Scientific journal
Advances in current natural sciences
ISSN 1681-7494
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,791

THE POSSIBILITY OF USING THE HEAT STORAGE CAPACITY OF THE SOIL BASE TO MAINTAIN THE HEAT-EFFICIENT MODE OF OPERATION OF LINEAR OBJECTS OF UNDERGROUND URBAN TRANSPORT

Gubeladze O.A. 1 Denisov O.V. 1 Andreeva E.S. 1
1 Don State Technical University
The effectiveness of the protection of the equipment of the metro station from the effects of different nature depends not only on the technical serviceability, but also the ability of technical systems to operate the necessary time in offline mode. Maintenance of temperature parameters should be carried out with a high indicator of efficiency of a complex of optimum engineering decisions, methods and means of rational consumption of energy saving and use of its renewable sources. The article considers the possibility of using the heat storage capacity of the soil mass surrounding the linear object of the underground deep-laid, to minimize the energy consumption of the projected system of technological air conditioning of the object. The substantiation of the assumptions adopted in the development of the theoretical model is given. Analysis of the calculation results by the developed model showed that with appropriate geometrical dimensions and thermophysical characteristics of materials of building structures and the environment required temperature mostly will be provided by the heat storage capacity of the reinforced concrete construction and the surrounding soil massif. To achieve maximum effect, it is necessary to operate the process equipment in accordance with the algorithm of operation (operation of the units in the «hot» mode, which is preferable from the point of view of efficiency, alternates with operation in the «cold» mode). A cyclogram of the functioning of the subway structure in accordance with this algorithm for one of the calculated cases is presented. The studies of various models of underground metro stations, characterizing the main building modules of the subway, allowed to confirm the assumption of the existence of a local minimum of the calculated curve of temperature change on the surface as a result of the action of a heat source, taking into account the boundary conditions of the second and third kind with an abrupt decrease in energy consumption.
temperature-humidity regime
heat storage capacity
heat source
single-arch underground station of deep laying
energy efficiency of underground construction

Односводчатые станции метрополитена, благодаря хорошим показателям по экономической эффективности, широко применяются на линиях зарубежных метрополитенов, а также на современных линиях Москвы и Санкт-Петербурга. Объёмно-планировочные решения станций предусматривают устройство кругового свода, опирающегося на массивные стены или замкнутой конструкции овального сечения из сборных блоков [1]. При этом такие станции метрополитена могут быть выполнены в едином строительном комплексе с двухпутным перегонным тоннелем, а также защитными устройствами гражданской обороны и дополнительной системой сооружений, что предъявляет особые требования к обеспечению тепловлажностного режима в этих подземных сооружениях [2].

Установлено, что эффективность защиты оборудования станции метро от воздействий различной природы зависит не только от технической исправности, но и способности технических систем функционировать необходимое время в автономном (аварийном) режиме, например без централизованного энергоснабжения, сохраняя при этом оптимальные для пассажиров, персонала и функциональных процессов оборудования температурные составляющие микроклимата [3, 4].

Поддержание температурных параметров должно осуществляться с высоким показателем эффективности комплекса оптимальных инженерных решений, методов и средств рационального потребления, экономии энергии и использования инновационных энергетических установок [5]. Источником тепловыделений на станции метро является работающее стационарное оборудование, подвижной транспорт и люди [6, 7]. Количество тепловыделений может меняться несколько раз в течение суток. Отклонения температуры от заданных уровней приводят к несоблюдению условий нормального функционирования систем. Для получения достоверных данных об изменении температуры воздушной среды внутри станции необходимо провести оценку теплоаккумулирующей способности окружающего массива.

Отсюда целью настоящего исследования является изыскание возможности использования теплоаккумулирующей способности грунтового массива, окружающего линейный объект метрополитена глубокого заложения, для минимизации энергозатрат проектируемой системы технологического кондиционирования воздушной среды объекта.

Материалы и методы исследования

Для реализации цели исследования были использованы известные математические методы и модели, изложенные в ряде научных работ [8, 9]. Материалы, положенные в основу данной публикации, охватывают 1998–2018 гг. и научно-исследовательские Отчеты ФГБОУ ВО «Донской государственный технический университет» (НИР по теме: «Разработка фундаментальных основ методологии математического моделирования формирования опасных и вредных производственных факторов» ДГТУ, Государственный контракт № 7-5246, 50.51.15, 86.21.00.), ФГБОУ ВО «Ростовский государственный университет путей сообщения» и НИТУ «МИСИС».

