Fakulta elektrotechnická. Řízení ventilace tunelu Blanka

ˇ ´ vysoke ´ uc ˇen´ı technicke ´ v Praze Cesk e ´ Fakulta elektrotechnicka

´ PRACE ´ DIPLOMOVA ˇ ızen´ı ventilace tunelu Blanka R´

Praha, 2012

ˇ Autor: Jan Sulc

i

Podˇ ekov´ an´ı Chtˇel bych podˇekovat vˇsem, kteˇr´ı se pod´ıleli na tvorbˇe této práce, at’ uˇz pˇr´ımo nebo nepˇr´ımo. Dˇekuji pˇredevˇs´ım vedouc´ımu diplomové práce Ing. Lukáˇsi Ferklovi PhD., kter´ y se mi po celou dobu tvorby diplomové práce ochotnˇe vˇenoval a dal mi cenné rady a pˇripom´ınky. Dále bych chtˇel podˇekovat firmˇe Satra spol. s r.o., a to pˇredevˇs´ım Ing. Janu Poˇr´ızkovi, se kter´ ym jsem práci po celou dobu jej´ı tvorby konzultoval. M˚ uj velk´ y d´ık patˇr´ı také Pavlovi Tomáˇskovi, kter´ y mi v´ yraznˇe pomohl s dynamick´ ym dopravn´ım i emisn´ım modelem, na kterém bylo moˇzno algoritmus ˇr´ızen´ı ventilace otestovat.

ii

Abstrakt Práce se zab´ yvá návrhem algoritmu provozn´ıho vˇetrán´ı tunelu Blanka. V práci je podrobnˇe popsán matematick´ y model tunelu. Tento model poslouˇzil k naprogramován´ı simulátoru vzduchotechniky. Na simulátoru byly otestovány kritické situace, které mohou v tunelu bˇehem provozu nastat. Simulátor dále poslouˇzil k návrhu optimalizaˇcn´ıho ˇr´ıdic´ıho algoritmu provozn´ıho vˇetrán´ı. Simulátor m˚ uˇze b´ yt po u ´pravˇe vyuˇzit i pˇri ˇr´ızen´ı ventilace jin´ ych silniˇcn´ıch tunel˚ u.

iii

Abstract The diploma thesis is focused on the design of the service ventilation in Blanka tunnel. The mathematical model of Blanka tunnel is particular described in this thesis. This model was used to program the air conditioning simulator. The critical situations, which can occur during the tunnel operation, were tested on the simulator. The simulator was finally used for the design of the optimization algorithm of the service ventilation. This simulator can be used after conversion during the realization of future tunnels.

iv

v

vi

Obsah ´ 1 Uvod

1

2 Z´ akladn´ı u ´ daje o tunelu ˇ en´ı stavby . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.1 Clenˇ

3 3

2.2

Historie v´ ystavby . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

4

2.3

Parametry a geometrie tunelu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

5

2.4

Technologické vybaven´ı tunelu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

7

3 Syst´ em vˇ etr´ an´ı tunelu ´ 3.1 Uvod . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

9

3.2

9

Prvky vzduchotechnického systému . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

10

3.2.1

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

10

3.2.1.1

Mˇeˇren´ı rychlosti a smˇeru proudˇen´ı . . . . . . . . . . . .

10

3.2.1.2

Mˇeˇren´ı oxid˚ u dus´ıku a opacity . . . . . . . . . . . . . . .

11

3.2.1.3

Vyhodnocován´ı charakteru a stupnˇe dopravy . . . . . .

12

Akˇcn´ı ˇcleny . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

12

3.2.2.1

Proudové ventilátory . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

12

3.2.2.2

Axiáln´ı ventilátory ve strojovnách vzduchotechniky . . .

14

3.2.2.3

Uzav´ırac´ı klapky . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

15

Poˇzadavky na provozn´ı vˇetrán´ı tunelu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

16

3.3.1

Situace v m´ıstˇe mimo´ urovˇ nové kˇriˇzovatky Malovanka . . . . . . .

