CC BY
19
УДК 624
УПРАВЛЕНИЯ ТЕПЛОВЫМ РЕЖИМОМ ЛИНИЙ
МЕТРОПОЛИТЕНА С ОДНОПУТНЫМИ ТОННЕЛЯМИ
С.Г Гендлер, М.С. Крюкова
Рассматриваются вопросы управления тепловым режимом в метрополитенах. Проведен анализ особенностей формирования термовлажностых параметров воздушной среды в однопутных тоннелях метрополитена. Предложена методика, позволяющая осуществлять тепловые расчеты однопутных тоннелей с учетом сложного закона изменения температуры атмосферного воздуха, интенсивности движения поездов, количества теплоты, использования систем охлаждения воздуха, размещенных в сбойках, прилегающих к станциям.
Ключевые слова: однопутные тоннели, метрополитен, аэродинамические процессы, эксплуатация тоннелей, тепловой режим, подземные сооружения, методика расчета.
Условные обозначения:
Ьст - длина станции, м; 1раз - длина участка разгона, м; /выб- длина участка выбега; /тор - длина участка торможения, м;
* ст. , *ра,> *выб.1> КыЫ, '»„р., 1 ох,> * н - темПературЫ В°ЗДуХа на CTаHЦИИ, В
конце участка разбега, в конце участка выбега перед смешением с наружным воздухом, в конце участка выбега, в конце участка торможения, наружного воздуха 0С;
, , ^ - весовые расходы воздуха, циркулирующего между
станциями, циркулирующего между станцией и сбойкой с воздухоохладителем, подаваемого с поверхности, кг/с;
Ост ., Ораз., Овьб. ., Отор. . - количество теплоты, выделяемое при движении (стоянки) поезда на станциях, участке разгона, участке выбега, участке торможения, кВт;
у - координата, отсчитываемая от начала станции, выбранной в качестве исходной, м;
I- номера участков по длине перегона между станциями /=1, 2, 3, 4 соответствует участкам разгона, выбега до точки смешения с наружным воздухом, выбега до начала участка торможения, торможения;
у - индекс, определяющий временной период расчета; у =1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, соответствует среднегодовому периоду, среднезимнему периоду, среднеянварскому периоду, периоду наиболее холодной пятидневки, среднелетнему периоду, среднеиюльскому периоду, периоду наиболее жарких суток, периоду наиболее высоких дневных температур;
Гсд/ и Му - расчётная температура пород и параметр, вычисляемые
в зависимости от выбранного временного периода, 0С; кВт/м; К - коэффициент нестационарного теплообмена.
Введение
Особое место среди подземных сооружений в мегаполисах занимают метрополитены. Их использование позволяет кардинальным образом решить проблемы пассажирских перевозок в крупных городах при минимальном использовании земной поверхности. В настоящее время метрополитены успешно функционируют в 7 крупных городах России: Москве, Санкт-Петербурге, Нижнем Новгороде, Новосибирске, Казани, Самаре и Екатеринбурге.
Несмотря на то, что в последнее время набирает силу тренд, связанный с сооружением двухпутных тоннелей большого диаметра, подавляющее большинство линий метрополитена эксплуатируются с однопутными тоннелями. С точки зрения характера формирования теплового режима станции и перегонные тоннели метрополитенов занимают промежуточное место между выработками шахт, рудников и объектами транспортной инфраструктуры: железнодорожными и автодорожными тоннелями. Это связано с тем, что они, с одной стороны, гораздо в меньшей степени, чем транспортные тоннели, подвержены влиянию естественных факторов. Однако, с другой стороны, их термовлажностный режим значительно зависит от эксплуатационных характеристик транспортных средств (скорость движения поездов, режимы набора скорости и торможения, интенсивность движения и т.п.), а также от направления движения воздуха на перегонах между станциями как при движении поездов, так и во время их отсутствия (в ночное время).