Результаты исследования и их обсуждение

В сложных случаях находить приближенные решения для любых тел произвольной формы позволяют численные методы, основанные на методах конечных разностей и конечных элементов [10, 11]. Однако основным недостатком численных методов являются ограниченные возможности для аналитических исследований данных моделей подземных сооружений метрополитена. Примем допущения:

1. Теплообмен с наружным атмосферным воздухом отсутствует в силу значительного термического сопротивления конструкции модели.

2. Одним из факторов, определяющих теплопотери строительного сооружения станции, является температура грунта. Глубины проникновения суточных и годовых температурных волн связаны соотношением

gubel01.wmf (1)

Экспериментальные данные [2] показали, что колебания температуры, вызываемые нагреванием земной поверхности днём и охлаждением ночью, не влияют на температуру грунта уже на глубине 1 м. Расчетная температура грунта на глубине определяется по зависимости

gubel02.wmf (2)

где Tвср – среднегодовая температура воздуха;

Δt – превышение среднегодовой температуры поверхности грунта над среднегодовой температурой воздуха;

n/30 – геотермический фактор, учитывающий увеличение глубины;

An – амплитуда сезонных колебаний температуры на глубине.

3. Слой гидроизоляции (при наличии) модели тоннеля метрополитена рассматриваем как тонкую оболочку в условиях медленных изменений температуры. Температура по всей толщине оболочки модели одинакова, количество тепла, аккумулированного единицей объёма стенки в течение полупериода, определится как

gubel03.wmf (3)

где ТМ – амплитуда колебаний температуры воздуха в строительном комплексе метрополитена.

Таким образом, слой гидроизоляции принимаем «термически прозрачным», что не противоречит данным [3].

На рис. 1 представлена упрощённая схема строительной части сооружения. Потерями тепла через верхнюю часть свода тоннеля и обратный свод пренебрегаем ввиду их малости с учетом особенностей компоновки двухпутного тоннеля.

gubel1.tif

Рис. 1. Сечение двухпутного тоннеля метрополитена

Суммарная мощность теплоизбытков, поглощаемых воздушной средой и окружающим массивом, определяется из выражения

Q = Qвозд + Qмасс. (4)

В свою очередь

gubel04.wmf (5)

где св – удельная теплоемкость воздуха;

ρв – удельная плотность;

Н – высота единого строительного комплекса, в том числе с защитными устройствами гражданской обороны и дополнительной системой сооружений;

R – условный радиус перегонного тоннеля;

τ – время;

ΔTв – разность температур.

Тепловыделения, поглощаемые массивом «бетон – грунт», для расчётной схемы (рис. 1) определяются по формуле

Qмасс = ΔTм∙k∙Fм, (6)

где ΔTм – разность температур стенки перегонного тоннеля и массива;

ам – температуропроводность массива;

α – коэффициент теплоотдачи между средой и стенкой;

Fм – площадь поверхности массива;

λм – коэффициент теплопроводности:

gubel05.wmf (7)

С учётом того, что массив по сравнению с сечением сооружения неизмеримо велик, можно считать, что все тепловыделения из «отапливаемого» центрального распределительного зала в итоге будут поглощены грунтом. Однако это не будет происходить мгновенно, а температура воздушной среды отличается от температуры стенки массива на величину:

gubel06.wmf (8)

Подставляя (2) и (3) с учетом (4) в (1), получим формулу для определения изменения температуры воздушной среды в модели подземного сооружения метрополитена:

gubel07.wmf (9)

где А – эмпирический коэффициент, выраженный

gubel08.wmf (10)

Анализ результатов расчёта позволяет сделать вывод о том, что при обычном функционировании станции метрополитена в умеренном (примерно Q = 5*105 Вт) режиме в течение года расхождение между полученными результатами незначительно (~1,1 градуса), так как выделяемое тепло в основном аккумулируется грунтовым массивом, глубина прогретого слоя которого гораздо больше толщины строительной части сооружения. Для работы оборудования в теплонапряжённом режиме (примерно Q = 5*106 Вт) в течение, например, 2,6*106 с (примерно одного месяца) результаты отличаются существенно (около 30 %).