18

4 Simul´ ator vzduchotechniky ´ cel simulace . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.1 Uˇ

21

3.2.2

3.3

Mˇeˇren´ı fyzikáln´ıch veliˇcin

21

4.2

Struktura simulátoru . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

22

4.3

Dopravn´ı model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

23

4.3.1

23

Statistické dopravn´ı u ´daje . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . vii

4.4

4.5

4.3.2

Statick´ y model dopravy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

24

4.3.3

Dynamick´ y model dopravy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

25

Model proudˇen´ı . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

27

4.4.1

S´ıly p˚ usob´ıc´ı v tunelu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

27

4.4.2

Aerodynamické schéma . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

36

Emisn´ı model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

37

4.5.1

Ustálená verze v´ ypoˇctu emis´ı . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

38

4.5.2

Dynamická verze v´ ypoˇctu emis´ı . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

40

ˇ ızen´ı ventilace 5 R´

43

5.1

Algoritmus ˇr´ızen´ı ventilace . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

43

5.2

Formulace optimalizaˇcn´ı u ´lohy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

45

5.2.1

Promˇenné optimalizace . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

46

5.2.2

Ztrátová funkce . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

47

5.2.3

Omezen´ı . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

48

5.2.4

Zjednoduˇsen´ı Bernoulliho rovnic . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

48

Rozvrhován´ı ventilátor˚ u . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

51

5.3

6 V´ ysledky simulac´ı

53

6.1

Prvn´ı scénáˇr . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

53

6.2

Druh´ y scénáˇr . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

58

7 Z´ avˇ er

69

Literatura A Parametry u ´ sek˚ u tunelu Blanka

I

B Um´ıstˇ en´ı proudov´ ych ventil´ ator˚ u v tunelu Blanka

II

C Sch´ ematick´ e zn´ azornˇ en´ı provozn´ıho vˇ etr´ an´ı

III

D Pˇ redpokl´ adan´ a denn´ı pr˚ ujezdnost vozidel

IV

E Pod´ıl automobil˚ u v jednotliv´ ych kategori´ıch emisn´ı normy EURO F Obsah pˇ riloˇ zen´ eho CD

V VI

viii

Kapitola 1 ´ Uvod ˇ e republice. Mˇestsk´ y okruh v Praze je jedn´ım z nejd˚ uleˇzitˇejˇs´ıch dopravn´ıch tah˚ u v Cesk´ Jeho jihov´ ychodn´ı ˇcást´ı projede dennˇe pˇres 100 000 vozidel. Hlavn´ı funkc´ı Mˇestského okruhu v Praze je ochrana historického jádra mˇesta, zapsaného na seznam kulturn´ıho a historického dˇedictv´ı UNESCO a umoˇznˇen´ı regulace automobilové dopravy v centráln´ı ˇcásti mˇesta. Celková délka okruhu je 32,1 km, z toho pouze v´ıce neˇz polovina je v provozu. Po dokonˇcen´ı Mˇestského okruhu bude jeho celá tˇretina vedena v tunelech. V souˇcasné dobˇe jsou na Mˇestském okruhu v provozu tˇri tunely - Strahovsk´ y tunel, tunel Mrázovka a Zl´ıchovsk´ y tunel. Vˇsechny tunely byly navrˇzeny z d˚ uvodu znaˇcnˇe ˇclenitého terénu, na kterém se Praha rozkládá a pˇredevˇs´ım z poˇzadavk˚ u ochrany ˇzivotn´ıho prostˇred´ı. Nejinak tomu bude i v pˇr´ıpadˇe tunelu Blanka. Budovaná trasa tunelu procház´ı urbanizovan´ ym prostˇred´ım stˇredn´ı ˇcásti mˇesta na hranic´ıch historického jádra Prahy a prostorem chránˇené pˇr´ırodn´ı památky Královská obora–Stromovka. Tunel Blanka se po dokonˇcen´ı ˇ e republice. stane nejdelˇs´ım tunelem okruhu a nejvˇetˇs´ım tunelov´ ym komplexem v Cesk´ Rozsah stavby je mimoˇrádn´ y, o ˇcemˇz svˇedˇc´ı i délka pˇr´ıpravy stavby, mnoˇzstv´ı investic, v´ yluky mˇestské hromadné dopravy, uzav´ırky nadzemn´ı dopravy a také mediáln´ı kauzy.

