64 УДК 625.786, 621.1, 621.59 УСТРОЙСТВО РЕВЕРСИВНОЙ ТОННЕЛЬНОЙ ВЕНТИЛЯЦИИ МЕТРОПОЛИТЕНОВ С ЧАСТИЧНОЙ РЕЦИРКУЛЯЦИЕЙ ВОЗДУХА Магистр техн. наук КАЩЕЕВА О. В., инж. ВОРОНОВ Е. О., канд. техн. наук КАЩЕЕВ В. П., инж. ЖИДОВИЧ И. С., докт. техн. наук СОРОКИН В. Н., студ. КЛИМЕНКОВА О. Л. РУП «Минскэнерго», Белорусский национальный технический университет Опыт эксплуатации метрополитенов показывает, что на самочувствие пас- сажиров и работоспособность обслуживающего персонала существен- но влияют гигиенические условия, а также состояние воздушной среды и микроклимата в тоннелях и сооружениях. Установлено, что основными вредностями в метрополитене являются теплота, влага и двуокись углерода, 65 выделяющиеся от трансформации энергии, затрачиваемой на движение поез- дов и работу оборудования, от жизнедеятельности пассажиров и обслужива- ющего персонала, а также различные газы, которые могут попасть в тоннель с наружным воздухом, из грунтов, коммуникаций, пересекающих тоннели и рядом с ними расположенных. Кроме того, вредны для метрополитена пыль, образующаяся в тоннелях и поступающая с вентиляционным воздухом, мас- ляный туман и микробиологическая обсемененность воздуха. Как правило, наружный воздух, подаваемый в тоннели, не обрабатывается (из-за больших затрат на этот процесс). Температура и влажность воздуха влияют на сохран- ность и безаварийность работы технологическо- го оборудования метрополитена. Относительная влажность воздуха более 75 % и его температура выше 35 °С неблагоприятно сказываются на работе элек- тротехнического оборудования. В летний период при большой влажности и высокой температуре наружного воздуха во избежание появления конденсата на внутренних поверхностях тоннелей и станций могут потребоваться осуше- ние наружного воздуха и устройство местных подогревов электротехническо- го оборудования [1]. Устройство для обогрева ствола шахты [2] разработано для предотвраще- ния его обмерзания в зимнее время и создания более комфортных условий. Оно содержит калорифер, через который пропускают подаваемый в ствол шахты атмосферный воздух. Там воздух нагревается отработанным воздухом, выходящим из шахты. К недостаткам устройства можно отнести невозможность регулирования состава подаваемого в тоннели воздуха и его влажности. Также известно устройство для охлаждения воздуха шахт [3], содержащее шахтную холодильную установку, включающую компрессор, конденсатор, дроссель, испаритель, канал подачи наружного воздуха, систему подачи хладоносителя и воздухоохладительные аппараты, размещенные в глубоких горизонтах шахты. Теплота, удаляемая из шахты, сбрасывается в окружающую среду. Проблема глубоких шахт связана с ростом температу- ры с глубиной – в глубоких шахтах, как, например в ЮАР, она доходит до 50 °С и выше. Недостатки этого устройства – большие затраты электроэнергии и невоз- можность регулирования состава подаваемого в тоннели воздуха и его влаж- ности. Разработано устройство для вентиляции шахт [4], включающее шахтную холодильную установку, имеющую компрессор, теплообменники – конденса- тор и испаритель, дроссельное устройство, канал подачи наружного воздуха, систему подачи холодоносителя и воздухоохладительные аппараты в глубо- ких горизонтах шахты. В зимний период для предотвращения обмерзания ствола шахты наружный воздух на входе в нее подогревают в конденсаторе. Недостатки устройства – большие затраты электроэнергии и невозмож- ность регулирования состава подаваемого в тоннели воздуха и его влаж- ности. Устройство для регулирования теплового режима тоннелей метрополитена [5] содержит оборудование для нагнетания атмосферного воздуха с поверхности в районе центральной сбойки в тоннели перегона метропо- 66 литена. Боковыми сбойками и станциями