Найден способ поддерживать комфортную температуру в метро
Сотрудники факультета ВМК МГУ имени М.В. Ломоносова разработали математическую модель для управления вентиляционным режимом тоннелей с целью поддержания комфортной температуры в тоннеле в течение года и для оценки размера и формы области с повышенной температурой, которая образуется в окружающем грунте. Результаты исследований опубликованы в журнале International Journal of Thermal Sciences.
Метро в наше время — неотъемлемый атрибут большого города. Быстрота и удобство — самые главные его преимущества. Однако у метро есть и недостатки. В жаркий летний день поездка на метро оборачивается тяжелым испытанием: на станциях жарко и душно, в раскаленных поездах нечем дышать, кондиционеры не справляются, усугубляя и без того непростую ситуацию. Особенно сильно все это ощущается в длительно эксплуатируемых системах метро, которые характерны для крупных городов Европы и Северной Америки. И московское метро здесь не исключение.
Недавние исследования показали, что в окружающих тоннели метро грунтах происходит накопление тепловой энергии, выделяемой в процессе эксплуатации. Другими словами, происходит формирование тепловых резервуаров вокруг тоннелей. Тепло, запасенное в таком тепловом резервуаре, приводит к повышению температуры воздуха в тоннеле. Напрашивается очевидное решение — отводить тепло, накопленное в тепловом резервуаре, и использовать его, например, на обогрев зданий на поверхности. Современные технологии позволяют осуществить такой отвод тепла. Однако для проектирования таких установок необходимо знать параметры тепловых резервуаров: их размеры и распределение температуры. Получить такие данные без математического моделирования затруднительно.
Другим способом уменьшения температуры в тоннеле в летний период является управление вентиляцией. Очевидно, что увеличение вентиляции в жаркое время не позволит понизить температуру воздуха в тоннеле. Необходимо осуществлять такой режим вентиляции в течение года, который обеспечил бы комфортную для пассажиров температуру в течение всего года.
Для решения этих двух задач сотрудники лаборатории математического моделирования в физике факультета ВМК МГУ имени М.В. Ломоносова в содружестве с ОАО «Инсолар-Инвест» предложили оригинальную математическую модель, которая позволяет определять долговременный прогноз средней температуры воздуха в тоннелях метро и распределение температуры в окружающих грунтах. Апробация модели была проведена с использованием данных метрополитенов Москвы, Глазго и Гуанчжоу и показала хорошую предсказательную способность модели.
Модель учитывает ряд важных факторов, влияющих на температуру воздуха в тоннеле: сезонные колебания температуры атмосферного воздуха; теплообмен между воздухом и грунтом на поверхности земли и стенке тоннеля; генерацию тепла в тоннеле в результате движения поездов и воздухообмен между тоннелем и атмосферой.
Расчеты, проведенные с использованием данных московского метро и климатических данных московского региона, позволили с хорошей точностью оценить размеры тепловых резервуаров, которые образуются вокруг пары параллельных тоннелей в результате многолетней эксплуатации линий метро.
«Важным преимуществом нашей модели является возможность управления вентиляционным режимом для достижения оптимальной температуры воздуха в тоннеле в летний и зимний период. Для этой цели был предложен алгоритм, который позволяет в режиме реального времени по известным значениям температуры окружающего воздуха и известной интенсивности движения поездов в тоннеле определять режим вентиляции, обеспечивающий комфортную температуру в тоннеле», — рассказал ведущий научный сотрудник лаборатории математического моделирования в физике факультета ВМК МГУ Николай Песков.
«Отметим, что такая возможность осуществлять управление в режиме реального времени обусловлена относительной вычислительной простотой нашей модели, которая тем не менее корректно учитывает все основные факторы, влияющие на изменение температуры воздуха в тоннеле», — добавила старший научный сотрудник лаборатории математического моделирования в физике факультета ВМК МГУ Татьяна Лысак.
Результаты моделирования, проведенные для реальных значений параметров функционирования московского метро, показали, что предложенный алгоритм может существенно уменьшить амплитуду сезонных колебаний температуры воздуха в тоннеле метрополитена, приблизив ее значение к оптимальному.
Разработанная математическая модель была использована ОАО «Инсолар-Инвест» при проектировании теплонасосного оборудования для систем теплохладоснабжения объектов инфраструктуры Московского метрополитена. «Математическая модель, технологические решения и теплонасосное оборудование были успешно апробированы в натурных условиях на станции Саларьево Московского метрополитена», — отметил научный руководитель ОАО «Инсолар-Инвест» Григорий Васильев.