1

2

´ KAPITOLA 1. UVOD

Kapitola 2 Z´ akladn´ı u ´ daje o tunelu 2.1

ˇ Clenˇ en´ı stavby

Tunel Blanka bude souˇcást´ı Mˇestského okruhu v Praze. Jeho trasa je vedena v jeho severozápadn´ı ˇcásti v katastráln´ıch u ´zem´ıch Prahy 6, 7 a 8, viz obr. 2.1. Stavba je rozdˇelena na tˇri souvislé u ´seky, které na sebe navazuj´ı v mimo´ urovˇ nov´ ych kˇriˇzovatkách [19]: • Tunelov´ yu ´ sek Brusnice Zaˇc´ıná za severn´ım portálem Strahovského tunelu rozsáhlou mimo´ urovˇ novou kˇriˇzovatkou Malovanka. Dále vede v hlouben´ ych tunelech ulic´ı Patoˇckova a za kˇriˇzovatkou s ulic´ı Myslbekova vstupuje trasa do raˇzeného u ´seku. Cel´ yu ´sek pak konˇc´ı pˇred kˇriˇzovatkou Praˇsn´ y most. Celková délka u ´seku je 1,4 km, z toho je 550 m raˇzen´ ych tunel˚ u. • Tunelov´ yu ´ sek Dejvice Za kˇriˇzovatkou Praˇsn´ y most navazuje na u ´sek Brusnice a pokraˇcuje v celé délce hlouben´ ymi tunely tˇr´ıdou Milady Horákové a konˇc´ı mimo´ urovˇ novou kˇriˇzovatkou U Vorl´ık˚ u na letenské pláni. Celková délka u ´seku je 1 km a u ´sek neobsahuje ˇzadné raˇzené tunely. • Tunelov´ yu ´ sek Kr´ alovsk´ a obora Tunel dále pokraˇcuje nejprve krátk´ ym hlouben´ ym tunelem pod zástavbou na Letné. Na tento u ´sek dále navazuje dlouh´ y, v´ıce neˇz dvoukilometrov´ y raˇzen´ y u ´sek pod Stromovkou a Vltavou a poté hlouben´ yu ´sek aˇz k portálu v Tróji. Celková délka u ´seku je 3,09 km, z toho je 2,23 km raˇzen´ ych. 3

´ Í UDAJE ´ KAPITOLA 2. ZAKLADN O TUNELU

4

Obrázek 2.1: Pˇrehledová mapka veden´ı trasy tunelu Blanka v mˇestsk´ ych ˇcástech Prahy [19]

2.2

Historie v´ ystavby

V roce 2003 bylo vydáno u ´zemn´ı rozhodnut´ı a o rok pozdˇeji se zahájilo s raˇzbou pr˚ uzkumné ˇstoly v u ´seku Královská obora, která mˇela slouˇzit pro podrobn´ y geotechnick´ y pr˚ uzkum pˇred samotnou raˇzbou tunelu. Stavba byla zahájena ke konci roku 2007 hlouben´ım u ´seku Brusnice. Raˇzen´ y u ´sek Královská obora byl u ´speˇsnˇe dokonˇcen v u ńoru roku 2010. V dubnu roku 2011 byl proraˇzen jiˇzn´ı tubus a v ˇcervenci roku 2011 severn´ı tubus u ´seku Brusnice. Stavba si vyˇzádala mnoˇzstv´ı dopravn´ıch uzav´ırek a v´ yluk mˇestské hromadné dopravy. D´ıky ˇspatnému geologickému podloˇz´ı doˇslo bˇehem v´ ystavby k celkem tˇrem propad˚ um p˚ udy, které vzbudily v ˇsiroké veˇrejnosti velkou kritiku. V kvˇetnu a ˇr´ıjnu 2008 se tunel propadl v praˇzské Stromovce a v létˇe 2010 v areálu Ministerstva kultury. Pˇri tˇechto událostech nebyl naˇstˇest´ı nikdo zranˇen. Na druhé stranˇe provázej´ı v´ ystavbu tunelu i radostnˇejˇs´ı události. V kvˇetnu roku 2011 byly na staveniˇsti objeveny archeologické nálezy z dob Pˇremyslovc˚ u. Jednalo se asi o dvacet hrobek, ve kter´ ych byly zˇrejmˇe pochováni lidé ˇzij´ıc´ı tehdy na Praˇzském hradˇe. Stavba se d´ıky tˇemto a dalˇs´ım událostem znatelnˇe zpozdila