тоннели метрополитена разбиты на отдельные контуры с равным тепловыделением, где циркуляционный воздух воспринимает теплоту, выделившуюся поездами и другими источниками. В боковых сбойках находятся холодильные установки, в которых циркуляцион- ный воздух охлаждается до исходной температуры. Смешиваясь с приточным воздухом, он охлаждает его, приводя тем самым к нормализации климатиче- ских условий. Исходящий воздух отсасывают через подплатформенное про- странство станций и подходные тоннели и по шахтам выводят на поверх- ность. Недостатками устройства являются большие затраты электроэнергии и невозможность регулирования состава подаваемого воздуха. Кроме вредных веществ из наружного воздуха, геологические породы тоннелей могут «ды- шать» – выделять какие-то газы, которые остаются в циркуляционном конту- ре. Известно устройство для реверсивной тоннельной вентиляции метрополи- тенов с частичной рециркуляцией воздуха, содержащее вентиляции- онные тоннели, перегонные тоннели, соединенные вентиляционными сбойка- ми, вентиляционные шахты, стволы которых сообщены с вентиляци- онными камерами тоннельной вентиляции, соединенными с перегоны- ми тоннелями. Устройство имеет установки для подачи наружного воздуха, включающие воздухозаборные механизмы, вентиляторы, регуляторы расхода воздуха, содержащие автоматически регулируемые жалюзи, венти- ляторы для принудительного удаления отработанного воздуха на по- верхность, установки для частичной рециркуляции отработанного возду- ха [6, 7]. К недостаткам этого предложения можно отнести нестабильный темпера- турный и влажностный режим воздуха в тоннелях и на станциях метрополи- тена, вызванный резкими изменениями температуры и влажности наружного воздуха в течение года и суток. Устройство реверсивной тоннельной вентиляции метрополитенов допол- нительно содержит тепловой насос, испарительная зона которого служит для охлаждения части удаляемого отработанного воздуха и соединена с сепарато- ром разделения жидкой и газообразной фракций, блок их раздельной очистки и удаления в канализацию нейтрализованной жидкой фракции, устройство для возвращения газообразной части в сооружения метрополитена, соединя- ющие их трубопроводы с арматурой. Кроме того, оно имеет рекуперативные теплообменные устройства для нагрева поступающего наружного воздуха от- работанным и исполнительно-аналитиче- ский комплекс для осуществления оптимальной работы устройства в автома- тическом режиме. При работе часть отработанного воздуха охлаждается в испарительной зоне теплового насоса до выделения конденсата, затем в сепараторе разделя- ется на жидкую и газообразную фракции, в блоке их раздельной очистки жид- кая фракция нейтрализуется и удаляется в канализацию, газовая фракция очищается, а в устройстве для возвращения газообразной части в сооружения метрополитена смешивается с наружным приточным воздухом и затем вновь подается в перегонные тоннели. При этом доля отбираемого и 67 возвращаемого воздуха составляет 5–7 % от общего количества удаляемого воздуха, порцию отбираемого воздуха охлаждают до 5–7 °С. Отбираемая теплота после повышения температурного уровня в испари- тельной зоне теплового насоса используется для отопления, горячего водо- снабжения и вентиляции сооружений и оборудования метрополитена, в хо- лодный период часть теплоты используется для создания тепловой завесы входных устройств метрополитена, в зимний период часть теплоты подают в приточные вентиляционные шахты и порталы, соединяющие закрытую трассу метрополитена с открытой, в зимний период отбирается максимальное коли- чество воздуха, а в летний – минимальное. Рекуперативные теплообменные устройства для нагрева поступающего из атмосферы воздуха отработанным позволяют при