Управление тепловым режимом станций метрополитена мелкого заложения в холодный период года Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

--------------------------------------------- © И.В. Лугин, 2007

УДК 624.191.94 И.В. Лугин

УПРАВЛЕНИЕ ТЕПЛОВЫМ РЕЖИМОМ СТАНЦИЙ МЕТРОПОЛИТЕНА МЕЛКОГО ЗАЛОЖЕНИЯ В ХОЛОДНЫЙ ПЕРИОД ГОДА

Гоннельная вентиляция метрополитена мелкого заложения имеет свои особенности при эксплуатации в регионах с резкоконтинентальным климатом. Например, более чем 15-летний опыт эксплуатации Новосибирского метрополитена показал, что для сохранения требуемых температур воздуха на станциях и в тоннелях в зимний период, тоннельные вентиляторы должны отключаться при наступлении отрицательных среднесуточных температур атмосферного воздуха. Такой сезонный характер работы вентиляции обусловлен главным образом недостаточными теплоаккумулирующими возможностями грунтов, окружающих вентиляционные шахты и тоннели, из-за их мелкого заложения (как следствие - малой длины). Вентиляция метрополитена в зимний период осуществляется за счет поршневого действия поездов в тоннелях и за счет естественной тяги. При этом на крайних станциях линии метрополитена (на тупиковых станциях и станциях вблизи выхода в атмосферу) может сложиться неблагоприятная ситуация, при которой совместное действие естественной тяги и поршневого действия поездов вызовут переохлаждение пассажирских помещений станции холодным атмосферным воздухом. Например, при эксплуатации в зимний период года на платформе станции “Речной вокзал” Новосибирского метрополитена, имеющей близлежащий выход в атмосферу - метромост, температура воздуха на платформе опускается до -3...+5 0С; в вестибюле №2 на тупиковой станции "Площадь Гарина-Михайловского" температура воздуха опускается до -3...+7 0С. Подобные проблемы для характерны и для других метрополитенов (в частности, Нижнего Новгорода).

В данной работе рассмотрены общие свойства для крайних станций метрополитенов мелкого заложения и рассмотрены спосо-

бы управления воздухораспределением, обеспечивающих повышение температуры воздуха на платформе станции метрополитена мелкого заложения до требуемой по п.3.1 Санитарных правил 2.5.1337-03 "Санитарные правила эксплуатации метрополитенов" от 30.06.2003 температуры + 10 0С.

Исследования проводились путем численного моделирования процессов воздухораспределения в вентиляционной сети [1]. В данной работе приводятся результаты исследований на примере вентиляционной сети Новосибирского метрополитена.

Спецификой вентиляционной системы метрополитенов является большое количество ветвей, соединяющей её с атмосфе-рой (пассажирские выходы, вентиляционные шахты, порталы веток в депо, метромосты). Это обуславливает собственное значение и направление действие естественной тяги для каждого участка системы. В модели действие естественной тяги учитывается в виде источника постоянного давления. Расчет значения естественной тяги для различных температур атмосферного и тоннельного воздуха произведен на основе гидростатического метода.

Исходными данными для создания расчетной схемы вентиляционной системы служат топология сети и аэродинамические сопротивления участков сети [2].

Движение поездов в тоннелях метрополитенов вызывает на станциях значительные воздухообмены, сопровождающиеся периодическими колебаниями скорости и направления движения потока воздуха в тоннелях и вестибюлях станции. В случае расположения станции вблизи выхода в атмосферу - метромоста - имеет место дополнительный воздухообмен с атмосферой через эти входы.

При движении поезда впереди него создаётся область повышенного давления, позади - область разрежения. Эту разницу давлений можно определить по формуле, полученной в результате исследований, проведенных Метрогипротрансом при движении поезда в путевых тоннелях с обделкой из монолитного бетона (внутренний диаметр тоннеля dвн = 5.1 м) и чугунных тюбингов ^вн = 5.6 м) [3] в зависимости от скорости поезда в тоннеле.

При проведении квазидинамического расчета воздухораспре-деления, вызванного поршневым действием

Рис. 1. Моделирование поршневого действия поезда: а) движущийся поезд в тоннеле; б) эпюра давлений, создаваемых движущимся поездом; в) схема замены движущегося поезда источником давления; 1 - движущийся поезд; 2 - заменяющий поезд источник давления; 3 - зазор между поездом и стенками путевого тоннеля; 4 - аэродинамическое сопротивление фиктивной ветки, моделирующей зазор

движущегося поезда, допустимо представить поезд в виде неподвижного источника давления с параллельной фиктивной веткой, моделирующей зазор между поездом и обделкой тоннеля (рис. 1).