2.3. PARAMETRY A GEOMETRIE TUNELU

5

a p˚ uvodn´ı plánovan´ y term´ın dokonˇcen´ı, prosinec roku 2012, musel b´ yt o v´ıce neˇz rok posunut. Nyn´ı se plánuje term´ın otevˇren´ı na duben roku 2014. Dokonˇcovac´ı stavebn´ı práce na povrchu vˇc. zatravˇ nován´ı budou vˇsak prob´ıhat aˇz do roku 2016.

Obrázek 2.2: Proráˇzka severn´ıho tubusu tunelového u ´seku Brusnice, duben 2011 [19]

2.3

Parametry a geometrie tunelu

Tunel Blanka je navrˇzen jako dvoutubusov´ y mˇestsk´ y tunel. V severn´ım i jiˇzn´ım tunelovém tubusu se nacház´ı celkem 3 mimo´ urovˇ nové kˇriˇzovatky: U Vor´ık˚ u, Praˇsn´ y most a Malovanka. Jiˇzn´ı tubus nav´ıc obsahuje jeˇstˇe v´ yjezdovou rampu v Tróji. Návrhová rychlost j´ızdy je v hlavn´ı trase 70 km/h a na v´ yjezdov´ ych a pˇr´ıjezdov´ ych rampách kˇriˇzovatek 50 km/h. Celková délka tunel˚ u hlavn´ı trasy je 5502 m v severn´ım tubusu a 5489 m v jiˇzn´ım tubusu. Délka hlouben´ ych tunelov´ ych ramp je v severn´ım tubusu dohromady 449 metr˚ u a v jiˇzn´ım tubusu 700 metr˚ u. Hlavn´ı trasa tubusu je navrˇzena jako dvou, resp. ˇıˇrka j´ızdn´ıch pruh˚ tˇr´ıpruhová. S´ u je ve vˇsech m´ıstech tunelu 3,5 metru a maximáln´ı sklon vozovky je 5%. Tunel Blanka lze rozdˇelit na nˇekolik u ´sek˚ u, ve kter´ ych se nemˇen´ı pr˚ uˇrez, pr˚ umˇer, poˇcet pruh˚ u a sklon vozovky. Jednoduché schéma tunelu Blanka s tˇemito u ´seky


6

je uvedeno na obr. 2.3. Detailn´ı parametry jednotliv´ ych u ´sek˚ u lze naj´ıt v pˇr´ıloze A.

Obrázek 2.3: Schéma u ´sek˚ u tunelu Blanka, ˇsipky oznaˇcuj´ı smˇer j´ızdy vozidel

