ЭНЕРГОАКТИВНЫЙ ГОРОДСКОЙ МЕТРОПОЛИТЕН С НУЛЕВЫМ ПОТРЕБЛЕНИЕМ ТЕПЛОВОЙ ЭНЕРГИИ ОТ ВНЕШНИХ ИСТОЧНИКОВ
ENERGY-ACTIVE URBAN AREA METRO WITH ZERO CONSUMPTION OF THERMAL ENERGY FROM EXTERNAL SOURCES

Изобретение относится к области городского транспорта, а именно к теплоснабжению объектов метрополитена.
Проблема повышения комфортности теплового режима объектов метрополитена сегодня становится все более острой практически для всех крупных городов мира. При эксплуатации подземных сооружений генерируется столько тепловой энергии, что ее достаточно, чтобы поднять температуру воздуха в тоннелях на 8÷11°С выше температуры окружающей среды [New York City Transit Authority, An air conditioning study of the New York City transit system, Part I: A thermal.]. Так, например, в Лондоне, где температура окружающей среды может достигать 30°С и более летом, в поездах метрополитена зарегистрирована температура более 37°С [Evening Standard, West End Final, Tuesday 15 July 2003, London]. Очевидно, что обеспечение комфортных условий в тоннелях и на станциях метрополитена в этих условиях с помощью традиционных для метрополитена систем вентиляции является очень трудной, а в ближайшем будущем - просто невыполнимой задачей.
Известны схемы прямоточной (приточно-вытяжной) вентиляции метрополитена (Цодиков В.Я. «Вентиляция и теплоснабжение метрополитенов», Москва, изд. «Недра», 1975 г.), обеспечивающей требуемые параметры микроклимата только за счет воздухообмена, но при этом отмечается также целесообразность термодинамической обработки воздуха (стр. 211).
Данные схемы как технически, так и экономически трудно реализуемы из-за чрезвычайно больших объемов приточного воздуха, рассчитываемых из условия удаления избытков теплоты, образующихся в результате движения подвижного состава в тоннелях и пассажиропотока на станциях. В период высоких температур приходится прибегать к снижению подачи наружного воздуха в дневное время во избежание перегрева станций и интенсивно вентилировать в ночное время, когда на поверхности относительно прохладно. Но, как показывает практика, этих мероприятий недостаточно. Ситуация, к тому же, усугубляется наблюдающимся «потеплением климата» и увеличивающимся из года в год пассажиропотоком, который вносит свой вклад в увеличивающийся дисбаланс теплового режима метрополитена. Например, сегодня Московский метрополитен ежегодно расходует около 2 млрд кВт⋅ч. Кроме этого, важной составляющей теплового баланса метрополитена являются тепловыделения от пассажиров, ежегодный объем которых может быть оценен в примерно в 0,15-0,17 млрд кВт⋅ч. Вся эта энергия, в конечном счете, преобразуется в тепловую и рассеивается в окружающей среде: нагревает грунт, окружающий тоннели и станции метрополитена и выбрасывается в атмосферу с вытяжным воздухом системы вентиляции. При этом дисбаланс теплового режима метрополитена приводит, среди прочего, к накапливающемуся со временем «тепловому загрязнению» грунтовых массивов, окружающих тоннели и объекты метрополитена, которое, в свою очередь, сказывается в виде снижения теплоотвода в грунт и «перегреву» внутреннего воздуха на станциях. Для иллюстрации этой ситуации на фиг. 1 приведены температуры внутреннего воздуха на станциях Московского метрополитена, наблюдавшиеся 28 июля 2010 года при температуре наружного воздуха +36°С.
Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является система вентиляции, описанная в патенте РФ 2462595, предусматривающая подачу наружного воздуха, организацию направленного движения воздуха по тоннелям и удаление отработанного воздуха, при этом наружный воздух подают в объеме, равном 20-30% от рассчитанного по теплоизбыткам объема воздуха для вентиляции, достаточном для поддержания нормативного содержания кислорода и углекислого газа в воздушной среде метрополитена, и производят принудительную рециркуляцию между станциями смеси наружного и тоннельного воздуха, в процессе которой смесь подвергают термодинамической обработке до достижения требуемых для метрополитена температурно-влажностных параметров воздуха.
Недостатком этого решения является его низкая энергетическая эффективность и ограниченные возможности по управлению тепловым режимом вентилируемых объектов метрополитена, в частности практическое отсутствие возможности независимого охлаждения пассажирских и тоннельных пространств. Этот недостаток является достаточно существенным, поскольку уже сегодня мы наблюдаем заметное влияние теплового воздействия эксплуатационных нагрузок объектов метрополитена на формирование теплового режима окружающего грунтового массива. На фиг. 2 представлены полученные авторами настоящей заявки результаты моделирования теплового режима тоннеля метрополитена при его многолетней эксплуатации в песчаном грунте. При моделировании в грунт «сбрасывалось» в зимние месяцы 10, а в летние 20 Вт на погонный метр длины тоннеля. Из зависимостей, представленных на рисунках, видно, что в течении эксплуатации тепловое влияние тоннеля вызывает активное изменение естественного теплового режима грунта (естественная температура грунта 8°С).