необходимости повышать температуру поступающего в метрополитен воздуха до необходимого уровня. Исследования показали, что если охладить воздух до точки росы, т. е. до той температуры, когда вода переходит в жидкую фазу, то основные вредные вещества, содержащиеся в воздухе, переходят в конденсат. Таким образом, порция воздуха, которую смешивают с поступающим в метрополитен атмосферным воздухом, не содержит основных вредностей метрополитена – теплоты и влаги. Наружный же воздух может дополнительно содержать пыль, масляный туман, жидкие и твердые продукты промышлен- ных выбросов, выхлопные газы автомобильного транспорта. Поэтому добав- ление в атмосферный воздух, поступающий в метрополитен, порции очищен- ного воздуха со стабильными температурой и влажностью, приводит к уменьшению колебаний этих параметров во времени, созданию комфортных условий для пассажиров, обслуживающего персонала и работы оборудования. Так как теплоту у порции рециркулирующего воздуха отбирают в испари- тельной зоне теплового насоса, в его конденсатной зоне потенциал теплоты повышается до нужного уровня и она может быть использована для отопле- ния, вентиляции и горячего водоснабжения сооружений и оборудования мет- рополитена. Благодаря этому экономится энергия, которую надо было затра- тить для этих целей. В холодный период часть этой теплоты может быть ис- пользована для создания тепловой завесы входных устройств метрополитена. Для предотвращения обледенения в зимний период часть теплоты может быть подана в приточные вентиляционные шахты и порталы, соединяющие закры- тую трассу метрополитена с открытой. Это уменьшает энергозатраты метро- политена. В связи с тем что зимой возрастает требуемое количество теплоты, в этот период отбирается максимальное количество воздуха, а в летний – ми- нимальное. На рис. 1 изображен участок системы вентиляции метрополитена, а на рис. 2 – разрез А–А на рис. 1. Предлагаемая система реверсивной тоннельной вентиляции метрополите- нов с частичной рециркуляцией содержит перегонные вентиляционные шахты 1, стволы которых сообщены с вентиляционными камерами 2 тоннельной вентиляции. Камеры сообщены, в свою очередь, с параллельными перегон- ными тоннелями 3 посредством нижних вентиляционных тонне- лей 4. В участке системы вентиляции, представленном на рис. 1, ствол шахты, вентиляционная камера и нижний вентиляционный тоннель 4 расположены между параллельными перегонными тоннелями. К стволу каждой шахты при- 68 мыкает вентиляционная камера вентиляционной установки с расположенны- ми в ней вентиляторами 5, переходящая в нижний вентиляционный тоннель 4 с шумопоглотителями 6. С другой стороны ствол шахты сообщен с вентиля- ционным тоннелем 7, в котором установлен регулятор расхода воздуха, в частности автоматически регулируемые жалю- зи 8. Тоннель 7 примыкает к перегонному тоннелю и сообщен с ним на участ- ке, расположенном по ходу движения поезда перед вентиляционной камерой и нижним вентиляционным тоннелем 4. В стволе шахты по всей его высоте вертикальной перегородкой 9 образованы два изолированных канала 10 и 11. Верхний конец канала 10 заканчивается воздухоудаляющим устройством (ки- оском) 12, а верхняя часть канала 11 сообщена с вентиляционным тоннелем 13, а он – с воздухозаборным устройством 14. Нижние концы каналов 10 и 11 сообщены с вентиляционным тоннелем 7 и вентиляционной камерой соответ- ственно. Рис. 1. Устройство реверсивной тоннельной вентиляции метрополитенов с частичной рециркуляцией воздуха: – направление движения поезда; – то же потоков воздуха системы вентиляции; – то же циркуляци- онных воздушных потоков; – то же удаляемого в атмосферу воздуха Рис. 2. Разрез А–А на рис. 1 Так же как и в вентиляционном тоннеле 7, в верхнем вентиляционном