´ VYBAVENÍ TUNELU 2.4. TECHNOLOGICKE

2.4

7

Technologick´ e vybaven´ı tunelu

Tunel Blanka, jako kaˇzd´ y jin´ y silniˇcn´ı tunel, mus´ı b´ yt podle r˚ uzn´ ych norem vybaven technologiemi, které zajiˇst’uj´ı maximáln´ı bezpeˇcnost provozu. Jedná se zejména o technické podm´ınky TP 98 – Technologické vybaven´ı tunel˚ u pozemn´ıch komunikac´ı [6] a podobnou yt tunely vybaveny pˇredevˇs´ım evropskou smˇernici 2004/54/EC [2]. Podle TP 98 mus´ı b´ tunelov´ ymi hl´ askami syst´ emu SOS. Hlásky nouzového volán´ı jsou základn´ım prvkem bezpeˇcnostn´ıho systému a slouˇz´ı k navázán´ı nouzové a pˇr´ıpadnˇe i provozn´ı komunikace s dispeˇcerem tunelu. Kromˇe verbáln´ıho spojen´ı zároveˇ n umoˇzn ˇuj´ı spojen´ı s dispeˇcerem prostˇrednictv´ım poplachov´ ych tlaˇc´ıtek. V tunelu Blanka se poˇc´ıtá s jejich proveden´ım ve formˇe kabin SOS a jejich poˇcet je nastaven na 23 v kaˇzdém tunelovém tubusu. Dalˇs´ı z technologi´ı zajiˇst’uj´ıc´ıch bezpeˇcnost provozu v tunelu je videodohled. Kamerové systémy neustále kontroluj´ı tunel po celé jeho délce, s pomoc´ı ˇcidel pro mˇeˇren´ı kouˇre jsou schopny zachytit jak´ ykoli poˇzár. Kamery v tunelu také kontroluj´ı nejvyˇsˇs´ı povolenou rychlost vozidel a nejmenˇs´ı povolenou vzdálenost mezi vozidly. V pˇr´ıpadˇe volán´ı z SOS hlásky v tunelu se na obrazovce dispeˇcera automaticky objev´ı obraz sn´ımaj´ıc´ı dan´ yu ´sek tunelu. Tunel Blanka bude dále vybaven také promˇ enn´ ymi dopravn´ımi znaˇ ckami (PDZ). Tyto znaˇcky budou rozm´ıstˇeny po celé délce tunelu a budou ˇridiˇce informovat o maximáln´ı povolené rychlosti v tunelu, o uzav´ırkách j´ızdn´ıch pruh˚ u nebo o dopravn´ım stavu okoln´ıch komunikac´ı. Osvˇ etlen´ı je dalˇs´ı nezbytnou souˇcást´ı silniˇcn´ıch tunel˚ u. Osvˇetlen´ı pomáhá ˇridiˇc˚ um zvyknout si na ˇseré podm´ınky v tunelu a zlepˇsuje akomodaci oka ˇridiˇce pˇri v´ yjezdu z tunelu. Kromˇe v´ yˇse uveden´ ych technologi´ı bude tunel Blanka vybaven pomˇernˇe rozsáhl´ ym a sloˇzit´ ym systémem vzduchotechniky, která mus´ı zajistit bezpeˇcnost v pˇr´ıpadˇe poˇzáru, ale také odvˇetrávat zplodiny produkované automobily pˇri bˇeˇzném provozu. Návrh ˇr´ızen´ı vzduchotechniky v tunelu Blanka je hlavn´ı nápln´ı této práce a jsou mu vˇenovány následuj´ıc´ı kapitoly.

