Оптимизация работы систем вентиляции в метро

Оптимизация работы систем вентиляции в метрополитене: технологии, методы и управление

Системы вентиляции метрополитена представляют собой сложный инженерный комплекс, предназначенный для обеспечения безопасных и комфортных условий для пассажиров и персонала, а также для штатной работы оборудования. Основные задачи включают подачу свежего воздуха с поверхности, удаление загрязненного воздуха, тепла, влаги и продуктов горения в аварийных ситуациях, а также регулирование давления в тоннелях при движении поездов. Оптимизация этих систем направлена на повышение их эффективности, надежности и энергоэкономичности при безусловном соблюдении санитарно-гигиенических и противопожарных норм.

Структура и компоненты систем вентиляции метро

Типовая система вентиляции метрополитена является комбинированной и включает несколько ключевых элементов:

• Вентиляционные шахты (стволы): Вертикальные или наклонные сооружения, соединяющие тоннели и станции с поверхностью. Оборудуются вентиляторными установками главного проветривания (ВГП).
• Вентиляторы главного проветривания (ВГП): Мощные осевые или радиальные вентиляторы, установленные в шахтах. Обеспечивают общеобменную вентиляцию тоннелей и станций, работают в двух режимах – на подачу и на вытяжку.
• Поршневой эффект: Естественный процесс вытеснения воздуха из тоннеля движущимся поездом. При грамотном проектировании может обеспечивать до 60-70% необходимого воздухообмена, снижая энергопотребление ВГП.
• Локальные системы вентиляции станций: Отдельные установки для подачи и вытяжки воздуха в вестибюлях, кассовых залах, платформах, служебных помещениях. Часто включают системы кондиционирования воздуха для зон пребывания пассажиров.
• Противодымная вентиляция: Автономная система, активируемая при пожаре. Направлена на создание зоны, свободной от дыма, на путях эвакуации (лестницы, переходы) и выдавливание дыма из очага через специальные шахты.
• Воздушно-тепловые завесы: Устанавливаются над входами на станции для предотвращения поступления холодного воздуха зимой и сохранения теплового режима тоннелей.

Ключевые направления оптимизации

1. Внедрение систем автоматизированного управления и диспетчеризации (АСУ)

Переход от ручного или полуавтоматического управления к комплексной АСУ на базе промышленных контроллеров (PLC) и SCADA-систем является основой современной оптимизации. Система в реальном времени собирает данные с тысяч датчиков:

• Концентрация CO2, пыли, летучих органических соединений.
• Температура и влажность воздуха в тоннелях, на станциях, в машинных залах.
• Скорость и направление воздушных потоков.
• Положение заслонок и клапанов.
• Состояние и нагрузка на вентиляторные агрегаты.

Алгоритмы АСУ анализируют эти данные, график движения поездов, пассажиропоток и внешние погодные условия, динамически регулируя работу ВГП и вспомогательных систем. Это позволяет переходить от постоянной работы на максимальной мощности к адаптивному режиму, существенно экономя электроэнергию.

2. Модернизация оборудования

Замена устаревших вентиляторов на современные энергоэффективные модели с регулируемой частотой вращения (приводы с частотными преобразователями). Такие приводы позволяют плавно изменять производительность вентилятора в соответствии с текущей потребностью, исключая энергозатратные методы дросселирования заслонками. Также производится замена электродвигателей на двигатели с повышенным классом энергоэффективности (IE3, IE4).

3. Оптимизация аэродинамических режимов с учетом поршневого эффекта

Современное проектирование и реконструкция требуют детального компьютерного моделирования (CFD-симуляции) воздушных потоков в тоннельной сети. Цель – максимально использовать поршневой эффект для вентиляции. Для этого оптимизируется:

• Расположение вентиляционных шахт и промежуточных порталов.
• Конфигурация и геометрия станций (пилонные, колонные, односводчатые).
• Режимы работы ВГП в связке с графиком движения: в часы пик вентиляторы могут работать на усиленную вытяжку тепла, ночью – на подачу свежего воздуха для охлаждения конструкций.

4. Внедрение рекуперации тепла

В метро существует значительный дисбаланс тепловыделений (от поездов, людей, оборудования) и теплопотерь. Зимой из тоннелей удаляется теплый воздух, а летом – перегретый. Установка рекуператоров (чаще всего роторного или пластинчатого типа) в приточных и вытяжных системах станций позволяет передавать тепло от удаляемого воздуха приточному. Это снижает энергозатраты на подогрев воздуха зимой и предварительное охлаждение летом.

