СПОСОБ ВЕНТИЛЯЦИИ СТАНЦИЙ МЕТРОПОЛИТЕНА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD OF METRO STATIONS VENTILATION AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

Изобретение относится к области вентиляции и может быть использовано для проветривания тоннелей и станций.
Известен способ вентиляции Нью-Йорского метрополитена, при котором на перегонах вентиляция естественная, через вентшахты-окна, расположенные на проезжей части улиц, у самого тротуара, в уровень с ним; на станциях вентиляция с механическим побуждением воздуха и работает на вытяжку, забирая воздух из тоннеля (Арбузов Г.В. Вентиляция и санитарная техника метрополитенов. М., Трансжилдориздат, 1938 г., стр. 59. Каланджело А. Вентиляция метрополитенов. Пер. с итал., перевод №77173/1 Отдела переводов Всесоюзной торговой палаты, 1971 г.).
Недостатком указанного способа является то, что на станцию из тоннелей поступает воздушный поток, в значительной степени зависящий от интенсивности движения поездов (поршневой эффект). При этом поршневое действие поездов приводит к образованию двух основных воздушных потоков: в первом около 70% воздуха проходит через центральный перрон и пути на расстояние около 15 метров от торцов, через которые он входил, следуя далее по направлению движения, поворачивая при этом назад, в то время как 30% покидало станцию через тот же тоннель, через который воздух входил на станцию, двигаясь дальше в том же направлении. Приход-уход каждого поезда сопровождается циркуляцией воздуха через торцы платформы станции. При этом на примерно 80% площади платформы интенсивность «дутья» несущественна, т.к. эти потоки весьма компактны и занимают не более 15 м с каждой стороны платформы, на который выделяется 50% всех тепловыделений на расчетном участке, но на платформе из-за нехватки свежего воздуха возникают четыре проблемы: жара, духота, загазованность, запыленность. Второй воздушный поток переменного направления возникает между станцией и наружной атмосферой - через наклонные ходы (эскалаторы, лестницы), вестибюли, двери. Этот поток приносит основные неприятности пассажирам, обслуживающему персоналу и оборудованию всасыванием зимой внутрь станции холодного воздуха через двери, вестибюли, кассовые залы и далее по наклонным ходам и тоннелям, по которым поезд уходит со станции.
Критерии оценки окружающей среды линии метрополитена изложены в Санитарных правилах эксплуатации метрополитенов СП2.5. 1337-03, п. 3.1. Требования к пассажирским помещениям станций метрополитенов в п. 3.1.1. См. Таблицу 1.
При движении поезда в замкнутом пространстве тоннеля метрополитена впереди него создается зона избыточного давления, а сзади поезда - зона разрежения. Это приводит в движение массы воздуха, заполняющие тоннель. Такое действие поезда получило в литературе название поршневого эффекта.
Режим проветривания метрополитена в период движения поездов характерен наличием двух взаимовлияющих друг на друга потоков воздуха, побуждаемых к движению поездами и вентиляторами. Потоки воздуха, приводимые в движение поездами, получили название циркуляционных, а вентиляторами тоннельной вентиляции - вентиляционных. Проветривание метрополитенов в период движения поездов осуществляется совместным действием циркуляционного и вентиляционного потоков.
Изменение скорости и частоты движения поездов влияет, в основном, на величину циркуляционного потока и через него на весь вентиляционный поток. Возникают продольные пульсации скорости движения вентиляционной струи и связанный с ними нестационарный режим проветривания.
Известен способ вентиляции метрополитена, включающий подачу наружного воздуха, организацию направленного движения воздуха по тоннелям и удаление отработанного воздуха, причем наружный воздух подают в объеме, равном 20-30% от расчетного 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. (Патент №2462595 кл. E21F 1/08 Приоритет от 01.11.2011 г.).
В целях реализации этого способа получен Патент на полезную модель RU 127402 U1, приоритет от 27.12.2012 г. «Квазизамкнутая система вентиляции тоннелей и станций метрополитена».