8


Kapitola 3 Syst´ em vˇ etr´ an´ı tunelu 3.1

´ Uvod

V´ yznam tunelu z hlediska dopravy v Praze a pˇredpokládaná vysoká intenzita provozu pˇredurˇcily poˇzadavky na vysokou spolehlivost navrˇzen´ ych technologick´ ych systém˚ u s minimáln´ımi nároky na u ´drˇzbu, vˇcetnˇe minimalizace provozn´ıch náklad˚ u, a to zejména náklad˚ u na elektrickou energii. Spotˇrebu elektrické energie silniˇcn´ıch tunel˚ u ovlivˇ nuje zejména systém osvˇetlen´ı a vˇetrán´ı [19]. Z tohoto d˚ uvodu byla vˇenována velká pozornost právˇe návrhu systému provozn´ıho vˇetrán´ı. Tato práce ˇreˇs´ı pouze problematiku provozn´ıho vˇetrán´ı. Hlavn´ım u ´kolem provozn´ıho vˇetrán´ı je udrˇzen´ı koncentrac´ı ˇskodlivin ve vzduchu v tunelu pod limitn´ımi hodnotami. Kaˇzd´ y automobil jedouc´ı tunelem produkuje z v´ yfuku zplodiny pˇri spalován´ı benz´ınu nebo nafty. V nejvˇetˇs´ım mnoˇzstv´ı docház´ı k uvolˇ nován´ı oxidu dusnatého (NO), oxidu dusiˇcitého (NO2 ), oxidu uhelnatého (CO) a pevn´ ych ˇcástic. Pevné ˇcástice ovlivˇ nuj´ı u ´roveˇ n viditelnosti v tunelu. Opacita je pak dána pˇrevrácenou hodnotou viditelnosti, tedy ˇc´ım vyˇsˇs´ı je opacita, t´ım horˇs´ı je viditelnost v tunelu. K opacitˇe v tunelu pˇrisp´ıvaj´ı ˇcástice primárn´ı praˇsnosti (PM10), v pr˚ umˇeru menˇs´ı neˇz 10µm, které vznikaj´ı pˇri nedokonalém spalován´ı. Opacita v tunelu vˇsak rapidnˇe roste vlivem sekundárn´ı praˇsnosti. Tou se rozum´ı pevné ˇcástice, které jsou vlivem pohybu vozidla obruˇsovány z pneumatik a brzdov´ ych destiˇcek a nav´ıc také prach vzdut´ y z povrchu vozovky vlivem turbulentn´ıho proudˇen´ı. V tunelu Blanka je provozn´ı vˇetrán´ı realizováno jako kombinace podélného a pˇr´ıˇcného vˇetrán´ı. Podélné vˇetrán´ı je zp˚ usob, kdy je za pomoci proudov´ ych ventilátor˚ u zvyˇsována rychlost proudˇen´ı v podélném smˇeru v tunelu, a t´ım docház´ı k naˇredˇen´ı zplodin ve vzduchu. Pˇr´ıˇcné vˇetrán´ı je zp˚ usob, kdy jsou zplodiny za pomoci axiáln´ıch ventilátor˚ u 9

´ VETR ˇ AN ´ Í TUNELU KAPITOLA 3. SYSTEM

10

ve strojovnách vzduchotechniky odsávány pryˇc z tunelu a rozpt´ yleny ve vyˇsˇs´ıch u ´rovn´ıch atmosféry nad povrchem. Pˇri bˇeˇzném provozu jsou tunely provˇetrávány podélnˇe p˚ usoben´ım p´ıstového efektu proj´ıˇzdˇej´ıc´ıch vozidel nebo pˇrirozen´ ym pohybem vzduchu. Pˇri nár˚ ustu koncentrace oxid˚ u dus´ıku, oxidu uhelnatého nebo zv´ yˇsen´ı opacity nad limitn´ı hodnoty je zneˇciˇstˇen´ y vzduch z tunelu odvádˇen strojovnami mimo tunel v souˇcinnosti s pˇrirozen´ ym, pˇr´ıpadnˇe nucen´ ym pˇr´ıvodem ˇcerstvého vzduchu vjezdov´ ymi portály nebo strojovnami.

3.2 3.2.1

Prvky vzduchotechnick´ eho syst´ emu Mˇ eˇ ren´ı fyzik´ aln´ıch veliˇ cin

Mˇeˇren´ı fyzikáln´ıch veliˇcin v tunelu poskytuje d˚ uleˇzitou zpˇetnou vazbu pro regulaci provozn´ıho vˇetrán´ı. Pro potˇreby ˇr´ızen´ı provozn´ıho vˇetrán´ı tunelu se mˇeˇr´ı a vyhodnocuje: • stˇredn´ı rychlost proudˇen´ı v tunelu, • koncentrace oxid˚ u dus´ıku uvnitˇr i vnˇe tunelu1 , • m´ıra viditelnosti v tunelu (opacita), • charakter a stupeˇ n dopravy Um´ıstˇen´ı jednotliv´ ych senzor˚ u v tunelu Blanka je uvedeno v pˇr´ıloze A. 3.2.1.1

