СИСТЕМА ВЕНТИЛЯЦИИ МЕТРОПОЛИТЕНА
UNDERGROUND VENTILATION SYSTEM

Изобретение относится к области городского транспорта, а именно к городскому метрополитену.
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 наружного воздуха приходится прибегать к снижению подачи 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, особенно в связи с наблюдающимся общим потеплением климата и увеличивающимся из года в год пассажиропотоком, который вносит свой вклад в увеличивающийся дисбаланс теплового режима метрополитена, требующего нового подхода к вентиляции 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: выбрасывается в атмосферу с вытяжным воздухом системы вентиляции, приводит к перегреву грунтовых массивов, окружающих тоннели и объекты метрополитена, и снижению теплоотвода в грунт, что приводит к повышению температуры внутреннего воздуха на станциях. Для иллюстрации этой ситуации на рисунке 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, достаточном для поддержания нормативного содержания кислорода и углекислого газа в воздушной среде метрополитена и равном 20-30% от рассчитанного по теплоизбыткам объема воздуха для вентиляции, 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 прототипа является то, что в материалах патента не раскрыт способ и устройство термодинамической обработки воздуха, к тому же, обработка воздуха производится в отдельной камере, удаленной от вентиляционных шахт, что приводит к поступлению в тоннели термодинамически необработанного воздуха и удалению воздуха, обладающего повышенным теплосодержанием.
Предлагается система вентиляции метрополитена, включающая оснащенные вентиляторами приточные и вытяжные шахты с устройствами термодинамической обработки воздуха в виде водовоздушных теплообменных аппаратов, объединенных между собой в общий гидравлический контур теплоизолированным трубопроводом, располагаемым внутри перегонных тоннелей, при этом теплообменные аппараты подключены к гидравлическому контуру параллельно и перед каждым из них установлены циркуляционные насосы с частотно-регулируемым приводом, обеспечивающие увеличение расхода теплоносителя через теплообменные аппараты при увеличении расхода воздуха через приточную и вытяжную шахты и уменьшение расхода теплоносителя при уменьшении расхода воздуха за счет подпора или разрежения от поршневого эффекта проходящего поезда.
Кроме того, для повышения эффективности предлагается дополнительно включить в общий гидравлический контур тепловой насос, конденсаторы которого встроены непосредственно перед теплообменным аппаратом, нагревающим приточный воздух, а испаритель - перед теплообменным аппаратом, охлаждающим вытяжной воздух, при этом тепловой насос имеет опцию реверсирования.
Как варианты, предлагается последовательное подключение теплообменников, использование в вентиляционных шахтах вместо водо-водяных теплообменников воздушных конденсаторов и испарителей тепловых насосов, а также использование теплоты (в зимнее время) и хладоресурса (в летнее время) дренажных вод метрополитена.
Устройства поясняются рисунками на фиг. 2, 3, 4, 5 и 6.
На фиг. 2 приведена система вентиляции секции тоннеля 1 в режиме подогрева приточного воздуха с приточными 2 и вытяжной 3 вентиляционными шахтами с установленными в них вентиляторами 4 и водовоздушными теплообменниками 5 и 6 с циркуляционными насосами 7 с частотным регулированием привода, причем теплообменники 5 и 6 объединены параллельным соединением в общий заполненный теплоносителем гидравлический контур 8, состоящий из двух параллельных ветвей 9 и 10. При этом циркуляционные насосы 7 вытяжных шахт 3 входом подключены к одной из ветвей, а приточных шахт 2 - к другой.
Устройство работает следующим образом.
Циркуляционный насос 7 вытяжной шахты 3 забирает теплоноситель из ветви 9 гидравлического контура 8 и подает в теплообменник 6, где он подогревается, охлаждая теплый вытяжной воздух (отмечено знаком -), и возвращается в ветвь 10 гидравлического контура 8, откуда другим циркуляционным насосом 7 приточной шахты подается в теплообменник 5 и нагревает приточный воздух (отмечено знаком +), а охладившись, сбрасывается в ветвь 9. Таким образом, при работе системы образуются теплая 10 и холодная 9 ветви гидравлического контура 8.
При изменении расхода воздуха через шахты за счет поршневого эффекта движущегося по тоннелю 1 поезда производительность циркуляционных насосов 7 соответственно изменяется за счет частотного регулирования - при увеличении расхода воздуха увеличивается, а при уменьшении - уменьшается. Управление производительностью насосов 7 может осуществляться через контроллер, например, по датчику давления воздуха или по анемометру.
Предлагаемое устройство конкретизирует метод термодинамической обработки воздуха и позволяет использовать в системе вентиляции поршневой эффект от движущегося поезда для повышения эффективности работы теплообменников.
На фиг. 3 приведена схема повышения теплотехнической эффективности предлагаемого устройства. В общем гидравлическом контуре 8 установлены реверсивные тепловые насосы 11, при этом конденсатор К теплового насоса 11 установлен в ветви 10 гидравлического контура 8 перед теплообменниками 5 приточных шахт 2 по ходу теплоносителя, а испаритель И - в ветви 9 гидравлического контура 8 перед теплообменником 6 вытяжной шахты 3.