Исследуемый перегон разбивается на характерные участки в зависимости от топологии. При прохождении поездом различных участков расход воздуха от поршневого действия поездов и от действия естественной тяги через платформу станции будет различным.

Тупиковая станция

В ходе исследований были рассмотрены различные способы повышения температуры внутреннего воздуха на тупиковой станции в зимний период. Рассмотрим два пути повышения температуры воздуха в кассовом зале вестибюля:

1 - снижение общего количества поступающего на станцию холодного воздуха;

2 - направление движения потока холодного воздуха в обход кассового зала в тоннель через пассажирскую платформу станции.

Реализация первого способа возможна следующими путями:

а) снижение скорости уходящего со станции поезда;

б) повышение аэродинамического сопротивления на путях движения холодного атмосферного воздуха через кассовый зал;

а)

V.

V*

~У~

б)

ДР

Е?

В)

Г„

в) создание внутреннего циркуляционного кольца на перегоне при открытом затворе ГО в перегонной венткамере между станциями.

Реализация второго способа возможна следующими путями:

г) устройство вентиляционного отверстия в полу подуличного перехода для перепуска холодного воздуха в путевые тоннели, минуя кассовый зал;

д) использование вентиляционной шахты и вентиляционных циркуляционных затворов в качестве обводного канала для холодного атмосферного воздуха (рис. 2).

Оценивается эффективность того или иного мероприятия по повышению средней температуры воздуха в кассовом зале, которая определяется соотношением количеств холодного атмосферного и теплого тоннельного воздуха, проходящего через вестибюль станции.

Подробно эффективность подобных мероприятий рассмотрена в работе [5]. Наиболее эффективным принят вариант по использованию вентиляционной шахты и вентиляционных циркуляционных затворов в качестве обводного канала для холодного атмосферного воздуха с одновременным снижением скорости уходящих со станции поездов. Проведенный расчет показал, что для получения средней температуры в кассовом зале выше +10 0С при температуре атмосферного воздуха -25 0С требуется соотношение количества теплого и холодного воздуха 6.71 (рис. 3). Кроме того, на рис. 2 показано соотношение теплого и холодного воздуха до реализации мероприятий - 0,97. При проверке на математической модели рассмотренных мероприятий по повышению температуры воздуха в кассовом зале вестибюля на примере существующей станции «Площадь Гарина-Михайловского» выяснилось, что возможное соотношение расходов воздуха при снижении аэродинамического сопротивления вентшахты и уменьшении скорости уходящих со станции поездов до 20 км/ч составляет 3.55. При таком соотношении средняя температура воздуха в кассовом зале опускается ниже +10 0С при температуре атмосферного воздуха -10 0С, и ниже +5 0С при -29 0С. Разработанный способ тоннельной вентиляции защищен патентом РФ [6].

Рис. 2. Схема разреза (а) и плана станции (б)

Станция вблизи выхода в атмосферу

Рассмотрим станцию вблизи выхода в атмосферу. Характерными представителями таких станций являются станции около метромоста, присутствующие в абсолютном большинстве метрополитенов. Характерной особенностью таких станций является уклон путевых тоннелей в сторону метромоста,

15

Температура атмосферного воздуха,°С

Рис. 3. Средняя температура воздуха в кассовом зале станции при различных соотношениях теплого и холодного воздуха и различным температурах атмосферного воздуха Qom

повторяющий общий уклон земной поверхности. Это приводит к возникновению естественной тяги, направление действия которой способствует попаданию холодного атмосферного воздуха с мет-ромоста на станцию.

Снижение общего количества поступающего на станцию холодного воздуха возможно двумя путями:

а) повышение аэродинамического сопротивления на путях движения холодного атмосферного воздуха с метромоста;

б) создание циркуляционного кольца “тоннель - атмосфера” на участке метромост - платформа станции.

Повышение аэродинамического сопротивления на путях движения холодного атмосферного воздуха с метромоста

При повышении аэродинамического сопротивления снижается расход воздуха через участок тоннеля вне зависимости от того, каким источником давления (поршневым действием

Атмосфера

О

о

2

О

о.