Недостатком указанного технического решения является то, что для реализации этого способа вентиляции необходимо, чтобы «Рециркуляционный поток воздуха проходил по тоннелям с перетеканием его из одного тоннеля в другой (параллельный) тоннель через пространство станций…» «принудительную рециркуляцию усиливает поршневой эффект, создаваемый при движении поездов по тоннелям». Этому также могут способствовать струйные вентиляторы, создающие эжектируемый эффект.
Поскольку платформенная часть станции - это плоский канал с расположенными в торцевых стенках и приточными и вытяжными отверстиями (тоннели прихода и ухода поездов), в которых направление воздушных потоков совпадает с направлением движения поездов, то при принудительной рециркуляции при движении поездов возникают два эффекта: эффект Батурина-Ханжонкова (В.В. Батурин. Основы промышленной вентиляции. М., Профиздат, 1990, стр. 176) и эффект эжекции, снижающий производительность вытяжной станционной шахты при движении поездов до 80% от проектной, не учтенных в схеме изобретения.
Известно, что картина потоков в помещении, имеющем форму плоского канала, определяется, в частности, расположением вытяжного отверстия в одной стенке с приточным и изменением размеров сторон помещения (l - длина помещения, h - высота торцевой стены).
На станции метрополитена имеем тот случай, когда под действием поршневого эффекта поездов приток воздуха на станцию и вытяжка воздуха со станции идут из отверстий, расположенных в одной стенке (в торце станции), фиг. 1. При расположении вытяжного отверстия в одной стенке с приточным общий характер потоков находится в зависимости от отношения сторон l/h (где h - высота торцевой стены, l - длина станции), но непосредственное перетекание воздух из приточного отверстия в вытяжное при турбулентном потоке не происходит. Через вытяжное отверстие вытекает только то количество воздуха, которое поступило через приточное отверстие; количество же воздуха, присоединившееся на пути струи, возвращается к истокам струи для ее питания. Как известно, при таком расположении отверстий струя, вытекающая из приточного отверстия, достигает противоположной стенки, когда отношение . При увеличении отношения l/h приточная струя не доходит до этой стенки, поворачивает и движется в обратном направлении к вытяжному отверстию. Пространство за поворотом струи заполнено вихрем.
Поскольку отношение длины станции к высоте торцевой стенки очень велико l/h≈20, то приточная струя никогда не сможет дойти до противоположной торцевой стены станции. На фиг. 1 изображена схема такого течения в объеме станции. За поворотом струи образуется вихрь, вращающийся в обратном направлении по отношении к основной струе. Глубина проникновения приточной струи по станции у каждого торца составляет 20-25 метров. Вторичный вихрь быстро гаснет и основная часть воздуха в объеме станции остается практически неподвижной, что тормозит вынос вредностей со станции и не позволяет подготовить обделку и прилегающие грунты к новому дневному циклу работы метрополитена. Процесс сохраняется и при снятии движения поездов: работают обе вентшахты на прилегающих к станции перегонах, т.е. на станции имеется два приточных и два вытяжных отверстия. Возникают зоны циркуляции с проникновением приточной струи на глубину платформы 25-30 метров у обоих торцов станции.
Наиболее близким техническим решением к изобретению является способ вентиляции тоннелей метрополитена путем круглогодичной подачи наружного воздуха в перегонные тоннели и удаления воздуха в уровне пассажирских платформ станций - по горизонтальным каналам под платформами и по вертикальным каналам с обоих концов платформы и через отверстия под платформой или в их концах с устройством циркуляционных сбоек между прилегающими к станции перегонными тоннелями с целью снижения эффекта «дутья» от поршневого действия поездов (См. п. 5.8.2.4, п. 5.8.2.13, п. 5.8.2.16, п. 5.8.2.17, п. 5.8.2.25, СНиП 32-02-2003 «Метрополитены» (актуализированная редакция)).
