CC BY
30
УДК 622.4:625.42
ВЛИЯНИЕ ГОДОВОЙ ЦИКЛИЧНОСТИ ИЗМЕНЕНИЯ
ТЕПЛОВОГО ПОТОКА В ГРУНТ НА РАСЧЕТНЫЙ ТЕПЛОВОЙ БАЛАНС
ДВУХПУТНОГО ТОННЕЛЯ МЕТРОПОЛИТЕНА
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)217-03-51, 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)217-03-51, e-mail: alferova@mosk.ru
В работе рассмотрены факторы, влияющие тепловой поток из двухпутного тоннеля метрополитена в окружающий грунтовый массив при различных климатических условиях. Выявлена и определена величина сдвига по фазе колебаний величин теплового потока и температур атмосферного воздуха, влияющая на расчетные значения теплового баланса и на расчетный воздухообмен.
Ключевые слова: метрополитен, двухпутный тоннель, тепловой поток в грунт, тепловой баланс, тоннельная вентиляция.
EFFECT OF ANNUAL CYCLICITY OF HEAT FLOW VARIATION IN SOIL ON ESTIMATED TEMPERATURE BALANCE IN DOUBLE-TRACK UNDERGROUND RAILWAY TUNNEL
Ivan V. Lugin
Chinakal Institute of Mining, Siberian Branch, Russian Academy of Sciences, 630091, Russia, Novosibirsk, 54 Krasny prospect, Candidate of Engineering Sciences, Assistant Professor, Senior Researcher, tel. (383)217-03-51, e-mail: ivlugin@misd.nsc.ru
Elena L. Alferova
Chinakal Institute of Mining, Siberian Branch, Russian Academy of Sciences, 630091, Russia, Novosibirsk, 54 Krasny prospect, Junior Researcher, tel. (383)217-03-51, e-mail: alferova@mosk.ru
The study considers effects on heat flow from double-track underground railway tunnel in surrounding soil under different climate conditions. Phase displacement in the range of heat flow rates and atmospheric air temperatures, that influences calculated values temperature balance and estimated air exchange, is revealed and evaluated.
Key words: underground railway, double-track tunnel, heat flow in soil, temperature balance, tunnel ventilation.
Основная задача тоннельной вентиляции - поддержание воздушно-теплового баланса в тоннеле. Воздухообмен в тоннеле в большинстве случаев определяется необходимостью удаления теплоизбытков, которые зависят от внутренних (частота движения, скорость и масса поездов, пассажиропоток, освещенность тоннеля, оборудование) и внешних факторов (регион прокладки метрополите-
на, глубина заложения, теплофизические свойства грунтов и их гидрогеология). Теплопотери, в основном, это потери тепла в грунтовой массив, окружающий тоннель. Из теплопоступлений и теплопотерь выводится тепловой баланс. По требованиям [1], при расчете вентиляции, необходимо определять нестационарный тепловой поток из тоннелей в грунт в теплый период года, а также из грунта в тоннели в холодный период года. Для метрополитенов мелкого заложения, из-за небольшой толщины слоя грунта до поверхности, возникает опосредованный теплообмен с атмосферным воздухом через грунт, способный достигать существенных значений. Все тепло, что не ушло в грунт, требуется удалять средствами тоннельной вентиляции, то есть подавать необходимое для охлаждения тоннеля количество наружного воздуха.
Строительные и конструктивные особенности двухпутного тоннеля приняты по конструкторской документации. Рассмотрен круглый двухпутный тоннель, радиусом 4700 мм (рис. 1), с вентиляционным каналом вверху тоннеля, отделенного от путевого отсека фальшпотолком.
Расчет нестационарного теплового потока проведен с использованием программной реализации расчета теплопередачи методом конечных элементов.
На рис. 1 изображена геометрическая модель исследуемой области «тоннель-грунт» и указаны граничные и начальные условия.