тон- неле 13 канала 11 и на выходе из канала 10 установлены регуляторы расхода 7 8 1 10 2 6 16 15 5 4 3 3 А А «а «б» 1 11 31 30 28 29 32 33 26 25 27 17 18 19 22 23 20 21 24 29 7 2 5 4 3 12 13 14 8 8 1 9 «а» «б» А-А «а» «б» 69 воздуха – автоматически регулируемые жалюзи. Перегородка может быть вы- полнена складной для проведения ремонтных работ в стволах вентиляцион- ных шахт. Возможен вариант перегородки из мягкого эластичного материала. В перегонном тоннеле на участке между местом его сообщения с вентиляци- онным тоннелем 7 и нижним вентиляционным тоннелем 4 установлены диа- фрагмы 15. Перегонные тоннели соединены также вентиляционными сбойка- ми 16. Особенность предлагаемой системы реверсивной тоннельной вентиляции метрополитенов с частичной рециркуляцией состоит в том, что она содержит тепловой насос 17 с испарительной и конденсационной частями 18 и 19 соот- ветственно, сепаратор 20 для разделения полученных в холодильнике – испа- рительной зоне 18 теплового насоса – жидкой и газообразной фаз после охла- ждения использованного в метрополитене воздуха, идущего по каналу 10, блок 21 очистки воздуха, очистное устройство 22 для нейтрализации жидких фракций с линией 23 подачи продуктов нейтрализации в канализацию, соеди- няющие их трубопроводы с арматурой, в том числе линия «а» подачи очи- щенного воздуха в тоннель 11, и исполнительно-аналитический комплекс для осуществления работы устройства в автоматическом режиме. Кроме того, имеется рекуперативный теплообменник 24 для подогрева «свежего», поступающего из атмосферы воздуха за счет теплоты удаляемого из метрополитена по каналу 10 отработанного воздуха с линией «б» подачи его в канал 11. Через конденсатную зону 19 теплового насоса проходит линия 25 тепло- снабжения потребителя 26 теплоты (отопление, горячее водоснабже ние и вентиляция сооружений и оборудования метрополитена), имеющая во- дяной насос 27, байпасную линию 28 с регулятором 29, теплообменником 30 с линией 31 подачи теплоты в холодный период для создания тепловой завесы входных устройств метрополитена и подачи в зимний период части этой теп- лоты в приточные вентиляционные шахты и в порталы, соединяющие закры- тую трассу метрополитена с открытой. Также через потребителя теплоты про- ходит линия его традиционного теплоснабжения – по линии 32 поступает прямая сетевая вода, а по линии 33 уходит обратная сетевая вода. Устройство работает следующим образом. Часть удаляемого из метрополитена воздуха из канала 10 пропускают че- рез испарительную зону 18 теплового насоса, где происходит ее охлаждение ниже точки росы, что приводит к конденсации части влаги. Большая часть вредных веществ переходит в эту сконденсировавшуюся влагу. Затем в узле- сепараторе разделяют сконденсировавшиеся и несконденсировавшиеся ком- поненты. Очистку полученных фракций производят раздельно (воздуха – в очистном устройстве, жидкости – в очистном устройстве), что значительно упрощает и удешевляет ее – жидкие фракции, в основном углекислоту, можно нейтрализовать щелочью, газы – очистить на различных фильтрах. Очищен- ный воздух по линии «а» поступает в канал 11, нейтрализованные жидкие ве- щества направляют в канализацию по линии 23. В холодный период года работает рекуперативный теплообменник для по- догрева «свежего» поступающего из атмосферы воздуха за счет теплоты уда- ляемого из метрополитена по каналу 10 отработанного воздуха с ли- нией «б» его подачи в канал 11, включается байпасная линия с регулятором, 70 теплообменником с линией подачи теплоты для создания тепловой завесы входных устройств метрополитена и для подачи части этой теплоты в приточ- ные вентиляционные шахты и порталы, соединяющие закрытую трассу мет- рополитена с открытой. Тепловой насос повышает