Klimatyzacja tuneli komunikacyjnych

Budownictwo Podziemne i Bezpieczeństwo w Komunikacji Drogowej i Infrastrukturze Miejskiej
Klimatyzacja tuneli komunikacyjnych
Piotr Łuska
Termospec Sp. z o.o.
Stanisław Nawrat
AGH Akademia Górniczo - Hutnicza
STRESZCZENIE: W
tunelach pełniących funkcje komunikacyjne (tunele drogowe,
kolejowe, metra i inne) powinny być zapewnione odpowiednie warunki higieniczne dla ich
użytkowników, obejmujące między innymi głównie skład chemiczny i temperaturę
powietrza. Wymagania te dotyczą tuneli zarówno w fazie drążenia tuneli, jak i ich w fazie
eksploatacji.
Jednym
z
podstawowych
problemów
rzutujących
bezpośrednio
na
bezpieczeństwo i komfort cieplny w tunelach jest możliwość usuwania nadmiaru ciepła
wydzielającego się z górotworu oraz ciepła wydzielanego przez pojazdy, maszyny i inne
urządzenia znajdujące się w tunelu. Podstawowym środkiem opanowania trudnych warunków
cieplnych w tunelu jest efektywna ich wentylacja. Jednakże w niektórych przypadkach może
zachodzić konieczność klimatyzacji tuneli poprzez zastosowanie odpowiednich urządzeń
i systemów chłodniczych.
SŁOWA KLUCZOWE: Tunele komunikacyjne, metra, warunki cieplne, wentylacja,
klimatyzacja, urządzenia chłodnicze
1. WPROWADZENIE
W tunelach pełniących funkcje komunikacyjne (tunele drogowe, kolejowe, metra i inne)
powinny być zapewnione odpowiednie warunki higieniczne dla ich użytkowników
obejmujące głównie skład chemiczny
i temperaturę powietrza. Wymagania te dotyczą
zarówno faz drążenia tuneli, jak i ich eksploatacji. Jednym z podstawowych problemów
rzutujących bezpośrednio na bezpieczeństwo i komfort cieplny w tunelach jest możliwość
usuwania nadmiaru ciepła wydzielającego się z górotworu oraz ciepła wydzielanego przez
pojazdy, maszyny i inne urządzenia znajdujące się w tunelu.
95
Budownictwo Podziemne i Bezpieczeństwo
ństwo w Komunikacji Drogowej i Infrastrukturze Miejskiej
2. WARUNKI CIEPLNE W TUNELACH
Znane sąą przypadki występowania
ępowania trudnych warunków cieplnych w budowanych
tunelach, na przykład podczas drążenia
ążenia tunelu kolejowego Gotthard Basistunnel wystą
wystąpiły
trudności
ś
technologiczne związane
ązane z trudnymi warunkami cieplnymi spowodowanymi
wyższą temperaturą pierwotna skał - temperatura powietrza wzrosła do 33 ° C, a później do
40 ° C [1].
Rys.2.1. Rozkład temperatur pierwotnych skał w tunelu Gotthard Basistunnel [2]
Fig.2.1.
1. Temperature distribution the original rocks in the Gotthard tunnel Basistunnel [2]
Rozkład temperatury pierwotnej skał
w tunelu Gotthard Basistunnel
jest zmienny
w zależności od grubości – wysokości
ści gór przez, które tunel przechodził. Generalnie na
warunki klimatyczne w tunelach mająą wpływ sumaryczny dopływ strumieni ciepła (Q t)
pochodzących z górotworu -wielkość
ść dopływu ciepła ziemskiego charakteryzuje pierwotnej
temperatury skał (Q g),
•
urządzeń
ą ń energetycznych zainstalowanych w tunelu (Q e ),
•
urządzeń
ą ń spalinowych stosownych w tunelu (Q s ),
•
urządzeń
ą ń wentylatorów zainstalowanych w systemie wentylacji tunelu (Q w ),
•
ciepła zewnętrznego – atmosferycznego, która jest zmienna ood strefy klimatycznej
i sezonowo zmienna w zależności
ż ści od pór roku (Q a ).