На фиг. 2 изображена схема системы вентиляции тоннелей 2 с устройством вентиляционной сбойки (ВС) 3 у торца станции 1, по которой наружный воздух подается на перегонах вентиляционной шахтой 9, снабженной вентилятором 11, а удаляется станционной шахтой 10, снабженной вентилятором 11, по подплатформенному вентиляционному каналу 6, с забором воздуха из путевых тоннелей со стороны прибытия поездов 13 через вытяжные отверстия 7, расположенные на уровне посадочных платформ. Направление движения воздуха в тонелях 2 определяется направлением движения 13 поездов метрополитена 12, при этом в местах примыкания перегонных тоннелей 2 к торцевым стенам станции 1 образуются по два отверстия - приточное 4 и вытяжное 5. Как приточно-вытяжное отверстие поочередно работают и тоннели наклонных ходов 8. Направление движения воздуха показано стрелками.
Способ имеет ряд недостатков:
Первый недостаток способа
Исследования показали, что наибольшая подвижность воздуха наблюдается на платформе в 20-30 м от торца станции, внизу у сходов с эскалатора, у кабины контрольно-пропускного пункта (АКП) в вестибюле станции.
Наибольшие среднемаксимальные скорости воздуха наблюдаются у схода с эскалатора до 3,9 м/с (при максимальной 7,6 м/с), на платформе - 1,6 м/с (при максимальной 1,8 м/с), в вестибюле - 1,2 м/с (при максимальной 1,5 м/с). (См. статью Ю.М. Ракинцева, Н.Г. Лосавио. Воздушные потоки на станциях, ж-л «Метрострой» №5, 1982 г.).
Микроклимат на станции метрополитена не отвечает гигиеническим требованиям: при температурах, характерных для зимнего периода (на платформе +11÷13°C, в вестибюле +5°C) допускаются подвижности воздуха не выше соответственно 2 и 0,25 м/с, а действительные скорости соответствуют 3,9 и 1,2 м/с.
Второй недостаток способа
2
Поршневое действие поездов 12 вызывает колебание давления воздуха на станции. Для снижения амплитуды колебания давления воздуха на станции с целью уменьшения явления «дутья» (сквозняков) через ее входы и выходы на расстоянии 30-100 м от каждого торца станции в перегонных тоннелях 2, не имеющих между собой сплошных соединений (проемов), предусматривается соединение их между собой циркуляционными сбойками ВС 3 сечением 95-125 м. При наличии таких сбоек значительная часть воздуха выталкивается приходящими поездами не на станцию 1, а в расположенный рядом перегонный тоннель, снижая требуемый по расчету объем воздуха, поступающего на станцию и вытягиваемого из нее поршневым действием движущихся поездов. В итоге уменьшается амплитуда колебания давления воздуха на станции и вследствие этого снижается «дутье» на входах и выходах, но при этом на станции возникает дефицит свежего воздуха.
Третий недостаток способа - усиление отрицательного влияния воздушного потока на пассажиров и персонал, находящихся на платформе станции, оборудованной ВС. Изучение потоков (фиг. 3) показывает, что при подходе поезда 12 к станции 1 на платформе возникает нестационарный воздушный поток, при этом максимальная скорость на станциях, оборудованных ВС 3 (кривая 14), в 2-3 раза выше, а продолжительность действия в 2 раза меньше, чем на станциях, не имеющих ВС (кривая 15) (См. статью Ю.М. Ракинцева. Микроклимат метрополитена, ж-л «Метро и тоннели» №2, 2002 г.).
Из физиологии известно: с точки зрения влияния скорости воздуха на самочувствие человека более высокие скорости, действующие кратковременно, хуже воспринимаются организмом, чем более низкие, но и продолжительные по действию.
Четвертый серьезный недостаток способа - 60-80% воздуха, выталкиваемого из перегонных тоннелей 2 к станции 1, циркулируют через ВС 3, а не через приточное 4 и вытяжное 5 отверстия в торце станции 1. Такое большое количество воздуха, циркулирующее по тоннелям 2, ведет к перегреву тоннелей, что в свою очередь потребует увеличения производительности механической вентиляции метрополитена.