температурный уровень низкопотенциальной теплоты рециркулируемого воздуха, что позволяет использовать эту теплоту для отопления, горячего водоснабжения и вентиляции. Поэтому для отопле- ния, вентиляции и горячего водоснабжения теплового потребителя, его слу- жебных и вспомогательных помещений, используют теплоту, выделяющуюся в тепловом насосе, а при ее недостатке – теплоту традиционных источников. Команды для подачи в канал 11 определенного количества атмосферного воздуха, для регенерации фильтров, включения и отключения исполнитель- ных органов, изменения расходов сред дает исполнительно-аналити- ческий комплекс, анализирующий текущую ситуацию. Под воздействием вентиляторов, работающих на приток наружного возду- ха в перегонные тоннели, наружный воздух засасывается через вентиляцион- ные киоски системы, поступает по верхним вентиляционным тоннелям через расположенные в них автоматически регулируемые жалюзи в верхнюю часть каждого из стволов шахт. После этого наружный воздух смешивается с пото- ком воздуха, поступающим по линии «б», нагретым до положительных тем- ператур сбросной теплотой метрополитена в рекуперативном теплообменнике (только в холодный период) и по линии «а» с холодным воздухом, прошедшим через испарительную зону теплового насоса. Смешение этих потоков воздуха происходит в верхней части стволов шахт. Вследствие создаваемого вентиляторами разряжения и поршневого эффек- та движения поездов нагретый внутритоннельный воздух из перегонных тон- нелей по примыкающим к ним вентиляционным тоннелям через расположен- ные в последних автоматически регулируемые жалюзи и сопряженные с вен- тиляционными тоннелями каналы 10 поступает в верхнюю часть стволов шахт, отдает свою теплоту в тепловом насосе и рекуперативном теплообмен- нике (в холодный период) и удаляется в атмосферу через киоск. Смешение таких потоков воздуха позволяет получить нужную стабильную температуру смеси, а затем смешанный воздух поступает по вентиляционным каналам 11 стволов шахт в перегонные тоннели с помощью вентиляторов, расположенных в вентиляционных камерах и принудительно подающих сме- шанный воздух в сопряженные с перегонными тоннелями нижние вентиляци- онные каналы 4 через установленные в них глушители шума. Далее часть по- тока воздуха поступает по перегонным тоннелям, а часть – через вентиляционные сбойки 15 в другие параллельные перегонные тоннели, где смешивается с потоками воздуха, движущимися по этим тонне- лям. Причем смешение наружных вентиляционных потоков воздуха произво- дится также в количествах, исключающих ухудшение качества подаваемого в метрополитен смешанного потока воздуха по санитарным нормам, требую- щим непревышения нормативного содержания в смешанном потоке газовых и бактериальных загрязнений. В перегонных тоннелях устанавливаются диа- фрагмы для создания дополнительного аэродинамического сопротивления циркуляционным потокам воздуха, движущимся по перегонным тоннелям, что обеспечивает поступление большей части нагретого до положительной 71 температуры циркуляционных потока воздуха по вентиляционным тоннелям к стволам шахт. Пример использования предлагаемого технического решения и технико- экономическая оценка целесообразности применения системы утилизации теплоты вытяжного воздуха в системе теплоснабжения станции метрополите- на. Расчет сделан для станции «Тракторный завод» Минского метрополитена. Технико-экономическая оценка Исходные данные: 1. Расчетная тепловая нагрузка, в том числе на: 173,9 кВт • отопление 93,3 кВт • горячее водоснабжение 80,6 кВт 2. Годовая продолжительность тепловой нагрузки, в том числе на: • отопление 7000 ч • горячее водоснабжение 3 ч/сут., 1095 ч/год 3. Стоимость энергоносителей (средняя за сутки на 2010 г.): • 1 