlugosci jezdni na podstawie badan numerycznych dla wariantu bez budowy tunelu drogowego - stan obecny,
b) maksymalne stçzenia do 1500 |gNO2/m3 w rejonie wy-rzutni powietrza oraz 0 |gNO2/m3 na powierzchni terenu, wzdluz tunelu, na podstawie b adan numerycznych dla wariantu budowy tunelu drogowego bez stacji oczyszcza-nia powietrza.
^Vr -ofr? ES Г»
7
«wí- - ■ L "* -JÏ" ^ Tí* *
1,1
* - ^tjT S ^L • *4|
Ai fí / rt* .(.-- 1
. ятш
! IV
i in • tri Í
i; -г
1
Ryc. 4. Srednie dobowe stezenie NO, pochodz^ce od ruchu samochodowego analizowanego odcinka ulicy Wawelskiej z uwzglednieniem budowy tunelu ze stacj oczyszczaniapowietrzawylotowego, ( kolorem czerwonym zaznaczono koncentracje 100-150 (igNO2/m3, kolorem
zielonym koncentracte 60-100^gN02jm3, kolorem niebieskim koncentracje0- 60 (igNO2/m3) Fig. 4. Average daily concentration of NO2 from car traffic in the analysed section of Wawelska Street, taking into account the construction of a tunnel with an exhaust air purification station (where 100-150 (igNO2/m3 concentrations were marked in red, 60-100 ^gNO2/m3 concentrations were marked in green, and 0-60 (igNO2/m3 wrre marked in blue) Zrodlo: Opracowanie wlasne z wykorzystaniem map Google: mapy.google.pl. Source: Own elaboration with the use of Google maps: maps.google.com.
Ryc. 5. Srednie dobowe stezenie NO2 pochodz^ce od ruchu samochodowego analizowanego odcinka ulicy Wawelskiej, (kolorem czerwonymzaznaczono konceatracje 80-100 (ogNO2/m3, kolorem zielonym koncentracje 40-80 ^gNO2/m3,
kolorem niebieskim koncentracje 0- 40 (igNO2/m3) Fig. 5. Average daily concentration of NO2 from car traffic in the analysed section of Wawelska Street (where 80-100 ^gNO2/m3 concentrations were marked in red, 40-80 (igNO2/m3 concentration were marked in green, and 0-40 (igN02/m3 concentrations
were marked in blue) Zrodlo: Opracowanie wlasne z wkcorzystaniem map Google: mopy.google.pl. Source: Own elaboration with the use of Google maps: maps.google.com.
ТЕХНИКА И ТЕХНОЛОГИЯ D01:10.12845/bitp.43.3.2016.19
Ryc. 6. Srednie dobowe st^zenie NO2 pochodz^ce od ruchu samo chodowego analizowanego odcinka ulicy Wawelskiej z uwzgl^dnieniem wariantu tunelu, (kolorem czerwonym zaznaczono koncentracje 1000-1500 pgNO2/m3, kolorem zielonym koncentracje 600-1000 pgNO2/m3,
kolorem n iebceskim koncentracje 0- 600 (igNO2/m3) Fig. 6. Average daily concentration of NO2 from car traffic in the analysed section of Wawelska Street, taking into account tunnel construction (where 1000-1500 pgNO2/m3 concentrations were marked in red, 600-1000 pgNO2/m3 concentrations were marked in green
and 0-600 (igNO2/m3 concentrations were marked in blue) Zrodlo: Opracowanie wlasne z wykorzystaniem map Google: mapy.google.pl. Source: Own elaboration with theuse of Google maps: maps.google.com.
7. Podsumowanie
Budowa drogowych tuneli komunikacyjnych przyczynia si§ do znacznego zmniejszenia emisji zanieczyszczen stalych i gazowych emitowanych do atmosfery. Dotyczy to zwlaszcza tuneli budowanych w celu przekroczenia np. gory lub wznie-sienia. Poprowadzenie drogi w trudnym terenie görzystym, o znacznej dlugosci i nachyleniu, powoauje, ze poruszaj^ce si§ po niej pojazdy emituj^ duz^ ilosc zanieczyszczen do atmosfery - wi^ksz^ niz w przypadku poruszania si<g w tunelu o znacznie mniejszym nachyleniu i dlugasci.
Budowa tuneli drogowych w miastach ma na celu m.in. zmniejszenie zanieczyszczen stalych i gazowych oraz ograni-czenie halasu i drgan w otoczeniu planowanego tunelu, aby zachowac np. szczegölny charakter dan ego miejsca. Ruch samochodowy prowadzony pod pgwierachni^ terenu powo-duje nagromadzenie zanieczyszczen pochodz^cych ze spalin silnikow samochodowych, ktore musz^ zostac usuni^te z tunelu z powietrzem wentylacyjnym poprzez system wentylacji. Usuwane powietrze, z reguly w jednym lub kilku miejscach (tzw. wyrzutniach), zawiera skumulowane zanieczyszcze-nia zebrane z kilkuset metröw lul) nawet kilku kilometröw, w zaleznosci od dlugosci tunelu i lokaZizacji wyrzutni. Bu-dowa tuneli drogowych na silnie zurbanizowanym terenie z reguly wymaga uwzgl^dnienia stacji oczyszczania powie-trza, tak aby spelnialo ono parametry okreslone w odpowied-nich rozporz^dzeniach. Przyklad takiej stacji znajduje si§ w tunelu drogowym M30 w Madrycie.