Рис. 1. Геометрическая модель «тоннель-грунт»:
1 - дневная поверхность; 2 - грунт; 3 - вентканал дымоудаления; 4 - путевой отсек; 5 - воздушно-кабельный канал; НЗ - глубина заложения тоннеля, м; НГ - расчетная толщина грунта, м; хр - толщины грунта, где температура прогретой его толщи близка к естественной температуре грунта, м; ¿н, ¿в, ^ - температуры, соответственного, наружного и внутреннего воздуха и грунта на глубине Нг; авк, ан, аТ1, аТ2, акк - коэффициенты теплоотдачи поверхностей для граничных условий третьего рода, соответственно, верха вентканала, поверхности Земли, боковой стеки тоннеля, пола тоннеля, воздушно-кабельного канала, Вт/(м-К)
Глубина заложения тоннеля НЗ - это расстояние от дневной поверхности до верхнего свода тоннеля. Исследования проведены для пяти глубин заложения: 1, 5, 10, 15 и 20 м (рассматривается метрополитен мелкого заложения). НГ - толщина грунта в рассматриваемой модели, принята из условия, что расстояние до нижней образующей поверхности тоннеля от нижнего края грунтового массива не менее хр, которая определяется по формуле [4]:
Хр=67,8-(а2)0,5=67,8-(2Х/(рСу ))0,5,
где 2 - годовой период колебания температур, 2=8760 сут.; X - теплопровод-
-5
ность грунта, Вт/(м-К); р - плотность грунта, кг/м ; Су - теплоемкость грунта,
3 2
Дж/(м •К); а= Х/(рСу) - температуропроводность грунта, м /с. От температуропроводности зависит скорость распространения температурных изменений в грунте, а также скорость их затухания с глубиной. В природе грунтовой массив многослойный, состоит из разных по теплофизическим свойствам грунтов, с постоянно изменяющимися их толщинами. В работе рассматривается не слоистый, а сплошной грунт, но с различной температуропроводностью, харак-
7 2
терной для большинства грунтов [3-7], с диапазоном 4^8-10" м /с с шагом 10-7 м2/с.
Изменение температур наружного ^ и внутреннего и воздуха по времени задается гармоническим законом колебаний:
tн=a•cos(z)+b и ?в=с-соз(2)+^,
где коэффициенты а=Цц-Ь, Ь=(?1+?Уц)/2, d=tтn-с, с=^ХП+^П)/2; к и - среднемесячные температуры за январь и июль соответственно [8], °С; tтп и -расчетные температуры внутреннего воздуха в тоннеле в теплый и холодный периоды года соответственного, °С; z - время в сутках, за начало отсчета принято 1 июля.
Расчетные параметры микроклимата внутреннего воздуха приняты по [1]. Естественная температура грунта ^, окружающего тоннель на глубинах НЗ, а также температура грунта ^ на глубине НГ находится по формуле [2]:
^ = „ + 1,3Д* + Я - ^ ±-А°-
гр ср.год.в , з0 200
я,
I ах
где ^р.год.в - среднегодовая температура воздуха, °С; At - перепад температур между средней температурой воздуха за год и среднегодовой температурой на дневной поверхности земли, °С; ^геод - высота данного места [10], м, для городов принималась высота их центров; Н - глубина, на которой рассчитывается температура, м; А0 - суточная амплитуда колебаний температуры на дневной
Л
поверхности земли, °С; а - температуропроводность грунта, м/с; е - основание натурального логарифма; знак «+» ставится при расчете ^ в ТП, знак «-» при расчете tгp в ХП.
Для определения коэффициента теплоотдачи а в тоннелях метрополитена использована формула [2]:
а = 2,64ес
(Рвио)
а.
0,2
где £с - коэффициент, учитывающий влияние шероховатости поверхности; и0- средняя скорость движения воздуха в тоннеле, м/с; рв- плотность воздуха в тоннеле, кг/м ; ^э=4Ь/П - гидравлический эквивалентный диаметр рассматри-
г- 2
ваемого воздушного канала, м; Ь - площадь поперечного сечения канала, м ; П - периметр этого канала, м.
На рис. 2 показаны удельные тепловые потоки в грунт для условий Новосибирска при одинаковой глубине заложения (15 м) для грунтов с различными теплофизическими свойствами. Пиковые значения удельного теплового потока отличаются на 99-262 Вт/пог.м, это 28,6-51,5 %. Сдвиги по фазе составляют 130-146 суток.