МВт⋅ч электроэнергии, потребляемой тепловыми насосами и другим электрооборудованием 150 дол. • 1 Гкал теплоты из системы ЦТ 60 дол. Технические предложения: Вариант 1 (базовый). Централизованное теплоснабжение от городской тепловой сети (ЦТ). Вариант 2. Теплоснабжение от теплонасосной установки (ТНУ) на основе теплового насоса «воздух–вода» с блоком очистки и охлаждения воздуха на станции метро. Результаты технико-экономических расчетов приведены в табл. 1. Таблица 1 Наименование показателя Единица измерения Вариант 1 (базовый) Вариант 2 Годовое потребление теплоты, всего в том числе на: • отопление • горячее водоснабжение Гкал –«– –«– 525,2 449,3 75,9 525,2 449,3 75,9 Потребляемая мощность теплоисточниками, всего, • в том числе ТНУ кВт –«– – – 34,8 34,8 Годовой расход: • теплоты из сети ЦТ • электрической энергии ТНУ* Гкал МВт⋅ч 525,2 – – 152,7 Окончание табл. 1 Наименование показателя Единицы измерения Вариант 1 (базовый) Вариант 2 Единовременные капитальные вложения на тепло- снабжение, всего в том числе на сооружение: тыс. дол. 15,0 58,0 72 • сети ЦТ • ТНУ –«– –«– 15,0 – – 58,0 Ежегодные эксплуатационные расходы, всего в том числе стоимость: • теплоты от сети ЦТ • электрической энергии, потребляемой ТНУ тыс. дол. –«– 32,7 31,5 – 27,0* – 22,9 Приведенные затраты тыс. дол. 34,2 32,8 Срок окупаемости дополнительных капитальных вложений лет – 7,5* * Без учета эффекта сокращения расхода электрической энергии на привод вентиляторов, удаляющих теплоизбытки при теплоснабжении по варианту 1. Кроме того, применение устройства позволяет создать комфортные условия в метрополитене, использовать ранее бесполезно выбрасываемую теплоту, а также значительно упростить эксплуатацию тоннельных сооруже- ний и уменьшить эксплуатационные расходы. В Ы В О Д Таким образом, задача исследования – стабилизация температурного и влажностного режимов атмосферы метрополитена при его работе, создание комфортных условий для пассажиров и обслуживающего персонала, умень- шение влияния вредностей, вносимых наружным воздухом, уменьшение энер- гетических затрат на обслуживание помещений метрополите- на – достигнута. Л И Т Е Р А Т У Р А 1. Ц о д и к о в, В. Я. Вентиляция и теплоснабжение метрополитенов / В. Я. Цодиков. – М.: Недра, 1975. – С. 29–30. 2. А. с. 64099 СССР, Кл. E 21 F 3/00.Способ обогрева ствола шахты / Б. Н. Лобаев. – Заявл. 05.11.1940 в Наркомуголь за № 38307 (303.604); опубл. 31.08.44, зарегистрировано в Бюро изобретений Госплана при СНК СССР. 3. Щ е р б а н ь, А. М. Кондиционирование рудничного воздуха / А. М. Щербань, А. Н. Ягельский. – M.: Углетехиздат, 1956. – С. 171–172. 4. А. с. 592991 СССР, МКИ Е 21 F 3/00. Шахтная воздухоохладительная установка / В. А. Бойко, В. Б. Скрыпников, В. К. Черниченко, А.Г. Аничхин, О. К. Помазан. – № 2060779/22-03; заявл. 19.09.74; опубл. 15.02.78 // Открытия. Изобретения. – 1978. – № 6. 5. А. с. 1567793 СССР, МКИ E 21 F 3/00. Способ регулирования теплового режима тонне- лей метрополитена / С. Г. Гендлер, В. А. Соколов, Э. М. Юшковский, Т. С. Быстрова. – № 4385001/31-03; заявл. 29.02.88; опубл. 30.05.90 // Открытия. Изобретения. – 1990. – № 20. 6. Пат. 2243 846 ФРГ, Belueftungssystem fuer U–Bahnen, Erfinder: Swaty, Franz, Vertreter: Magenbauer, R., МКИ Е 01g 7/02, заявл. 07.09.72; опубл. 17.05.73 с приоритетом в Австрии от 16.09.71. 7. А. с. 1090884 СССР, МКИ E 21 F 1/00. Способ реверсивной тоннельной венти- ляции метрополитенов с частичной рециркуляцией воздуха / В. Я. Цодиков, В. В. Котов, И. В. Маковский, А. А. Абросов, П. А. Васюков, Э. В. Сандуковский, В. Г. Россовский, Г. А. Земцов. – № 3537622/29–03; заявл. 26.11.812; опубл. 07.05.84. // Открытия. Изобретения. – 1984. – № 17. Представлена кафедрой ТЭС Поступила 07.07.2011