Семен Григорьевич Гендлер – доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой безопасности производств
Scopus ID 56168675100, ResearcherID I-9283-2017
г. Санкт-Петербург
Simeon G. Gendler – Dr. Sci. (Eng.), Professor, Head of the Department of Industrial Safety
Scopus ID 56168675100, ResearcherID I-9283-2017
St. Petersburg
Милана Сергеевна Крюкова – аспирант кафедры безопасности производств
Scopus ID 58723622900
г. Санкт-Петербург
Milana S. Kryukova – PhD-Student of the Department of Industrial Safety
Scopus ID 58723622900
St. Petersburg
Елена Леонидовна Алферова – инженер, научный сотрудник
Scopus ID 57193708767
г. Новосибирск
Elena L. Alferova – Engineer, Researcher
Scopus ID 57193708767
Novosibirsk
The study of thermodynamic parameters in the air environment of subway lines is of particular relevance due to the substantial differences in air temperatures between Russian cities and those abroad. These temperature variations influence the formation of aerothermodynamic characteristics, which must be considered when selecting methods to ensure compliance with standard climatic parameters in subway systems. The objective of the study presented in this article was to identify, based on experimental data, the patterns governing aerothermodynamic processes, with the aim of providing recommendations for the standardization of air environment parameters in subway tunnels (both single- and double-track) located at different depths. The primary tasks of the research involved identifying the factors influencing the distribution and variation of temperature and humidity, conducting instrumental measurements of temperature and humidity distribution along the length of the transit tunnel sections under investigation, both in the absence of trains and during varying intensities of train movement. Proposals were then developed to apply the identified patterns in maintaining standard air parameters. The article posits that the selection of technical solutions for improving subway ventilation systems should be based on the unique features of aerothermodynamic processes, which depend on the structural characteristics of the transit tunnels and their depth. Experimental studies revealed the patterns governing the formation of ventilation and thermal regimes in single-track and double-track tunnels, as well as at junction sections, and provided recommendations for optimizing ventilation and thermal regimes to ensure compliance with climatic standards. Specifically, the study found that in deep single-track tunnels, the thermal regime is influenced by the presence of circulation loops between adjacent stations, created by the piston effect and the heat emissions from moving trains. Circulation loops in shallow single-track tunnels, by contrast, are characterized by strong aerodynamic connections with the surface, as surface air enters the stations and tunnels via pedestrian walkways and inclined passages. In double-track underground structures, in the absence of train movement, the variation in air temperature along the length of the transit tunnel is determined by the amount of heat accumulated in the surrounding ground during periods of train operation. When trains are in motion, the heat emitted by trains moving in opposite directions is evenly distributed along the tunnel, due to the near absence of a piston effect, resulting in a stable air temperature throughout the tunnel. However, the sections adjacent to stations experience localized increases in air temperature due to the maximum heat generated during braking and train stops, with tunnel air temperatures in these sections rising by 2–3 °C compared to those in the transit sections. In sections where both single-track and double-track tunnels are present, a potential rise in air temperature at the station adjacent to single-track tunnels is associated with the formation of circulation loops between the junction of different tunnel types and the station itself. Recommendations for normalizing the aerothermodynamic regime in the various tunnel types studied include provisions for mitigating potential summer air temperature increases above the standard levels by either increasing air flow or cooling the air in cross passages adjacent to stations. Methods for increasing air temperature may include organizational, aerodynamic, and heat engineering techniques.
Актуальность проблемы термодинамических параметров воздушной среды на линиях метрополитена заключается в существенной разнице температур воздуха городов России и городами зарубежных стран. Данная температурная разница определяет и закономерности формирования аэротермодинамических параметров воздушной среды, которые необходимо учитывать при выборе способов обеспечения нормативных климатических параметров воздуха. Исследование, представленное в статье, проводилось с целью установления на основе экспериментальных данных закономерностей протекания аэротермодинамических процессов для последующей разработки рекомендаций по нормированию параметров воздушной среды в тоннелях метрополитена (однопутных и двупутных), расположенных на разной глубине заложения. Основные задачи сводятся к определению факторов, оказывающих влияние на установление распределения температур (влажностей) и закономерностей их изменения, проведение инструментальных измерений распределения температур (влажностей) воздуха по длине исследуемых участков перегонных тоннелей как при отсутствии поездов, так и при их движении с различной интенсивностью; разработке предложений по использованию выявленных закономерностей для обеспечения нормативных параметров воздушной среды. Идея статьи состоит в том, что в качестве основы для выбора технических решений по совершенствованию систем вентиляции метрополитенов следует принимать выявленные особенности формирования аэротермодинамических процессов, зависящих от конструктивных параметров перегонных тоннелей и глубины их заложения. На основе выполненных экспериментальных исследований были выявлены закономерности формирования вентиляционных и тепловых режимов однопутных, двухпутных тоннелей и участка сопряжения и предложены мероприятия по совершенствованию вентиляционного и теплового режимов, обеспечивающих нормативные климатические условия. В частности, было установлено, что в однопутных тоннелях глубокого заложения тепловой режим определяется наличием циркуляционных контуров между соседними станциями, которые возникают в результате поршневого эффекта, и тепловыделениями от движущихся поездов; отличием циркуляционных контуров, сформировавшихся в подземных сооружениях мелкого заложения однопутного типа, является наличие плотной аэродинамической связи с поверхностью. Тем самым подземные сооружения мелкого заложения насыщаются поверхностным воздухом, который поступает на станции и в тоннели по пешеходным путям и наклонным ходам; в подземных сооружениях двухпутного типа при отсутствии движения подвижных составов характер изменения температуры воздуха по длине перегона определялся количеством теплоты, которая была аккумулирована грунтом в период движения поездов. Во время движения теплота, выделяемая поездами, движущимися навстречу друг другу при практическом отсутствии поршневого эффекта, равномерно распределяется по длине перегона. Это обусловливает постоянную температуру воздуха в тоннелях за исключениями участков, непосредственно прилегающих к станции, где в период торможения и остановки поездов количество продуцируемой ими теплоты максимально, соответственно, температура тоннельного воздуха в пристанционных выработках увеличивается на 2–3 °С в сравнении с температурой на перегонах. На участках, включающих два типа подземных сооружений, возможный рост температуры воздуха на станции, прилегающей к однопутным тоннелям, связан с образованием циркуляционных контуров между участком сопряжения разных типов конструкции тоннелей и станции, прилегающей к ним. Также разработаны рекомендации по нормализации аэротермодинамического режима для рассмотренных типов тоннелей: при установленной возможности превышения в летнее время температурой воздуха нормативных параметров (значений) необходимо предусмотреть или резерв по его расходу, или его охлаждение в сбойках, прилегающих к станциям. Для повышения температуры воздуха могут быть использованы организационные, аэродинамические и теплотехнические методы.
The authors declare that there are no conflicts of interest present.