Предлагается энергоактивный городской метрополитен с нулевым потреблением тепловой энергии от внешних источников, включающий станции, тоннели и вестибюли, отличающийся тем, что метрополитен не потребляет тепловой энергии от внешних источников, а станционные пространства отделены от тоннелей герметичными, например, светопрозрачными, ограждениями с автоматически открывающимися во время посадки пассажиров дверными проемами, синхронизированными с открытием дверей поезда, при этом станции и тоннели оснащены независимыми приточно-вытяжными системами вентиляции и климатизации, обеспечивающими поддержание различных параметров микроклимата в станционном пространстве и в тоннелях, при этом теплоизбытки, образующиеся в тоннелях, удаляются системами вентиляции и охлаждения тоннелей, в том числе системами охлаждения с помощью тепловых насосов, а приточно-вытяжные системы вентиляции станций и тоннелей оснащены независимыми системами рекуперации и утилизации теплоты вытяжного воздуха, в том числе для нужд теплоснабжения прилегающей застройки с помощью тепловых насосов. Независимые приточно-вытяжные вентиляционные системы станций и тоннелей обеспечивают избыточное давление (подпор) воздуха на станциях с целью исключения попадания воздуха из тоннелей в станционное пространство. Вентиляционные шахты в тоннелях дополнительно оснащены реверсируемыми вентиляторами, при этом вентиляционные шахты, при движении поезда находящиеся перед ним и попадающие в зону повышенного давления, автоматически переключаются в режим удаления вытяжного воздуха, а вентиляционные шахты, находящиеся позади поезда в зоне разрежения, - в режим подачи приточного воздуха.
Независимые приточно-вытяжные вентиляционные системы тоннелей обеспечивают автоматическое поддержание температуры внутреннего воздуха в тоннелях на уровне температуры грунтового массива в заобделочном пространстве, устанавливающемся на 5-ый год эксплуатации метрополитена, но не превышающей температуру воздуха на станции более, чем на 5 градусов.
Для иллюстрации этого отличия на фиг. 3 представлены результаты выполненного авторами настоящей заявки моделирования теплового режима тоннеля метрополитена при его многолетней эксплуатации в песчаном грунте. При моделировании в грунт «сбрасывалось» в зимние месяцы 10, а в летние 20 Вт на погонный метр длины тоннеля. Из зависимостей, представленной на рисунках, видно, что в течение первых лет эксплуатации тепловое влияние тоннеля вызывает активное изменение естественного теплового режима грунта (естественная температура грунта 8°С), а начиная с пятого года эксплуатации грунт выходит на «квазиустановившийся» периодический режим и дальнейшая эксплуатация тоннеля не вызывает существенных его изменений. Таким образом, поддержание температуры внутреннего воздуха в тоннеле на уровне, близком к температуре заобделочного грунта, устанавливающемся на 5-й год эксплуатации, позволит исключить тепловое влияние грунта и его дальнейший нагрев, а значит кардинально сократить затраты на кондиционирование тоннелей.
2
Независимые приточно-вытяжные вентиляционные системы станций и тоннелей обеспечивают адаптивное управление подачей приточного наружного воздуха, при этом управление подачей приточного воздуха в пассажирские и служебные пространства станций и вестибюлей осуществляется в зависимости от количества пассажиров, например, по концентрации CO, а подача приточного воздуха в тоннели осуществляется в зависимости от концентрации в воздухе вредных примесей, например по концентрации радона.
Поезда оснащены кондиционерами, и на закрытых участках линий метрополитена отводят избытки теплоты из вагонов в тоннельное пространство, а на открытых участках линий метрополитена дополнительно реверсируются в режим теплового насоса и отапливают вагон, используя при этом в качестве источника теплоты низкого потенциала вытяжной воздух системы вентиляции вагона. Кроме того, приточно-вытяжные системы вентиляции станций и поездов оснащены системами генерации озона и отрицательных ионов.
Энергоактивный городской метрополитен с нулевым потреблением тепловой энергии от внешних источников поясняется рисунками на фиг. 4÷6. Станционные пространства 1 отделены от тоннелей 2 герметичными ограждениями 3 с автоматически открывающимися во время посадки пассажиров дверными проемами 4 синхронизированными с открытием дверей поезда. Приточно-вытяжные системы вентиляции и климатизации тоннелей 5 и станций 6 обеспечивают охлаждение вытяжного воздуха. При этом снятое тепло может использоваться как для обогрева самой станции, так и для нужд теплоснабжения прилегающей застройки 7.
При движении состава 8 внутри тоннеля 2 реверсируемые вентиляторы 9, находящиеся в вентиляционных шахтах 10, автоматически переключаются таким образом, чтобы удалять вытяжной воздух из зоны повышенного давления 11 перед движущимся составом, и подавать приточный воздух в зоны разрежения 12, находящиеся позади движущегося состава.
Поезда оснащены кондиционерами 13, которые на закрытых участках линий метрополитена отводят избытки тепла 14 в тоннельное пространство. В холодное время года на открытых участках кондиционеры реверсируются в режим теплового насоса и подают в вагон теплый воздух 15, нагретый за счет теплоты низкого потенциала вытяжного воздуха системы вентиляции вагона 16.