Устройство работает следующим образом. Подогретый теплым вытяжным воздухом теплоноситель из теплообменника 6 вытяжной шахты 3 поступает в ветвь 10 гидравлического контура 8 и затем в конденсатор К теплового насоса 11, где дополнительно нагревается и подается циркуляционным насосом 7 в теплообменник 5 приточной шахты 2, где охлаждается, подогревая холодный приточный воздух, и поступает в ветвь 9 гидравлического контура 8. Затем теплоноситель поступает в испаритель И теплового насоса 11, охлаждается, отдавая теплосодержание в конденсатор К теплового насоса 11, а оттуда снова циркуляционным насосом 7 подается в теплообменник 6 вытяжной шахты 3.
В летний период, при высокой температуре окружающего воздуха, когда требуется охлаждение приточного воздуха, тепловой насос 11 реверсируется, то есть конденсатор К и испаритель И меняются местами.
Применение теплового насоса позволяет увеличить разность температур теплоносителя и воздуха на теплообменниках 5 и 6, и тем самым повысить их эффективность.
На фиг. 6 приведена схема термодинамической обработки приточного воздуха с дополнительным использованием теплового ресурса дренажной воды метрополитена.
В общий гидравлический контур 8, содержащий водовоздушные теплообменники 5 и 6, тепловые насосы 11, на входе в ветвь 9 дополнительно включен теплообменник 12, погруженный в водосборник дренажной воды 13.
В режиме подогрева приточного воздуха при циркуляции в гидравлическом контуре 8 теплоносителя, последний, проходя через теплообменник 12, подогревается и поступает в испарители И тепловых насосов 11, повышая эффективность работы последних. В режиме охлаждения приточного воздуха в летний период, когда тепловые насосы работают в реверсивном режиме и конденсаторы К и испарители И меняются местами, теплоноситель охлаждается в теплообменнике 12 и, поступая в конденсаторы (бывшие испарители И), тепловых насосов 11, повышает эффективность последних при производстве холода.
На фиг. 4 приведен вариант схемы с последовательным соединением теплообменников.
Теплообменники 5 приточных шахт 2 с приточными вентиляторами и теплообменники 6 и вытяжных шахт 3 с вытяжными вентиляторами присоединены к гидравлическому контуру 8 последовательно, причем по ходу теплоносителя перед теплообменниками 5 в ветви 10 гидравлического контура 8 установлены конденсаторы К, а перед теплообменниками 6 - испарители И реверсивных тепловых насосов 11. При этом конденсаторы К или испарители И соответствующих тепловых насосов 11 включены в ветвь 9 циркуляционного контура 8.
Система работает следующим образом. Теплоноситель ветви 10 гидравлического контура 8 поступает в конденсатор К теплового насоса 11, расположенный перед приточной шахтой 2, нагревается и, затем, поступает в теплообменник 5 приточной шахты 2, где охлаждается, отдавая теплоту приточному воздуху. Затем охлажденный теплоноситель возвращается в ветвь 10 гидравлического контура 8 и в испаритель И следующего теплового насоса 11, расположенный перед вытяжной шахтой 3, откуда, дополнительно охлажденный, поступает в теплообменник 6 и, охлаждая вытяжной воздух, нагревается, возвращается в ветвь 10 и поступает в конденсатор К следующего теплового насоса 11, подогревается и направляется в теплообменник 5 следующей приточной шахты. Конденсаторы К и испарители И соответствующих тепловых насосов 11, включенные в ветвь 9 гидравлического контура 8 сбрасывают или забирают тепловую энергию теплоносителя. В летний период, когда требуется охлаждение приточного воздуха, тепловые насосы 11 реверсируются и конденсаторы К и испарители И меняются местами.
На фиг. 5 приведен вариант схемы, где вместо водовоздушных теплообменников в вытяжных и приточных шахтах применены воздушные конденсаторы и испарители тепловых насосов.
В приточных 2 и вытяжных 3 шахтах установлены соответственно воздушные конденсаторы К и воздушные испарители И водовоздушных тепловых насосов 11, а соответствующие гидравлические испарители И и конденсаторы К тех же тепловых насосов 11 включены в общий гидравлический контур 8, заполненный циркулирующим теплоносителем.
Устройство работает следующим образом. В приточных шахтах 2 воздушными конденсаторами тепловых насосов 11 производится нагрев приточного воздуха за счет использования теплоты теплоносителя гидравлического контура с помощью гидравлических испарителей тех же тепловых насосов 11, а в вытяжных шахтах 3 воздушными испарителями И охлаждается теплый вытяжной воздух, при этом утилизированная теплота через гидравлический конденсатор К того же теплового насоса 11 отводится в теплоноситель гидравлического контура 8. При отсутствии в гидравлическом контуре 8 баланса поступающей и извлекаемой теплоты в нем могут быть установлены дополнительные источники теплоты или холода, позволяющие поддерживать в нем постоянную температуру. В летний период, когда требуется охлаждение приточного воздуха, тепловые насосы 11 реверсируются, и конденсаторы и испарители меняются местами.