Дополнительным фактором являются достаточно жесткие требования к термодинамическим параметрам воздушной среды на станциях и в перегонных тоннелях [1]. Необходимость выполнения этих требований определяет актуальность разработки адекватных методов расчетов, учитывающих закономерности формирования теплового режима и способов нормализации климатических условий, что, в конечном итоге, приведет к минимизации затрат на вентиляцию и в ряде случаев - на кондиционирование воздуха,
Анализ особенностей формирования теплового режима однопутных тоннелей
Анализ результатов исследований теплового режима, выполненных как в нашей стране, так и за ее пределами, позволил выявить следующие определяющие его факторы [2 - 4]: температура наружного воздуха в течение годового периода; температура и теплофизические свойства окру-
жающих тоннели и станции пород; дебиты шахтных вод, поступающих в тоннели; геометрические размеры тоннелей; количество подаваемого воздуха; схема вентиляции с размещением приточных и вытяжных стволов по длине перегонов между станциями; скорость и интенсивность движения подвижного состава; объем циркуляционного воздуха ; тепловыделения от подвижного состава и других энергетических источников теплоты и их распределение по длине линий метрополитена; места установки и мощность систем кондиционирования воздуха [5,6].
Тепловыделения от подвижного состава, составляющие почти 80 % в общем тепловом балансе метрополитена [7], не являются постоянными во времени и распределены неравномерно по длине каждого перегона. В часы пик, когда интенсивность движения поездов достигает 34...38 пар/час, они максимальны, в вечерние и дневные часы они снижаются примерно пропорционально интенсивности движения, которое уменьшается до 10. 16 пар/час. Наконец, в ночные часы эти тепловыделения могут вообще отсутствовать. Среднюю величину тепловыделений от подвижного состава принято оценивать по среднечасовому расходу электроэнергии и измерять в кВт/т-км. Например, для метрополитенов Москвы и Санкт-Петербурга она составляет 0,042. 0,048 кВт/т-км [8].
Влияние режима движения поездов на величину тепловыделений в однопутных тоннелях рассматривалось в работах Ю.М. Ракинцева. По данным его исследований, наибольшее количество теплоты выделяется при торможении, стоянке на станции и в начале разгона, которое происходит в пределах станции [9]. Значительно меньше тепловыделения на участке разгона и оно совсем минимально на участке выбега. Так, по его оценкам, при интенсивности движения поездов 45 пар/ч и наполнении вагона 250 чел/ваг. тепловыделения на станции в 8,2 раза больше, чем на участке разгона однопутного тоннеля, и в 38,4 раза больше, чем на участке выбега; при вдвое меньшем наполнении вагона и интенсивности движения поездов на станции выделяется в 16 раз теплоты больше, чем на участках разгона и выбега.
Наличие сбоек между однопутными перегонными тоннелями приводит во время движения поездов к возникновению циркуляционных контуров. Количество воздуха, циркулирующего в каждом контуре, зависит от расстояния между соседними станциями (сбойками), скорости поезда и интенсивности их движения [10, 11]. Во всех случаях возникающая рециркуляция воздуха приводит к тому, что часть тепловой энергии, выделяющейся в тоннелях и на станциях, не выводится наружу, а, наоборот, остается внутри тоннелей и перераспределяется по длине перегонов. В зимний период циркуляционный воздух, имеющий положительную температуру, смешивается с холодным наружным воздухом, подаваемым в тоннели через перегонные шахты, в результате чего в тоннели поступает воздух с
начальной температурой, которая значительно выше температуры наружного воздуха. На изменение температуры воздуха в перегонном тоннеле на участке от места смешения с холодным наружным воздухом до станции влияет также теплообмен воздуха с породами и массообменные процессы. Количество воздуха, проходящего по тоннелям, будет приблизительно равно сумме расхода воздуха, подаваемого вентиляторами, и расхода, определяемого поршневым действием поездов, зависящим от длины перегона между станциями, длины поезда, интенсивности и скорости их движения [12, 13].
С увеличением интенсивности движения поездов, с одной стороны, повышается суммарное количество выделяющейся теплоты, а с другой - увеличивается расход циркуляционного воздуха. Для оценки влияния этих факторов были выполнены расчеты количества теплоты, выделяемой при движении поездов, и расходы циркуляционного воздуха, создаваемые в результате поршневого эффекта. Вычисления были выполнены для тоннеля сечением 21 м2, длиной 2000 м и подвижного состава из 8 вагонов при средней скорости поезда 50 км/ч. Результаты расчетов представлены на рис. 1.