ев

Рис. 4. Схема участка двухпутного тоннеля между станцией и метромостом, стрелками показано направление движения воздуха при подходе к станции:

LШ - длина участка с шиберами, LO - длина участка с открытыми окнами

поездов или естественной тягой) он инициируется. Повышение сопротивления возможно вследствие установки на участке метромост

- платформа так называемых шиберов [3]: конс-трукций из листового металла или листов асбоцемента, представляющих собой диафрагмы, уменьшающие площадь живого сечения тоннеля для прохода воздуха и существенно повышающих аэродинамическое сопротивление участка тоннеля. Шиберы устанавливаются в тоннелях на расстоянии 2.5...3.5 м - при таком расстоянии сопротивление отдельного шибера максимально. Размеры внутреннего отверстия для прохода воздуха ограничены габаритными размерами поезда для соблюдения безопасности движения метропоездов.

Создание циркуляционного кольца “тоннель - атмосфера” на участке метромост - платформа станции

Создание циркуляционного кольца позволяет направить в атмосферу ту часть холодного воздуха, которая идет перед движущимся поездом. Создать такое циркуляционное кольцо воз-можно с помощью снятия части остекления тоннеля на рассматриваемом участке и замене его на конструкцию жалюзийного типа.

Предполагается, что поезд, подойдя к расчехленному участку, вытолкнет наружу воздух, перемещаемый вследствие поршневого эффекта.

Поскольку типовая конструкция метромоста предусматривает возможность одновременного расположения шиберов и снятия остекления на одном участке определенной длины («100 м) (рис. 4), необходимо решить оптимизационную задачу установки этих средств управления воздухораспределением, т.е на какой длине участка будут установлены шиберы, а на какой снято остекление.

Расход холодного воздуха, поступающего на станцию при различных соотношениях длин участков с шиберами и открытыми окнами показан на рисунке. Соотношение 1 - вся длина участка занята установленными шиберами; 5 - на половине участка открыты окна, на половине установлены шиберы; 10 - вся длина участка занята открытыми окнами. Как видно из рис. 5, минимальный расход воздуха достигается при полностью закрытых окнах и установленных через каждые 3 м шиберов на участке метромост - платформа.

При увеличении длины участка занятой открытыми окнами поступление атмосферного воздуха на станцию резко увеличивается. Это может быть объяснено тем, что при увеличении площади окон и уменьшении их сопротивления возрастает величина естественной тяги. При полностью открытых окнах и отсутствии шиберов расход холодного воздуха превышает более чем на 70 % расход воздуха до проведения каких-либо мероприятий по его снижению.

Вариант, при котором на всем протяжении участка метромост

- платформа установлены шиберы без расчехления окон, обеспечивает снижение поступления холодного атмосферного воздуха в 2 раза по сравнению с начальным.

Проведем анализ экономической целесообразности установки шиберов, определив снижение расхода тепла на подогрев с помощью воздушно-тепловой завесы (ВТЗ) холодного воздуха, идущего с метромоста, на примере ст. «Речной вокзал» Новосибирского метрополитена.

Уравнение теплового баланса для воздуха платформы станции составляется исходя из того, что расход воздуха на платформе является смесью (СМ) холодного воздуха (Х) с метромоста и воздуха подогретого в калорифере ВТЗ (З):

С • Гг • t — С • ^ • t + С • ^ • t

иСМ ^СМ 1СМ иХ ^Х 1Х^^З ^З 1З?

где Ссм = Ох + С3, - расход смеси холодного воздуха и воздуха

200000,0 2 180000,0 160000,0 ч: 140000,0

со

§ 120000,0

^ 100000,0

о 80000,0 со

60000,0

40000.0

20000.0 0,0

Рис. 5. Поступление холодного воздуха с метромоста. По оси абсцисс отложены соотношения длин участков, занятых шиберами, и участков, занятых открытыми окнами

завесы, попадающего на платформу станции, кг/ч; 1см = 10 0С, температура смеси холодного воздуха и воздуха завесы, попадающая на платформу станции, задается нормативными требованиями (см. выше); GХ - расход холодного атмосферного воздуха, поступающего с метромоста, кг/ч; 1;Х = -39 0С, температура холодного атмосферного воздуха, поступающего с метромоста, определяется для Новосибирска по [4]; GЗ - расход воздуха, подогреваемого в ВТЗ, кг/ч; 1;З = 45 0С, температура воздуха на выходе из ВТЗ [4]; ссм, сХ, сЗ - массовые теплоемкости воздуха, в исследуемом диапазоне принимаются равными 1 кДж/(кг-°С);

Т.о. имеющиеся данные позволяют найти расход воздуха GЗ и тепловую мощность калориферов ВТЗ, которая определяется по формуле:

(2з = А • &З •( ^ ~ 1Х ) , ^

где А - переводной коэффициент (кДж/ч ^ Вт), равный 0.28; 1;Х -температура наружного холодного воздуха, забираемого завесой, 0С.