5. Интеграция с системами тоннельного охлаждения

В глубоких метрополитенах с высокой плотностью движения традиционной вентиляции недостаточно для отвода тепла. Здесь применяются стационарные системы тоннельного охлаждения (СТО), включающие чиллеры, охлаждающие станции и насосные группы, циркулирующие хладоноситель по трубопроводам вдоль тоннелей. Оптимизация заключается в совместном управлении СТО и вентиляцией: при недостаточной эффективности воздушного охлаждения автоматически включается жидкостное.

Пример сравнительной таблицы режимов работы вентиляции

Параметр / Режим	Ручное управление (устаревшее)	Автоматизированное адаптивное управление (оптимизированное)
Основа для регулирования	Фиксированный график, не учитывающий реальные условия.	Данные датчиков (CO2, температура, потоки), график поездов, пассажиропоток.
Учет поршневого эффекта	Частичный, эмпирический.	Полный, на основе математического моделирования в реальном времени.
Реакция на изменение условий	Запаздывающая, оператором.	Мгновенная, автоматическая.
Энергопотребление	Высокое, постоянная работа на номинале или с грубым регулированием.	Сниженное на 25-40% за счет точного соответствия мощности текущей потребности.
Качество воздушной среды	Нестабильное, возможны отклонения от норм.	Стабильное поддержание заданных параметров.

Перспективные технологии и тренды

• Искусственный интеллект и предиктивная аналитика: Алгоритмы машинного обучения анализируют исторические данные для прогнозирования пиков температуры, пассажиропотока и оптимального времени для профилактического охлаждения или нагрева конструкций. Предиктивное обслуживание предсказывает отказы оборудования по вибрациям, току двигателя.
• Использование подземного пространства для аккумулирования тепла/холода: Исследуется возможность использования массивов горных пород как сезонного аккумулятора тепла.
• «Зеленые» технологии: Установка солнечных панелей на поверхности шахт и наземных вестибюлей для частичного энергообеспечения вентиляционных установок.
• Цифровые двойники: Создание виртуальной копии всей системы вентиляции метро для глубокого анализа, тестирования режимов и подготовки персонала без риска для реального объекта.

Ответы на часто задаваемые вопросы (FAQ)

Почему в метро иногда бывает душно даже зимой?

Основная причина – избыточные тепловыделения от торможения поездов, работы оборудования и людей. Даже зимой температура в глубоких тоннелях стабильно высока. Вентиляция в холодный период работает в особом режиме, ограничивая подачу холодного наружного воздуха, чтобы избежать образования конденсата и обледенения контактного рельса. Баланс между температурой и качеством воздуха (концентрация CO2) не всегда оптимален в часы пик.

Как обеспечивается вентиляция в случае пожара в метро?

Активируется специальный противодымный режим. Вентиляторы переключаются для создания избыточного давления в безопасных зонах (вестибюли, эвакуационные пути), предотвращая их задымление. Одновременно из зоны пожара организуется интенсивная вытяжка дыма через ближайшие вентиляционные шахты. Управление осуществляется автоматически от системы пожарной сигнализации и вручную с пульта дежурного.

Можно ли установить кондиционеры на всех станциях метро?

Это технически сложная и крайне затратная задача. Для охлаждения платформенных зон глубоких станций необходимо не только охладить воздух, но и отвести огромное количество тепла, выделяемого в тоннеле. Требуется строительство дополнительных капитальных сооружений для размещения холодильных установок, градирен и прокладки трубопроводов. Чаще экономически целесообразно внедрять СТО и локальное кондиционирование зон отдыха персонала и наиболее ожидаемых пассажирами участков.

Как пассажир может понять, что вентиляция работает плохо?

Косвенными признаками могут служить: стойкий запах гари, пыли или сырости; ощущение «спертого» воздуха, затрудненного дыхания; повышенная влажность и запотевание стен или окон; значительная разница температур между разными залами станции. При обнаружении таких признаков следует сообщить дежурному по станции.

Экономит ли метро на вентиляции в ночное время?

Да, это ключевой элемент оптимизации. В ночные технологические «окна», когда движение поездов минимально или остановлено, вентиляция переводится в экономичный режим. Часто включается только вытяжка для удаления остаточных загрязнений и влаги, либо осуществляется интенсивный продув для охлаждения тоннельных конструкций, используя более холодный ночной воздух. Это снижает нагрузку на систему в течение следующего рабочего дня.

Заключение

Оптимизация систем вентиляции метрополитена – это непрерывный процесс, требующий комплексного подхода, сочетающего модернизацию физического оборудования, внедрение интеллектуальных систем управления и постоянный мониторинг параметров микроклимата. Основные векторы развития – цифровизация, энергоэффективность и адаптивность. Успешная оптимизация приводит не только к значительной экономии энергоресурсов, но и к кардинальному повышению уровня безопасности и комфорта для миллионов пассажиров, что является главной целью функционирования городского подземного транспорта.