3
Пятый недостаток способа: в схеме не учтено влияние расположения вытяжного отверстия 5 в торце станции на картину потоков на платформе станции 1 (эффект Батурина-Ханжонкова). Конструктивно платформенная часть станции 1 - это плоский канал с расположенными в торцевой стенке приточным 4 и вытяжным 5 отверстиями, направление воздушного потока в которых совпадает с направлением движения 13 поездов 12 в тоннелях 2 (тоннели прихода и ухода поездов). Закономерности воздухообмена на станции мелкого заложения представлены на графиках фиг. 4-6, взятых из статьи Ю.М. Ракинцева, Н.Г. Лосавио. Воздухообмен на станциях метрополитена мелкого заложения, ж-л «Транспортное строительство» №4, 1984 г.). На фиг. 4-6 и в таблицах 2 и 3 представлены изменения количества воздуха (тыс.м/ч), перемещаемого через тоннели 2 ухода и прихода поездов и через эскалаторные ходы 8 в зависимости от интенсивности движения поездов. Изучение потоков воздуха на платформе станции (фиг. 4) показывает: в этих условиях при отношении l/h=20 (где h - высота торцевой стенки, l - длина платформы станции) до 70% объема потока воздуха, поступающего из тоннеля через отверстие 4 (фиг. 5, табл. 2) на станцию, продвигается по платформе станции и пути всего на 20-30 м с каждого торца станции, затем поток поворачивает и движется в обратном направлении к вытяжному отверстию 5, выходя со станции в тоннель (фиг. 5, табл. 2), и только с выходом поезда на платформу примерно 30% объема потока, перемещаемого подходящим к станции поездом, проталкивается им по платформе (фиг. 6, табл. 3) и покидает станцию через противоположный наклонный ход 8. И это вместо 100%, необходимых на участке, где выделяется 50% всех тепловыделений (!).
Шестой недостаток способа в том, что часть свежего воздуха, поступающего с перегона, удаляется станционной шахтой вначале станции и недостаточно участвует в воздухообмене станции, фиг. 2.
Одновременно возникает эффект эжекции, заключающийся в том, что поршневой поток с более высоким давлением, движущийся с большой скоростью, увлекает за собой среду низкого давления (давление в заборных устройствах вытяжной станционной шахты, которые распологаются рядом с торцом станции в путевом тоннеле со стороны прибытия поездов). При этом производительность вытяжной станционной шахты при движении поездов составляет ≈80% от проектной (см. таблицу 4).
Седьмой недостаток способа в том, что при снятии движения поездов эффект Батурина-Ханжонкова сохраняется под действием механической вентиляции. Наружный воздух не поступает примерно на 80% площади платформы станции. А это не позволяет организовать процесс охлаждения обделки тоннеля и прилегающих грунтов за счет использования периодического изменения температуры наружного воздуха днем и ночью (разница равна 10-15°C) и тем самым сохранить (или существенно замедлить) скорость падения восприятия тепла грунтом и обделкой тоннеля днем в период движения поездов. В результате в теплый период года поступление тепла в обделку и грунт прекращается уже через 1-1,5 месяца и тоннельная вентиляция практически выходит из строя в самый жаркий период года - июль-август, поскольку величина воздухообмена определена на ассимиляцию не всех тепловыделений в тоннеле, а только тепла, которое не воспримет тоннельная обделка и грунт.
Рассмотренный способ вентиляции не обеспечивает заданных условий, т.к. поданный в тоннели воздух не доходит до конца расчетного участка (платформы станции), его количественное распределение по перегонным и станционным тоннелям не соответствует предполагаемой схеме. Тем самым воздух не ассимилирует все теплоизбытки (а на станции это примерно 50% всех тепловыделений на расчетном участке) и не доиспользованный выбрасывается вытяжными вентустановками и через наклонные ходы (эскалаторы, лестницы) на поверхность. В связи с этим конечные температуры воздуха на платформах станций и в тоннелях оказываются выше расчетных.
В вестибюлях, у схода с эскалаторов, на платформах фактические температуры воздуха в самые жаркие дни теплого периода года составляют 30-32°C, влажность 30-70%, а скорость его движения и изменение направления в зависимости от прихода и ухода поездов в среднем 3.6-4 м/с, максимально - 7-9 м/с. С потеплением климата, ростом пассажиропотоков, мощности подвижного состава эта ситуация будет только обостряться.