Рис. 1. Расход циркуляционного воздуха (пунктирная линия) отношение количества теплоты от поездов к расходу циркуляционного воздуха (сплошная линия) от интенсивности движения поездов, где N - количество пар поездов в час; О - циркуляционный воздух, м3/ч; ^оез& / Оц - отношение
количества теплоты от поездов к расходу циркуляционного воздуха
Результаты показали, что повышение почти в 2,5 раза расхода циркуляционного воздуха при увеличении часовой интенсивности движения поездов с 15 до 40 пар/ч компенсирует рост количеств теплоты, выделяемой от поездов, и отношение количества теплоты от поездов к расходу циркуляционного воздуха не зависит от интенсивности их движения и равно 8.
Распределение температур по длине перегона между станциями зависит от подачи в тоннели наружного воздуха по станционным или перегонным стволам (рис. 2) [9]. Для первой схемы характерно охлаждение участков тоннелей вблизи станций, а для второй, напротив, - прогрев тоннелей у стволов на перегоне между станциями
Рис. 2. Типовое распределение температур по длине перегона между станциями, где 1 - подача воздуха в перегонную шахту; 2 - подача воздуха через станционные шахты
Влажность воздуха в метрополитене имеет более низкий уровень по сравнению с железнодорожными и автомобильными тоннелями. Среднегодовая величина уровня влажности после 10 - 15 лет эксплуатации стабилизируется в диапазоне 45.55 %. Такое значение может быть объяснено как повышением температуры тоннельного воздуха, так и отсутствием значительных источников влаговыделений (капеж и течи через обделку, влажность в дренажных лотках и т.п.). В то же время в метрополитенах
при сравнительно незначительном изменении температуры воздуха в течение года (в пределах 15... 25 °С) наблюдается диапазон значений его относительной влажности от 25 % зимой до 60. 65 % летом [14].
Методы расчета теплового режима однопутных тоннелей
Широко используемые в настоящее время методики осуществления тепловых расчетов основаны на вычислении количеств теплоты, выделяемых или поглощаемых различными источниками: горным массивом, испарением влаги, работой энергетических установок, включая подвижной состав и т.д. В частности, методика тепловых расчетов, предложенная в работах В.Я. Цодикова и Ю.А. Полякова, направлена на вычисление расхода воздуха, который необходимо подавать в тоннели для обеспечения нормативных параметров микроклимата [8, 10]. В выше упомянутых работах мало внимания уделяется сочетанному влиянию на распределение температуры воздуха по длине перегонов между станциями циркуляционных потоков и количеству подаваемого в тоннели наружного воздуха.
Более детальная разработка методики тепловых расчетов однопутных тоннелей была дана в работе С.Г. Гендлера [15]. Однако и в этой работе не учитывалось неравномерное выделение теплоты на длине перегона между станциями и собственно на станции.
Кроме того, в ней не были рассмотрены возможности централизованного охлаждения воздуха на станциях за счет расположения холодильных установок в прилегающих к ним сбойках.
Типовая схема проветривания однопутных тоннелей, одновременно реализующая возможность охлаждения воздуха, представлена на рис. 3.
Рис. 3. Фрагмент схемы вентиляции линий метрополитена с однопутными тоннелями и охлаждением воздуха на станциях
Распределения температур воздуха по длине перегона устанавливаются при допущениях о квазистационарном характере теплообмена
между воздухом и горными породами, окружающими перегонные тоннели и станции, и возможности описания закона изменения температуры поступающего воздуха ступенчатым законом, каждый временной период (зимний, летний, январский, июльский, наиболее холодной пятидневки, наиболее жаркого дня и т.п.) может быть представлен условно постоянной температурой.
В этом случае дифференциальные уравнения теплового баланса для участков разгона, выбега и торможения будут иметь вид
= к^ии(Тса1,и -*и)+ + Ми. (!)
¿У ч
При расчёте приращения температуры на станциях д^ целесообразно
использовать интегральное уравнение теплового баланса
ДгУ = Остл + Оц.2 + Он . )Се-{-. (2)
где Се/. - эффективное значение теплоемкости воздуха, вычисленное с
учетом массообменных процессов Дж/(кг град.) [16, 17].