Wielkość
ść ciepła w tunelu może
ż byćć ograniczona przez odprowadzanie jego za pomocą
urządzeń
ą ń chłodniczych (klimatyzacyjnych) (Q k). Czasem może wystąpić przypadek
konieczności
ogrzewania
powietrza
doprowadzanego
do
tunelu
i
doprowadzenia
dodatkowego strumienia ciepła (Qd ),
W związku z tym ogólny bilans ciepła (Q t )w przodku tunelu moż
można przedstawićć w sposób
następujący:
Qt = Qg + Qe + Qs + Q w -+Qa - Q k + Qd
96
Budownictwo Podziemne i Bezpieczeństwo
ństwo w Komunikacji Drogowej i Infrastrukturze Miejskiej
Zakładając, że powietrzee jest suche (bez wody) to temperaturę powietrza T s w tunelu
można obliczyć z zależności:
T s = Qt / VP cp
gdzie: Vp – wydatek objętościowy
ę ściowy strumienia powiet
powietrza przepływającego przez tunel;
cp – ciepło właściwe powietrza. Jeżeli
żeli temperatura powietrza T s przekracza określone
normy klimatyczne to zachodzi potrzeba zastosowania urzą
urządzeń
ń o mocy chłodniczej Mch,
która umożliwi odprowadzenie ciepła do atmosfery. Można to wyrazić w sposób uproszczony
następująco:
T s = (Qt - Mch )/ VP cp ≤ T d
gdzie: T d – dopuszczalna
uszczalna przez przepisy higieniczne temperatura powietrza.
Na komfort cieplny ma także
że wpływ poziom wilgotnoś
wilgotności powietrza zależny
ż
od
wilgotności
ści powietrza atmosferycznego dopływają
dopływającego do tunelu od strony portali, wymiany
wilgoci pomiędzy powietrzem w tunelu, a górotworem i różnego rodzaju dopływy wody
z górotworu oraz z pojazdów.
Przepisy określają dopuszczalne parametryy determinują
determinujące komfort cieplny, min. polskie
przepisy górnicze wymagają, aby temperatura powietrza w wyrobisku - tunelu była niższa od
28 o C, a w przypadku jej przekroczenia do do 33 oC czas pracy powinien być skrócony do 6
godz. Intensywna wentylacja, a także
że w wielu przypadkach urzą
urządzenia chłodnicze pozwalają
opanowaćć występujące
ę ące trudne warunki cieplne w tunelach. Stosowane systemy w
wentylacji
i klimatyzacji zależne
ż
sąą od szeregu parametrów zarówno naturalnych jak i techniczno
technicznotechnologicznych. Bardzo istotny wpływ na bilans cieplny tunelu mogą miećć także
ż pogodowe
roczne cykliczne zmiany temperatury powietrza doprowadza
doprowadzanego do tuneli (rys.2.2.).
W
związku
ą
z
tym
w
tunelach
może
że
zachodzić
potrzeba
ogrzewania
doprowadzanego do tunelu lub chłodzenia powietrza.
Rys. 2.2. Zmiany temperatury powietrza w drążonym
ążonym tunelu Gotthard Basistunel [2]
Fig. 2.2. Changes in air temperature in the hollow tunnel Gotthard Basistunel [2]
97
powietrza
Budownictwo Podziemne i Bezpieczeństwo w Komunikacji Drogowej i Infrastrukturze Miejskiej
W drążonym tunelu Gotthard Basistunel występowały wysokie temperatury powietrza
w czasie jego drążenia zmienne sezonowo w okresach lato – zima . Znanych jest wiele metod
i sposobów określenia bilansu cieplnego i prognozowania rozkładu temperatury w tunelach.