Пассажиры жалуются на очень высокие температуры воздуха (до 30-32°C) и духоту на платформах станций и глубокого и мелкого заложения.
3
Превышение норм микроклимата связано с недостатками организации воздухообмена, в основном в часы «пик» на пассажиронапряженных станциях и пересадочных узлах. Существуют давно обоснованные и оправданные практикой соотношения воздухоподачи и пассажиропотока в метро. Согласно пункту 5.8.2.2. СНиП32-02-2003 Метрополитены на одного пассажира должно подаваться в часы «пик» не менее 30 м/ч наружного воздуха в час.
3
Состояние дискомфорта создается помимо температуры еще и содержанием в воздухе окиси и двуокиси углерода, а также продуктами жизнедеятельности человека. Содержание этих веществ в подавляющем большинстве метрополитенов не превышает допустимых. Однако на пассажиронапряженных станциях, в переходах, где недостаточен воздухообмен (менее 30 м/час на человека), концентрации двуокиси углерода могут превышать нормы в 1,5 раза.
3
2
В тех же случаях, когда возникает «духота», когда концентрация токсических веществ превышает ПДК, возрастает в воздухе и содержание микроорганизмов, особенно в летний период года. Организация рационального воздухообмена с учетом пассажиропотоков и требований СНиПЗ2-02-2003 Метрополитены (30 м/ч наружного воздуха на пассажира в часы «пик»), качественной влажной уборке помещений позволит привести в соответствие с нормативными параметрами показатели температуры, бактериальную обсемененность, содержание химических веществ (СО, СО) и пыли.
МЕТРОГИПРОТРАНС применил однонаправленную схему тоннельной вентиляции с подачей наружного воздуха на перегоне, а удалением со станции, причем в целях увеличения эффективности применения однонаправленной схемы за счет равномерного распределения всасывания отработанного воздуха удаление воздуха со станции осуществляется через расположенные в подплатформенном пространстве вдоль станции со стороны каждого пути воздуховоды 16 равномерного всасывания постоянного сечения с отверстиями 17 различной площади, фиг. 7. Для снижения «дутья» от поршневого действия поездов предусмотрены противодутьевые сбойки по обе стороны станции (Е.Г. Королев. Системы жизнеобеспечения метрополитена, ж-л «Метро и тоннели», спецвыпуск, май, 2003 г., стр. 54).
Недостаток способа, кроме выше перечисленных, возникает еще один: прекращение удаления воздуха через воздуховод равномерного всасывания в связи с нарушением условий его работы.
В условиях московского метрополитена головной вагон поезда входит на станцию и хвостовой выходит со станции со скоростью 50-55 км/ч. В частном случае, при выходе на платформу станции из тупика и ухода с платформы в тупик скорость поезда равна 25-30 км/час.
Известно, поршневой эффект возникает при скорости 50-55 км/час. На фиг. 8 показаны результаты измерения параметров работы вытяжного воздуховода 16 на платформе станции 1 и с поршневым эффектом только в одном торце. Поршневой поток воздуха проходит через платформу станции и пути на расстоянии около 60 м от торца, через который он входит, следуя дальше по направлению движения, поворачивая при этом назад. Разворот потока заканчивается примерно на расстоянии 90 м. И поток движется в обратном направлении по платформе и второму пути к вытяжному отверстию (в тоннель ухода поездов). Пространство за поворотом струи заполнено вихрем. Рассмотрение данных фиг. 8 указывает на потерю работоспособности большей части воздуховодов равномерного всасывания воздуха (скорость всасывания равна 0) под воздействием поршневого потока, который вызывает эффект эжекции - процесс подсасывания воздуха из отверстия воздуховода за счет более высокого давления и большей скорости поршневого потока. Подсасывание воздуха из отверстий воздуховода равномерного всасывания практически нулевое, т.к. силы всасывания в самом воздуховоде и эжекционного подсасывания почти равны.
Отсутствие поршневого эффекта у другого торца платформы увеличивает зону действия эффекта Батурина-Ханжонкова - поршневой поток, продвигаясь дальше по платформе, не имея встречного сопротивления, смешивается с большим объемом станционного воздуха, скорость смеси снижается, уменьшается кинетическая энергия потока смеси, ослабевает и исчезает эжекция.