Начальные условия к уравнениям (1) задаются величинами температур воздуха на входе в участки разгона, выбега, торможения. При этом конечное значение температуры на предыдущем участке Д™ следует рассматривать в качестве начальной температуры на рассматриваемом участке • , т.е., 7 = ^ При этом, начальная температура на станции I принимается равной г .соответствующей конечной температуре на станции II.
Решения уравнений (1) имеют вид:
Я, у + М1, ^
.еп ли „
и,и = ци ехР
к х. и,
«, и 1
иСе/1
■и
/
+
1, У У
ТГп1- ■ +
сШ', и О, 1Сег.
V 1, и еМ, ] У
1 - ехр
к х. и
«, и 1
О 3Сек у у
I,
(3)
Введём обозначения
ехр
г к х. и л
Ч и 1 ^
О,УСеА и 1 у
V
= Ку
ca.li у +
у + Ми 1
,У
Ог,иСе/1
[1 - ьи и ] = у;
У
и У
при i = 1 -tj = tcmJ; GUj = G^,j; U = k = А = l^.; K^ = ;
j = Cefij ; Tcal, ,j = Tcalh j ; öi, j = öl, j = öpos.J ; Mi,j = M1, j ; bi,j = К j; Bi,j = B1,j ;
при i = 2 - tj = tj; Gi,j = G4i,j; U = U2; lt = l2 = 0,51выб; KT,= KTi j;
= Ce/2,j; = Tcai2,j; ö,j = 62,j = 0,5ßb.,j ; Mij = M2,j; кj= b2,j;
Bi, j = B2,j;
при i = 3 -£ = f2Tj; Gi,j = G„1,j + GK,j; U = U3; l = I3 = 0,5lebl6.; K^. ^ = K^
C,, = Ce/3,; Tcak] = Тса1з,j; ö-,j = Ö3,j = 0,50выб.,j; Mij = M,j; bi,j = ^j;
Bi,j = B3,j;
при i = 4-£ = ; Gi,j = G„1,j + GB,j; U = U4; k = I4 = U.; K^ = K^;
Ce/i, j = Ce/2, j ; Tcali,j = Tcal2,j ; öi, j = ö4, j = Ömop,j '; Mi,j = M2, j; bi, j = b2, j; Bi, j = B2,j;
С учётом выше приведённых соотношений формула (1) преобразуется в систему уравнений
t1,j = tcm,jb1,j + B1,j; t2,j = 1,jb2, j + B2,j; С- = a1, jb2, j^ij + d1, jb2, jt„, J + B3, j;
G^1, j J GHj
где a j =---; d1 j =---;
j (G»1, j + G„) j (Gm, j + G„)
'4jj = j, j + B4,j;
tu . = a -tT- + dn t + At //I \
cm,j 2,j 4,j 2,j охл. cm,j (4)
(G,1, j + GHj) , где a2 y =-—---;
, (G,1, j + Gh 2, j + GHj )
G
d = ц 2,j d 2, j =
At =
cm, j
(Gn1, j + G4 2, j + Gnj )
öcm, j
(G41j + G4 2,j + )Ce/cm,
Решение системы уравнений (4) при допущении о равенстве темпе-
L, j = С, j = tcm, j относительно tm j
ратур воздуха на соседних станциях tIcm j = tm j = tcm j относительно tc
может быть представлено в виде
= ai.jd2.jB2.j n^bi,j + d2j П^Ь, j ( aij B2. J + d1,jtnJ) + d2 ,j( b4,JB3,J + B4,j) + a2¿oxx. + Л cm.J (5)
cm,J 1 J ni=4i '
1 - ai. Jd2. J nMbr,j
На основе уравнения (5) осуществляется прогноз теплового режима станций и перегонных тоннелей метрополитена с однопутными тоннелями, и выбираются параметры его регулирования: расходы подаваемого и охлаждаемого воздуха и необходимая температура его охлаждения в сбойках, прилегающих к станциям, в зависимости от температуры атмосферного воздуха, интенсивности (парности) движения поездов и количество теплоты, выделяемой на участках разгона, выбега, торможения и на станциях.
