Подземное пространство сегодня осваивается все активнее: под землю переносятся автомобильные парковки, строятся подземные железнодорожные и автомобильные магистрали. При этом пребывание людей внутри подобных сооружений связано с определенным риском и требует обеспечения необходимых параметров воздушной среды.
Схема вентиляции подземных сооружений определяется, исходя из геометрии и глубины расположения тоннеля, особенности транспортного потока, внешнего ветрового напора и других факторов. При этом необходимо смоделировать сценарии наиболее вероятных аварийных ситуаций, оценить степень риска для людей, а также разработать алгоритм работы системы вентиляции в случае чрезвычайных происшествий. Поскольку в последнее время налицо тенденция снижения токсичности выхлопных газов у новых моделей автомобилей, первоочередной задачей при разработке систем вентиляции тоннелей становится обеспечение пожарной безопасности. Помимо пожара источником опасности могут стать взрыв облака топливно-воздушной смеси, выброс ядовитых газов, жидкостей и биологических агентов, а также возможная атака террористов.
Следует помнить, что вентиляция оказывает значительное влияние на развитие чрезвычайных ситуаций. Например, потоки воздуха в тоннеле могут усилить испарение разлившейся воспламеняющейся жидкости, оказать влияние на направление распространения токсичных или горючих газов, но в то же время способствовать уменьшению концентрации загрязняющих веществ.
Естественная вентиляция
Естественная вентиляция не позволяет контролировать распространение дыма в аварийной ситуации. Движение потока воздуха в тоннеле зависит от ветрового напора и количества движущихся автомобилей, которые увлекают воздух за собой, создавая так называемый поршневой эффект. В аварийной ситуации поток машин останавливается и поршневой эффект исчезает. В свою очередь, сильный напор ветра либо перепад давлений, возникающий из-за наклонного расположения тоннеля, могут препятствовать процессу естественной вентиляции или вообще свести ее на нет.
Стандарты европейских стран устанавливают различные значения максимально допустимой длины тоннеля с естественной вентиляцией. В Англии, например, это 300 метров. В тоннелях протяженностью 300–400 метров искусственная вентиляция требуется только при значительном уклоне или при большой интенсивности движения транспорта.
Во Франции максимальная длина для городских тоннелей с естественной вентиляцией — 300 метров, для тоннелей со значительной интенсивностью транспортного потока — 500 метров и, наконец, для тоннелей с интенсивностью транспортного потока менее 2000 машин в день — 1000 метров.
Американский стандарт пожаробезопасности ограничивает максимально допустимую протяженность тоннеля с естественной вентиляцией 240 метрами. Для тоннелей длиной свыше 240 метров вопрос о наличии или отсутствии механической вентиляции зависит от результатов экспертного анализа с учетом длины, поперечного сечения и уклона тоннеля, розы ветров, направления движения и типа проходящего по тоннелю транспорта, а также тепловой мощности возможного пожара.
Продольная вентиляция
При установке механической вентиляции вначале рассматривается возможность использования продольной схемы, так как она наиболее проста в реализации, требует меньших капитальных затрат и отличается меньшей стоимостью эксплуатации и обслуживания. Данная схема оптимальна для коротких тоннелей с односторонним движением. К недостаткам здесь можно отнести увеличение концентрации вредных примесей по длине тоннеля, подверженность естественной тяге, которая зависит от теплового и ветрового напоров, и недостаточная пожарная безопасность.
Тем не менее в последние годы за рубежом все чаще используют продольную схему для организации вентиляции тоннелей протяженностью до 3000 метров. Однако в различных странах эксперты расходятся в оценках работы этой схемы в аварийных режимах.
Для предотвращения проникновения дыма в зону, расположенную выше места возгорания, в тоннелях с односторонним движением английский стандарт рекомендует перемещать воздух в направлении движения транспорта.
В тоннелях с двусторонним движением невозможно решить задачу защиты людей только посредством организации продольной вентиляции. В этом случае наиболее важным условием является сохранение сформировавшейся конвективной струи дыма, а поэтому рекомендуется уменьшить продольный поток воздуха, отключить вентиляторы в зоне задымления и избегать реверсирования потока воздуха, даже если место возгорания находится рядом с порталом.
Австрийские и немецкие нормативы в целом дополняют друг друга, причем их требования распространяются как на тоннели с двусторонним, так и односторонним направлением движения: для сохранения конвективной струи рекомендуется снизить скорость воздушного потока и отказаться от его принудительного реверсирования при ограниченном задымлении.
Оборудование и управление
В зависимости от типа применяемых вентиляторов и используемой схемы вентиляции реализуются два основных способа автоматизированного регулирования расхода и направления движения потока воздуха в тоннеле. Первый — изменение угла поворота лопаток вентилятора и переключение ступеней скорости вращения при использовании многополюсного вентилятора, второй — применение инверторных регуляторов скорости вращения и реверса (для вентиляторов с фиксированным углом поворота лопаток).
Оба способа доказали свою жизнеспособность, однако использование того или иного варианта напрямую зависит от аэродинамических характеристик тоннеля в рабочем и аварийном режимах. При этом, необходимым условием является близость рабочих точек каждого вентилятора в стандартном и аварийном режимах в пределах рабочей зоны.
Важным аспектом при выборе системы управления является поддержание необходимого давления, создаваемого на приточных и вытяжных устройствах с целью предотвращения неконтролируемого реверса потока, что накладывает определенные ограничения на применение вентиляторов с регулированием скорости вращения. То есть оптимальным решением будет комбинация систем управления скоростью вращения и изменением угла поворота лопаток.
Компания TLT-Turbo GmbH (Германия) производит широкий спектр аксиальных вентиляторов, в том числе и для тоннелей. В ассортимент выпускаемой продукции входят вентиляторы с фиксированным положением лопаток, а также вентиляторы, в которых положение лопаток может быть гидравлически изменено в ходе работы. Для улучшения аэродинамических показателей тоннельные вентиляторы оснащают диффузорами длиной до 5 м, которые преобразуют часть динамического напора в статический.
В последующих статьях будут рассмотрены конструктивные особенности тоннельных вентиляторов и варианты их применения в различных схемах вентиляции.
Статья подготовлена компанией Ventrade