На неохваченной поршневым потоком части платформы оставшаяся часть воздуховодов равномерного всасывания функционирует, но в целом отработанный воздух удаляется со станции в объеме ниже расчетного.
В общем случае, при наличии поршневого эффекта на двух торцах платформы станции эффект Батурина-Ханжонкова остается концентрированным в 25-30-метровой зоне у торцов станции. Работа воздуховодов равномерного всасывания нарушается почти полностью - прекращается равномерное распределение всасывания отработанного воздуха со станции.
Целью изобретения является обеспечение одинаковых санитарно-гигиенических условий воздушной среды в разных местах платформы станций метрополитена путем рассредоточенной подачи поршневого потока из тоннеля прихода поездов по длине платформы и повышение эфективности работы станционной вентиляционной шахты за счет ослабления эжекции от поршневого потока.
2
Цель достигается тем, что в способе, включающем подачу поршневого потока смеси вентиляционного и циркуляционного воздуха из тоннелей прихода поездов на платформу в торце станции и рассредоточенное удаление отработанного воздуха через станционную вентиляционную шахту и наклонные ходы, подачу смеси на платформу станции осуществляют рассредоточенно, при этом примерно 1/3 часть от объема потока смеси, поступающей из тоннеля на станцию, подают в виде наклонных компактных струй к средней трети платформы станции из отверстий в торце канала с площадью сечения примерно 8 м, расположенного под сводом платформы, подведенного из тоннеля прихода поездов, забор смеси в канал происходит под действием поршневого эффекта или поршневого эффекта и дополнительного вентилятора. Причем место забора тоннельного воздуха в канал располагается до области взаимодействия тоннельного потока и вытяжного отверстия станционной шахты, что снижает эффект эжекции поршневого потока, оставшаяся часть поршневого потока поступает на платформу из тоннелей прихода поездов в торце станции.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 9 и 11 изображена схема воздушных потоков в тоннелях и на станции; на фиг. 10 - разрез А-А фиг. 9.
Схема включает: станцию 1, перегонные тоннели 2, перегонные вентиляционные шахты 9, станционную вентиляционную шахту 10, шахтные вентиляторы 11, подплатформенные каналы 16, вытяжные отверстия 17 в подплатформенных каналах, приточный канал 18 под сводом платформы, дополнительный вентилятор 19, тоннели наклонных ходов 8, отверстия: приточные 4, вытяжные 5, в местах примыкания тоннелей 2 к торцевым стенам станции 1.
Способ осуществляется следующим образом.
Смесь вентиляционного и циркуляционного потока воздуха направленно движется по тоннелю 2 за счет поршневого эффекта от движения поездов 12, при этом отработанный воздух всасывается рассредоточенно через вентиляционную станционную шахту 10.
Перед выходом из тоннеля 2 на станцию воздушная смесь разделяется на два потока: один по вентиляционному каналу 18 подается в районе средней трети платформы ввиде наклонных компактных струй, другой в виде ослабленного поршневого потока поступает из тоннеля через приточное отверстие 4 в торце станции. Ослабление поршневого потока ведет к ослаблению эжекции, что приближает к проектной производительность вытяжной станционной шахты 10.
В центре платформы станции возникают два воздушных потока в сторону вытяжки (тоннелей ухода поездов через вытяжные отверстия 5, заборных отверстий станционной шахты 10, наклонных ходов 8). Каждый поток по мере движения к вытяжке пополняется ослабленным поршневым потоком, поступающим на платформу через приточные отверстия 4 в торце станции непосредственно из тоннелей прихода поездов, и одновременно по ходу движения часть потока отработанного воздуха рассредоточенно удаляется станционной шахтой 10 через вытяжные отверстия 17 подплатформенного воздуховода 16 вдоль платформы станции. Такое разбавление основного потока свежим вентиляционным воздухом выравнивает концентрации вредностей по всему объему станции.
Таким образом, предлагаемый способ позволяет добиться поставленной цели.