8. Wnioski
Przedstawiony material pozwala na wyci^gni^cie nast^-puj^cych wniosköw:
1. Rozwöj infrastruktury transportowej na terenach silnie zurbanizowanych wymaga budowy tuneli drogowych.
2. Tunele drogowe ulatwiaj^ komunikaj oraz stanowi^ ba-rier^ do rozprzestrzeniania si§ zanieczyszczen stalych i ga-zowych oraz halasu na powierzchni terenu, nad tunelem.
3. Wentylacja w tunelach drogowych moze powodowac na-gromadzenie zanieczyszczen stalych i gazowych usuwa-nych z obiektu w rejonie j ego wylotu lub wyrzutni zuzyte-go powietrza.
4. WW celu zapewnienia odpowiednich warunkow srodowi-skowych, w zakresie zanieczyszczen stalych i gazowych, w rejonie wylotu zanieczyszczonego powietrza wentyla-cyjnego z tunelu konieczne jest stosowanie stacji oczysz-czania powietrza, skladaj^cej sif ze specjalnych filtrow do redukcji zanieczyszczen stalych i gazowych.
5. Przeprowadzone badania numeryczne badanego odcinka drogi wykazaly, ze budowa tunelu bez stacji oczyszczania powietrza moze skutkowac lokalnymi (w rejonie portalu wylotowego tunelu) zwifkszonymi stfzeniami ditlen-ku azotu - do 1500 |igNO2/m3, a w przypadku budowy tunelu oe staj oczyszczania powietrza lokalnie do 150 |igNO2/m3.
6. Iiitdowa stacj i oczyszczani p owietrza tuneli powoduje zwifkszenie kosziow budowy o ok 5%, a jej zastosowanie dla tuneli miejskich w wielu przypadkach jest konieczne do zapewnienia odpowiednich wymaganych przepisami stfzen szkodliwych substancji.
Artykul zostal opracowany w ramach grantu: 15.11.100.013
LiCeraturu
[1] Nawrat S., Napieraj S., Schmidt-Polonczyk N., Mozliwosci ogra-niczenia zagrozen srodowiskowych przez zastosowanie tuneli komunikacyjnych, Wydawnictwo Budownictwo Gornicze i Tu-nelowe, Krakow 2014, 11-16.
[2] Uczkiewicz J., Kwiatkowski K.: Ochrona powietrza przed zanie-czyszczeniami Informacja o wynikach kontroli, Najwyzsza Izba Kontroli LKR-4101-007-00/2014 Nr ewid. 177/2014/P/14/086/ LKR, 2014.
[3] Badyda A.J., D^browiecki P., Czechowski P. O., Majewski G., Risk of bronchi obstruction among non-smokers—Review of environmental factors affecting bronchoconstriction, "Respiratory Physiology & Neurobiology" 2015, 209, 39-46.
[4] European Environment Agency: Air quality in Europe - 2015.
[5] Glowny Urz^d Statystyczny: Transport - wyniki dzialalnosci w 2014 r., Warszawa 2015.
[6] Badyda A., Ruch drogowy i zanieczyszczenie powietrza w rejonie ul. Wawelskiej, materialy z konferencji „Wawelska w tunelu", Warszawa 2016.
[7] Bari S., Naser J., Simulation of airflow and pollution levels caused by severe traffic jam in a road tunel, "Tunnelling and Underground Space Technology" 2010, 25(1), 70-77.
[8] McGrattan K., McDermott R., Hostikka S., Floyd J., Overholt K., Fire Dynamics Simulator Technical Reference Guide, Volume 1: Mathematical Model, NIST, Washington 2013.
DOI:10.12845/bitp.43.3.2016.19
[9] Road Tunnels: Vehicle emissions and air demand for ventilation, PIARC Technical Committee on Road Tunnels Operation (C4), France 2013.
[10] Schmidt N., Wybrane aspekty procesu oczyszczania powietrza z zanieczyszczen i wentylacji w tunelach drogowych, „Logistyka" 2013, 4, 484-496.
A A A
prof. dr hab. inz. Stanislaw Nawrat - profesor na Wydziale Görnictwa i Geoinzynierii Akademii Görniczo-Hutniczej im. Stani-slawa Staszica w Krakowie. Kierownik Zamiejscowego Osrodka Dydaktycznego w Jastrzçbiu Zdroju.
dr inz. Natalia Schmidt-Polonczyk - asystentka na Wydziale Görnictwa i Geoinzynierii Akademii Görniczo-Hutniczej im. Stanislawa Staszica w Krakowie. W 2016 roku obronila rozprawç doktorsk^ pt. Ocena mozliwosci stosowania systemu wentylacji wzdluznej w dlugich tunelach drogowych. Obszarem zainteresowan autorki s^ zagadnienia wentylacji, bezpieczenstwa pozarowe-go oraz ewakuacji.
mgr inz. Sebastian Napieraj - asystent na Wydziale Görnictwa i Geoinzynierii Akademii Görniczo-Hutniczej im. Stanislawa Staszica w Krakowie. Pracowal w miçdzynarodowych zespolach, miçdzy innymi w Norwegii, Ukrainie i Niemczech, zajmuje siç zagadnieniami wentylacji i bezpieczenstwa w podziemnych obiektach oraz zwalczaniem zagrozen naturalnych i wykorzystaniem metanu pokladöw wçgla w görnictwie.