Mˇ eˇ ren´ı rychlosti a smˇ eru proudˇ en´ı

V tunelu budou pro mˇeˇren´ı rychlosti proudˇen´ı pouˇzity ultrazvukové senzory. Senzory jsou v tunelu rozm´ıstˇeny v kaˇzdém vzduchotechnickém u ´seku2 tak, aby poskytly informaci o rychlosti proudˇen´ı v kaˇzdém m´ıstˇe tunelového tˇelesa. Senzory funguj´ı na principu y signál je vyslán ve smˇeru proudˇen´ı a druh´ y vys´ılaˇce a pˇrij´ımaˇce [3]. Jeden ultrazvukov´ proti smˇeru proudˇen´ı vzduchu. Z doby, za kterou doraz´ı signál od vys´ılaˇce k pˇrij´ımaˇci, lze vypoˇc´ıtat stˇredn´ı hodnotu proudˇen´ı vzduchu. D´ıky dvˇema vyslan´ ym signál˚ um je moˇzno 1

V tunelu Blanka se budou mˇeˇrit pouze koncentrace oxid˚ u dus´ıku, nebot’ bˇehem provozn´ıho vˇetr´ an´ı

se nepˇredpoklád´ a s pˇrekroˇcen´ım limitn´ı hodnoty CO. 2 Vzduchotechnick´ ym u ´sekem je myˇslena bud’ rampa nebo souvisl´ y u ´sek mezi kˇriˇzovatkami, pˇr´ıp. strojovnami vzduchotechniky

´ ´ 3.2. PRVKY VZDUCHOTECHNICKEHO SYSTEMU

11

z´ıskat informaci o smˇeru proudˇen´ı a v´ ysledná rychlost nav´ıc nezávis´ı na rychlosti vyslan´ ych ultrazvukov´ ych vln, která m˚ uˇze kol´ısat v d˚ usledku zmˇeny teploty v tunelu. Senzory pracuj´ı s pˇresnost´ı 0,1 m/s s mˇeˇric´ım rozsahem od -20 do 20 m/s. Spojnice mezi vys´ılaˇcem a pˇrij´ımaˇcem sv´ırá s osou tunelu u ´hel mezi 30 a 60◦ .

Obrázek 3.1: Ultrazvukov´ y senzor rychlosti proudˇen´ı [3]

3.2.1.2

Mˇ eˇ ren´ı oxid˚ u dus´ıku a opacity

Koncentrace oxid˚ u dus´ıku NO a NO2 se mˇeˇr´ı dohromady, coˇz se souhrnnˇe oznaˇcuje NOx . Mˇeˇren´ı koncentrace oxid˚ u dus´ıku bude prob´ıhat jednak uvnitˇr tunelu a pak také vnˇe tunelu, v m´ıstˇe mimo´ urovˇ nové kˇriˇzovatky Malovanka. Vnitˇrn´ı senzory pracuj´ı na principu tzv. diferenˇcn´ı optické absorpˇcn´ı spektroskopie [4], kdy vys´ılaˇc vyˇsle svˇeteln´ y signál, kter´ y se odraz´ı od reflektoru. Molekuly oxidu dus´ıku absorbuj´ı svˇetelnou energii na vlnové délce, která odpov´ıdá druhu plynu. Spektra NO a NO2 jsou vyhodnocována v rozsahu 200 aˇz 400 nm, tedy v infraˇcervené oblasti. Mˇeˇren´ı opacity v tunelu prob´ıhá stejn´ ym principem. Pevné ˇcástice ovlivˇ nuj´ıc´ı opacitu jsou vyhodnocovány v rozsahu 320 a 1000 nm, se zamˇeˇren´ım na vlnovou délku 560 nm. Jedná se tedy o viditelné svˇetlo.