Рассмотрим затраты тепла при работе ВТЗ в расчетных условиях:

а) Работа портальной ВТЗ без специальных мероприятий по уменьшению количества поступающего воздуха.

По данным расчета естественного воздухораспределения, расход холодного атмосферного воздуха, поступающего на платформу станции в результате поршневого действия поезда и естественной тяги без выполнения мероприятий по его уменьшению, равен:

Gx = 106110 м3/ч -1.5 = 132356 кг/ч,

где 1,5 кг/м3 - плотность наружного воздуха при температуре

tx = -39 °С.

Из уравнения теплового баланса находится требуемый расход воздуха ВТЗ: Gз=222831 кг/ч.

Количество тепла, которое необходимо затратить на нагрев данного количества воздуха:

0^з = 0.28 - 222831 •(45 - (-39)) = 5240985Вт * 524МВт .

б) Работа портальной ВТЗ с учетом мероприятий по уменьшению количества воздуха, прорывающегося на станцию.

По данным расчетов, расход холодного атмосферного воздуха, поступающего на платформу станции в результате поршневого действия поезда и естественной тяги при выполнении мероприятий по его уменьшению, равен:

Gx = 49800 м3/ч -1.5 = 74700 кг/ч.

Из уравнения теплового баланса определяется требуемый расход воздуха ВТЗ: Gз = 104580 кг/ч.

Количество тепла, которое необходимо затратить на нагрев данного количества воздуха:

0^з = 0.28 • 104580 • (45 - (-39)) = 2459721Вт * 2.46МВт

Т.о. снижение затрат тепла на нагрев воздуха в калорифере ВТЗ снижается почти в два раза и составляет 2.78 МВт при расчетных параметрах наружного воздуха.

Выводы

- использование пассивных методов регулирования воздухо-распределения на крайней станции метрополитена позволяет эффективно управлять тепловым режимом пассажирских помещений станции в период низкоотрицательных температур атмосферного воздуха при отключенных системах тоннельной вентиляции;

- наиболее эффективным способом регулирования температуры воздуха в кассовом зале тупиковой станции метрополитена мелкого заложения в зимний период с отрицательными температурами наружного воздуха является управление воздухораспределе-нием на станции с помощью устройства обводного канала для наружного воздуха через вентиляционную шахту и снижением скорости уходящего с тупиковой станции поезда;

- снижение расхода холодного воздуха, идущего с метромоста на станцию метрополитена мелкого заложения наиболее выгодно проводить с помощью установки в тоннеле возле станции шиберов, повышающих аэродинамическое сопротивление участка тоннеля. Открытие окон на метромосту не дает ожидаемого эффекта за счет повышения расхода холодного воздуха вследствие действия естественной тяги. Установка шиберов на всей длине участка «метро-мост - станция» позволяет снизить затраты тепла на нагревание холодного воздуха в 2 раза.

--------------------------------------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Кузнецов А.С., Лукин С.М. О применении потоковых алгоритмов для расчета воздухораспределения в вентиляционных сетях // ФТПРПИ. - 1989. - № 5.

2. Красюк А.М., Лугин И.В. Исследование режимов работы вентиляции при возгорании поезда в тоннеле метрополитена // ФТПРПИ. - 2005.- № 4.

3. Цодиков В.Я. Вентиляция и теплоснабжение метрополитенов - М.: Недра, 1975.

4. СНиП 2.04.05-91*: Отопление, вентиляция и кондиционирование: Взамен СНиП 2.04.05-86: Введ. в действие 01.01.1992 / Госстрой России. - М.: ГУПЦПП, 1997. - 72 с.

5. Лугин И.В., Красюк А.М. Разработка режимов работы вентиляции для повышения температуры воздуха в зимний период на тупиковой станции метрополитена мелкого заложения // Известия вузов. Строительство. Новосибирск. -2004. - №10. - С.53 - 60.

6. Способ вентиляции тупиковой станции метрополитена. Патент №2 278 268 от 20.06.06. Зайко С.В., Петров В.И., Чигишев А.Н., Красюк А.М., Лугин И.В. Опубликован в БИ №17 от 20.06.2006.

— Коротко об авторах -----------------------------------------

Лугин И.В. - кандидат технических наук, Институт горного дела СО РАН, г. Новосибирск, Россия.