3. KLIMATYZACJA W CZASIE DRĄŻENIA TUNELU
W celu zapewnienia prawidłowych warunków cieplnych w tunelach w czasie ich drążenia
może zachodzić potrzeba schładzania powietrza doprowadzanego do miejsca drążenia tunelu
(przodku). Do schładzania zazwyczaj stosowane są urządzenia chłodnicze zbudowane
z maszyny chłodniczej złożonej z sprężarki, parownika i skraplacza współpracującej
z chłodnicą powietrza - opcjonalne i chłodnicą wyparna odprowadzającą ciepło z skraplacza.
Moc chłodnicza urządzeń chłodniczych może wynosi od kilku set kW C do kilkudziesięciu
MW C. W zależności od potrzeb i wymagań technologicznych, systemu wentylacji można
stosować urządzenia chłodnicze o dostosowanej mocy chłodniczej odprowadzające ciepło
z tunelu do atmosfery. Mogą być stosowane systemy chłodzenia powietrza w przewodzie
wentylacyjnym (lutniociągu) przez urządzenie chłodnicze o działaniu:
•
bezpośrednim – powietrze chłodzone jest w parowniku urządzenia chłodniczego,
•
pośrednim powietrza – powietrza może być chłodzone w chłodnicy lub chłodnicach
powietrza.
Można stosować różne kombinacje rozwiązań systemów klimatyzacji podczas drążenia
tuneli – szczególnie w przypadku zastosowania systemów chłodniczych o działaniu
pośrednim. Urządzenia chłodnicze, które mogą być wykorzystane podczas drążenia tuneli są
wykonywane prze kilku producentów krajowych (np. PPUH TERMOSPEC) i światowych
zazwyczaj powiązanych z górnictwem podziemnym. Przykładowe systemy chłodzenia
powietrza w tunelu za pomocą urządzeń o działaniu bezpośrednim i pośrednik przedstawiają
rys. 3.1 – rys. 3.4.
98
Budownictwo Podziemne i Bezpieczeństwo
ństwo w Komunikacji Drogowej i Infrastrukturze Miejskiej
Rys. 3.1. Przykładowy system chłodzenia powietrza w tunelu za pomocą urządzenia
ą
o działaniu
bezpośrednim.
Fig. 3.1. An example of an air cooling system in a tunnel using the devic
device direct-acting
Rys. 3.2. Przykładowy system chłodzenia powietrza w tunelu za pomocą urządzenia
ą
o działaniu pośrednim
ś
Fig. 3.2. An example of an air cooling system in a tunnel using the device of indirect action
99
Budownictwo Podziemne i Bezpieczeństwo
ństwo w Komunikacji Drogowej i Infrastrukturze Miejskiej
Rys. 3.3. Złożony system wentylacji przy
zy zastosowaniu urzą
urządzenia chłodniczego o działaniu bezpośrednim
ś
Fig. 3.3. The complex system of ventilation, cooling unit using a direct
direct-acting
Rys. 3.4. Złożony
żony system wentylacji przy zastosowaniu urzą
urządzenia chłodniczego o działaniu pośrednim
ś
Fig. 3.4.. The complex system of ventilation, cooling unit using of indirect action
100
Budownictwo Podziemne i Bezpieczeństwo
ństwo w Komunikacji Drogowej i Infrastrukturze Miejskiej
EKSPLOATACJI
4. KLIMATYZACJA TUNELI W CZASIE ICH EKSPLOA
Podczas eksploatacji
ji tuneli komunikacyjnych i tuneli metra może zachodzić potrzeba
zastosowania urządzeń
ą ń chłodniczych dla zapewnienia prawidłowych warunków cieplnych
i odprowadzania do atmosfery ciepła emitowanego przez urzą
urządzenia transportowe i inne
technologiczne. Przykład chłodzenia powietrza w tunelu przedstawia rys. 44.1.