Выводы
1. Закономерности формирования теплового режима однопутных тоннелей метрополитена определяются влиянием многочисленных факторов, основными из которых следует считать образование циркуляционных потоков, связанных с движением поездов, тепловыделениями от подвижного состава, неравномерно распределенными по длине перегонов между станциями, температуру наружного воздуха и его расход.
2. Существующие на данный момент методы тепловых расчетов носят модельный/оценочный характер, так как не учитывают выше упомянутые факторы.
3. Предложенная методика позволяет осуществлять тепловые расчеты однопутных тоннелей метрополитенов с учетом сложного закона изменения температуры атмосферного воздуха, интенсивности движения поездов и количества теплоты, выделяемой на участках разгона, выбега, торможения и на станциях, и использования систем охлаждения воздуха, размещенных в сбойках, прилегающих к станциям.
Список литературы
1. СП 120.13330.2012 Метрополитены. Актуализированная редакция СНиП 32-02-2003 (с Изменениями N 1-4).
2. Jeppe C.W. The estimation of ventilation air temperatures in mines, Journal Chem. Met. Min. Sor of Sound Africa. Vol.40. 1939. N 1. Р.31-42.
3. Frizche H. Heutiger Zukunftsmöglichkeiten der Wetterkühlung in heissen Gruben // Glückauf. 1940. N6. Р. 11-13.
4. Jangen F. Die Erwärmung der Wetter in tieften Steinkohlengruben und die Möglichkeiten einer Erhonung der Kältenwirkung des Wetterstromes // Glückauf, 6 (1927). Р. 115-120.
5. Шточес Б., Черник Б. Вентиляция глубоких шахт. Борьба с высокими рудничными температурами. Киев: Гос. науч.-техн. изд-во Украины, 1934. 260 с.
6. Starfiedd A.M., Ph.d., B.Sc (Hons.), Bleloch A.L. A new method for the computation of heatand moisture transfer in partly wet airway // J. of the S. African institute of mining and metallurgy. 1983. November/December. Р. 163269.
7. Юшковский Э.М. Состояние воздушной среды на станциях и в тоннелях метрополитена // Вентиляция шахт и рудников. Л.: Изд-во ЛГИ, 1977. Вып.4.С.61-66.
8. Цодиков В.Я. Вентиляция и теплоснабжение метрополитенов. М.: Недра, 1975. 408 с.
9. Ракинцев Ю.М., Лосавио Н.Г. Воздухообмен на станциях метрополитена мелкого заложения // Транспортное строительство. 1984. №4. С.17-18.
10. Авксентьев И.В., Скуба В.Н. Теплоизоляция горных выработок в условиях многолетней мерзлоты. Новосибирск: Наука, 1983. 175 с.
11. Алексин К.К. Подогрев воздуха, поступающего в шахту, в зим-нее время, за счет теплоты шахтной воды и скрытой теплоты ее замерзания // Тр.ЦНИГРИ. 1959. Вып.28. С.51-58.
12. Поляков А.Х. Проектирование вентиляции тоннелей. М.: Изд-во литературы по строительству. 1971. 145 с.
13. Поляков Ю. А. Исследование теплообмена при отражении ударной волны // ТВТ. (1965). 3:6 С. 879-888.
14. СП 131.13330.2012 Строительная климатология. Актуализированная редакция СНиП 23-01-99* (с Изменениями N 1, 2).
15. Гендлер С.Г. Управление тепловым режимом подземных сооружений глубокого заложения при переменных аэротермодинамических параметрах воздушного потока: автореф. ... дис. д-ра техн. наук. Санкт-Петербург, 1996. 43 с.
16. Зайцев А.В. Разработка способов нормализации микроклиматических условий в горных выработках глубоких рудников: дис. ... канд. техн. наук. Пермь, 2013. 15 с.
17. Дядькин Ю.Д. Методика теплового расчета шахт и рудников в сложных условиях // Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. 1973. №5. С. 92-100.