Рис. 2. Удельный годовой тепловой поток в грунт в г. Новосибирске на глубине 15 м при различных значениях температуропроводности:
1 - 4-10"7 м2/с; 2 - 5-10"7 м2/с; 3 - 6-10"7 м2/с; 4 - 7-10"7 м2/с; 5 -
•10-7 м2/с;
6 - температура наружного воздуха, °С
о
Таким образом, удельный тепловой поток в грунт q, Вт/пог. м, в течение года также, как и температуру, можно описать синусоидой:
q=e+f•cos(z-Д),
где 2 - день года в отсчете от первого июля, сут; е и / - коэффициенты; Д - сдвиг по фазе, сут, колебаний температур атмосферного воздуха и теплового потока в грунт, объясняющийся и зависящий от тепловой инерции окружающего тоннель массива грунта. Этот сдвиг необходимо учитывать при определении расчетного периода для нахождения теплового баланса и расчетного воздухообмена. Значения коэффициентов е, / и сдвига Д приведены в таблице.
Таблица
Данные для расчета уравнений удельного теплового потока q в грунт
для Новосибирска при различной глубине в зависимости от температуропроводности грунта: первая строка - коэффициент е, вторая - коэффициент/, третья - фаза А, сут.
Температуропроводность, м/с Глубина заложения, м
1 5 10 15 20
Новосибирск
410-7 -116 -40 -23 -14 -11
206 247 237 237 236
115 130 130 130 130
510-7 -159 -59 -35 -23 -17
223 286 271 272 271
120 135 135 135 135
610-7 -201 -81 -49 -33 -25
237 322 304 304 304
120 135 140 140 140
7-10-7 -241 -103 -64 -44 -34
249 355 336 334 335
120 140 145 144 144
810-7 -277 -125 -80 -57 -44
259 384 366 361 363
120 140 146 146 146
Тепловой поток Q, Вт, для определения теплового баланса определится
как:
Q q'lпер,
где /пер - длина перегона, м. Он так же будет изменяться по гармоническому закону, где пересечения нулевой отметки будут разделяться на теплопотери и теплопоступления.
Выводы: получена зависимость величины теплового поток в грунт из двухпутного тоннеля метрополитена от глубины заложения, теплофизических свойства грунта, климатических условия местности возведения метрополитена. Показано, что глубина заложения больше 15 м не оказывает существенного влияния на величину теплового потока в грунт. Определен сдвиг по фазе между колебаниями температуры атмосферного воздуха и теплового потока в грунт,
который необходимо учитывать при определении расчетного теплового баланса и воздухообмена.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. СП 120.13330.2012. Метрополитены. Актуализированная редакция СНиП 32-02-2003. -Введ. 01-01-2013. Москва: [б.и.], 2012. - 267 с.
2. Цодиков, В.Я. Вентиляция и теплоснабжение метрополитенов / В.Я. Цодиков. -Москва: Недра, 1975. - 237 с.
3. Карнаухов, Н.Н. Механика мерзлых грунтов и принципы строительства нефтегазовых объектов в условиях севера / Н.Н. Карнаухов, С.Я. Кушнир, А.С. Горелов, Г.М. Долгих - М.: ЦентрЛитНефтеГаз, 2008. - 432 с.
4. Яковлев, Р. Н. Универсальный фундамент. Технология ТИСЭ / Р.Н. Яковлев. - М.: ООО «Аделант», 2010. - 59 с.
5. Куликов, Ю.Г. Методические указания по испытанию вечномерзлых глинистых грунтов в полевых условиях: метод. указания / Ю.Г. Куликов, Ю.Д. Дубнов. - М., Главтранспроект, 1969. - 58 с.
6. Трофимов, В.Т. Грунтоведение / В.Т. Трофимов, В.А. Королев, Е.А. Вознесенский и др. - 6-е изд., перераб. и доп. - М.: Изд-во МГУ им. М.В. Ломоносова, 2005. - 1024 с.
7. Мазуров, Г.П. Физико-механические свойства мерзлых грунтов / Г.П. Мазуров. -Л. - М.: Стройиздат, 1964. - 45 с.
8. СП 131.13330.2012. Строительная климатология. Актуализированная редакция СНиП 23-01-99*. - Введ. 01-01-2013. Москва: [б.и.], 2012.
9. СНиП 2.04.05-91*. Отопление, вентиляция и кондиционирование воздуха. - Введ. 01-01-1992. Москва, 1999. - 72 с.
10. Карта высот [Электронный ресурс] // Российский УКВ портал, 2003-2015. - Режим доступа: http://www.vhfdx.ru/karta-vyisot (дата обращения: 19.11.2015).
© И. В. Лугин, Е. Л. Алферова, 2016