Rys. 4.1. System wentylacji wzdłużnej
żnej i chłodzenia powiet
powietrza w tunelu komunikacyjnym w czasie jego
eksploatacji
Fig. 4.1. Longitudinal
ongitudinal ventilation system and air cooling in the tunnel communication during its operation
5. STWIERDZENIA I WNIOSKI
Przedstawiony materiał pozwala na sformułowanie nastę
następujących
ą
stwierdzeń i wniosków:
1.
Znane sąą przypadki występowania
ępowania trudnych warunków cieplnych w tunelach
komunikacyjnych.
2.
Generalnie na warunki klimatyczne w tunelach mają wpływ na sumaryczny dopływ
strumieni ciepła pochodzących z:
101
Budownictwo Podziemne i Bezpieczeństwo w Komunikacji Drogowej i Infrastrukturze Miejskiej
górotworu - dopływ ciepła ziemskiego zależny głównie od pierwotnych temperatur
•
skał,
•
urządzeń energetycznych zainstalowanych w tunelu,
•
urządzeń –maszyn z napędami spalinowych stosownymi w tunelu ,
•
urządzeń wentylatorów zainstalowanych w systemie wentylacji tunelu,
•
ciepła zewnętrznego – atmosferycznego, które jest zmienne w zależności od strefy
klimatycznej i od pór roku.
3.
W
tunelach pełniących funkcje komunikacyjne (tunele drogowe, kolejowe, metra
i inne) powinny być zapewnione odpowiednie warunki higieniczne dla wykonawców
i użytkowników obejmujące głównie skład chemiczny
i temperaturę powietrza
wymagane odpowiednimi przepisami.
4.
Wielkość strumienia ciepła w tunelu może być ograniczona przez odprowadzanie jego
za pomocą urządzeń chłodniczych (klimatyzacyjnych).
5.
W fazie drążenia mogą być stosowane systemy chłodzenia powietrza w przewodzie
wentylacyjnym (lutniociągu) przez urządzenia chłodnicze o działaniu:
•
bezpośrednim – powietrze chłodzone jest w parowniku urządzenia chłodniczego
•
pośrednim powietrza – powietrza może być chłodzone w chłodnicy lub chłodnicach
powietrza.
6.
Podczas eksploatacji tuneli komunikacyjnych i metr może zachodzić potrzeba
zastosowania urządzeń chłodniczych dla zapewnienia prawidłowych warunków
cieplnych i odprowadzania do atmosfery
ciepła emitowanego przez urządzenia
transportowe i inne technologiczne.
LITERATURA
[1]
Nawrat S., Napieraj S.: Wentylacja i bezpieczeństwo w tunelach komunikacyjnych. AGH
Uczelniane Wydawnictwa Naukowo – Dydaktyczne , Kraków 2005.
[2]
Vuilleumier F., Weatherill A., Crausaz B.: Safety aspects of railway and road tunnel: example of
Lotschberg railway tunnel and Mont-Blanc road tunel. PERGAMON 2002
AIR CONDITION OF TRANSPORTATION TUNNELS
ABSTRACT: In tunnels performing communication functions (road tunnels, railway,
subway, etc.) should be provided with adequate sanitary conditions for their members
102
Budownictwo Podziemne i Bezpieczeństwo w Komunikacji Drogowej i Infrastrukturze Miejskiej
including but not limited primarily chemical composition and temperature of the air. These
requirements apply to tunnels, both in the phase of tunneling, as well as their operating
phase. One of the fundamental issues impinging directly on the safety and comfort in the
tunnels are the possibilities of removing excess heat released from the rock and the heat
emitted by vehicles, machines and other devices in the tunnel. The primary means of
mastering the difficult conditions of heat in the tunnel ventilation is effective. However, in
some cases may need air conditioning tunnels through the use of appropriate equipment and
refrigeration systems.
103