Гендлер Семен Григорьевич, д-р техн. наук, проф., зав. кафедрой, sgendler@,mail.ru, Россия, Санкт-Петербург, Санкт-Петербургский горный университет,
Крюкова Милана Сергеевна, асп., s215068@stud. spmi. ru, Россия, Санкт-Петербург, Санкт-Петербургский горный университет
THERMAL MANAGEMENT OF METRO LINES WITH SINGLE-TRACK TUNNELS
S.G. Gendler, M.S. Kryukova
The article deals with the formation of thermal humidity parameters of the air environment in subways. The analysis of the peculiarities of the formation of the thermal regime in single-track subway tunnels is carried out. A technique is proposed that allows for thermal calculations of single-track tunnels taking into account the complex law of changes in atmospheric air temperature, the intensity of train traffic, the amount of heat, and the use of air cooling systems located in breakdowns adjacent to stations.
Key words: single-track tunnels, subway, aerodynamic processes, tunnel operation, thermal regime, underground structures, calculation method.
Gendler Simeon Grigoryevich, doctor of technical sciences, professor, head of chair, sgendler@,mail.ru, Russia, St. Petersburg, St. Petersburg Mining University.
Kryukova Milana Sergeevna, postgraduate, s215068@,stud.spmi.ru, Russia, St. Petersburg, St. Petersburg Mining University
Reference
1. SP 120.13330.2012 Metros. Updated version of SNiP 32-02-2003 (with Amendments N 1-4).
2. Jeppe C.W. The estimation of ventilation air temperatures in mines. Journal Chem. Met. Min. Sor of Sound Africa. Vol.40. 1939. N 1. p
.31-42. 3. Frizche H. Heutiger Zukunftsmöglichkeiten der Wetterkühlung in heissen Gruben. Glückauf. 1940. N6. p.11-13.
4. Jangen F. Die Erwärmung der Wetter in tieften Steinkohlengruben und die Möglichkeiten einer Erhonung der Kältenwirkung des Wetter-stromes. Glückauf, 6 (1927). pp. 115-120.
5. Shtoches B., Chernik B. Ventilation of deep mines. Fight against high mine temperatures. Kyiv: State Scientific and Technical University. publishing house of Ukraine, 1934. 260 p.
6. Starfiedd A.M., Ph.D., B.Sc (Hons.), Bleloch A.L. A new method for the calculation of heatand moisture transfer in partly wet airway. J. of the S. African Institute of mining and metallurgy, November/December, 1983. pp. 163-269.
7. Yushkovsky E.M. The state of the air environment at metro stations and tunnels // Ventilation of mines and mines, 1977. Issue 4. L.: LGI Publishing House. pp.61-66.
8. Tsodikov V.Ya. Ventilation and heat supply of subways. Moscow: Nedra, 1975.
408 p
. 9. Rakintsev Yu.M., Losavio N.G. Air exchange at metro stations of shallow laying // Transport Construction, 1984. no.4. pp.17-18.
10. Avksentiev I.V., Skuba V.N. Thermal insulation of rock formations in permafrost conditions. Novosibirsk: Nauka, 1983. 175 p.
11. Aleksin K.K. Heating of the air entering the mine in winter, due to the heat of the mine water and the latent heat of its freezing // Tr.TSNIGRI, 1959. Issue 28. pp.51-58.
12. Polyakov A.H. Tunnel ventilation design. M.: Publishing house of literature on construction. 1971. 145 p.
13. Polyakov Yu. A. Investigation of heat transfer in the reflection of a shock wave // TVT. 3:6 (1965). 879-888.
14. SP 131.13330.2012 Construction Climatology. Updated edition of SNiP 23-0199* (with Amendments N 1, 2).
15. Gendler S.G. Control of the thermal regime of deep-laid underground structures with variable aerothermodynamic parameters of the air flow: abstract. ... dis. doctor of technical sciences. St. Petersburg, 1996. 43 p.
16. Zaitsev A.V. Development of ways to normalize microclimatic conditions in the mine workings of deep mines: dis. ... candidate of Technical Sciences. Perm, 2013. 15 p.
17. Dyadkin Yu.D. Method of thermal calculation of mines and mines in difficult conditions // Physico-technical problems of mining minerals. 1973. No. 5. pp. 92-100.