Если температура среды является периодической функцией времени, то распределение температуры в твёрдом теле (массиве «железобетон – грунт»), нагреваемом этой средой, будет аналогично распределению смещения колеблющихся точек при распространении волнового процесса в упругой среде. Для полуограниченного пространства тепло, поглощаемое единицей площади поверхности стенки за полупериод, определяется выражением

gubel09.wmf (11)

где а/ω – величина, характеризующая условную толщину равномерного прогревания однородного полуограниченного тела в стационарно-периодическом состоянии. С увеличением частоты колебаний теплоусвоение уменьшается, а при постоянной ω оно зависит только от коэффициента температуропроводности. Глубина Н, на которой температурные колебания уменьшаются в 1000 раз по сравнению с колебаниями на поверхности, составит gubel10.wmf, где Ψ – коэффициент теплоусвоения.

Для грунтового массива при периодах колебаний времени 86,4*103 с (1 сутки) и 31,5*106 с (примерно 1 год) величина Н составила 0,2 и 8,2 метра соответственно.

После оценки допущений приближенными методами проведён расчёт аналитической математической модели с масштабным переносом для реального единого строительного комплекса метрополитена с защитными устройствами гражданской обороны и дополнительной системой сооружений с геометрическими параметрами и теплофизическими характеристиками материалов.

Анализ полученных результатов позволил определить пути решения проблемы отвода теплоизбытков, а именно:

а) требуемый температурный режим в едином строительном комплексе в основном будет обеспечен за счёт теплоаккумулирующей способности железобетонной конструкции сооружения и прилегающего грунтового массива;

б) значительное влияние на темп роста температуры в стволе тоннеля сооружения станции метрополитена оказывает коэффициент теплоотдачи. При значениях a = 8 наблюдается снижение темпа роста Тв для умеренного и теплонапряженного режимов на 7,8 и 32,7 % соответственно по сравнению с a = 4. Следовательно, необходимо в таком случае интенсифицировать процесс теплообмена между воздушной средой в едином строительном комплексе и внутренней поверхностью строительной конструкции;

в) необходимо оптимизировать продолжительность работы технологического оборудования в различных режимах и их чередование. Для случая скачкообразного изменения величины теплового потока, согласно методу суперпозиции, решение задачи может быть представлено в виде суммы решений для элементарных задач с любыми пограничными условиями. При этом алгебраическая сумма граничных условий в этих задачах в любой момент времени должна равняться граничному условию основной задачи в каждой точке поверхности. Действие источника тепловыделений представляется как сумма действий комбинации двух источников, расположенных на том же месте и имеющих в сумме ту же интенсивность, что и исходный источник.

Задача состоит в разработке алгоритма функционирования технологического оборудования станции метрополитена (работа агрегатов в «горячем» режиме, который является предпочтительным с точки зрения эффективности, чередуется с работой в «холодном» режиме), чтобы выполнялось условие Tв ≤ 298 К, а суммарное время работы в «горячем» режиме за эксплуатационный период было бы максимально возможным.

На рис. 2 представлена циклограмма функционирования сооружения метрополитена в соответствии с данным алгоритмом. Особенностью предложенного алгоритма является то, что переход от режима с меньшей мощностью тепловыделений к режиму с большей мощностью осуществляется в момент достижения локального минимума расчётной кривой. При достижении предельно допустимых значений температуры в сооружении (окончание последнего «холодного» режима) автоматически включается система обеспечения температурно-влажностного режима (СО ТВР). Затем через 1,7–2,6*106 с (примерно 20–30 суток) цикл повторяется. Таким образом, регулирование температуры в течение 6*106 с (примерно 70 суток) происходит в экономном режиме функционирования (или без участия) СО ТВР.

gubel2.tif

Рис. 2. График изменения температуры в едином строительном комплексе: gubel2a.wmf режим нагрева; gubel2b.wmf режим охлаждения; gubel2c.wmf работа СО ТВР

Заключение

Кроме того, проведенные исследования различных по форме моделей (полубесконечный стержень, полый цилиндр, многослойный полый цилиндр) подземных станций метрополитена, характеризующих основные строительные модули метрополитена, позволили подтвердить предположение о существовании локального минимума расчётной кривой изменения температуры на поверхности в результате действия теплового источника (например, подвижного состава) с учётом граничных условий второго и третьего рода со скачкообразным (более чем на 30 %) уменьшением энергопотребления.

Таким образом, поддержание температурных параметров осуществляется с использованием теплоаккумулирующей способности грунтового основания, что в полной мере соответствует требованиям ФЗ (№ 261 от 23.11.2009, № 221 от 19.07.2018) по энергосбережению, а также позволяет использовать инновационные энергетические установки.