12

Obrázek 3.2: Vys´ılaˇc a reflektor pro mˇeˇren´ı koncentrace oxid˚ u dus´ıku a opacity [4]

´ Malovanka, pracuj´ı Venkovn´ı senzory pro mˇeˇren´ı oxid˚ u dus´ıku, um´ıstˇené v MUK na jiném principu. Jedná se o chemiluminiscenˇcn´ı metodu [16]. Analyzovan´ y vzduch v bl´ızkosti senzoru se nechá oxidovat ozonem. Oxidac´ı je emitováno ˇzlutozelené svˇetlo. D´ıky intenzitˇe emitovaného záˇren´ı je moˇzné stanoven´ı okamˇzit´ ych koncentrac´ı oxidu dusnatého, popˇr. smˇesi oxidu dusnatého a dusiˇcitého v ovzduˇs´ı (NOx ). 3.2.1.3

Vyhodnocov´ an´ı charakteru a stupnˇ e dopravy

Pro algoritmus ˇr´ızen´ı ventilace je dále nutná informace o charakteru a zejména poˇctu vozidel, které tunelem proj´ıˇzdˇej´ı. Pro informaci o poˇctu vozidel budou mezi kaˇzd´ ym v´ yjezdem a nájezdem v tunelu zabetonovány pod vozovkou indukˇcn´ı smyˇcky. Kamerov´ y systém nav´ıc dokáˇze zjistit rychlost j´ızdy vozidel a aktuáln´ı skladbu dopravy v tunelu.

3.2.2

Akˇ cn´ı ˇ cleny

3.2.2.1

Proudov´ e ventil´ atory

Proudové ventilátory, tzv. jet fans“, slouˇz´ı k regulaci podélného proudˇen´ı, a t´ım i k regu” laci koncentrace zplodin v tunelu. Proudové ventilátory jsou v tunelu um´ıstˇeny u stropu vˇzdy po dvojic´ıch nebo po trojic´ıch. V tunelu Blanka je navrˇzeno celkem 88 ks proudov´ ych ventilátor˚ u, z toho 46 v severn´ım tubusu a 42 v jiˇzn´ım tubusu. Základn´ımi parametry proudov´ ych ventilátor˚ u jsou: • Objemov´ y pr˚ utok vzduchu Q [m3 /s],


13

• Statick´ y tah [N], • Jmenovité otáˇcky [min−1 ], • Pr˚ umˇer obˇeˇzného kola [mm], • Dopravn´ı tlak [Pa], • Pˇr´ıkon [kW]. V tunelu Blanka je uvaˇzováno se tˇremi typy proudov´ ych ventilátor˚ u, jejichˇz parametry jsou uvedeny v tabulce 3.1. Podrobná tabulka rozm´ıstˇen´ı proudov´ ych ventilátor˚ u, vˇcetnˇe jejich typ˚ u, je uvedena v pˇr´ıloze B. typ

pr˚ utok [m3 /s]

statick´ y tah [N]

ot´ aˇ cky [min−1 ]

pr˚ umˇ er [mm]

pˇ r´ıkon [kW]

APWR 1250

34,5

1075

1470

1250

30

APWR 1000

27,4

1075

1480

1000

45

APWR 630

8,5

300

2940

600

8

Tabulka 3.1: Parametry proudov´ ych ventilátor˚ u v tunelu Blanka

Nˇekteré ventilátory maj´ı plynule regulovatelné otáˇcky za pomoci frekvenˇcn´ıch mˇeniˇc˚ u. Ostatn´ı ventilátory jsou spouˇstˇeny pomoc´ı soft-startér˚ u a mohou bˇeˇzet pouze na jmenovité otáˇcky. Vˇsechny ventilátory v tunelu jsou plynule reversibiln´ı, tzn. ˇze mohou mˇenit smˇer otáˇcen´ı motoru, a t´ım brzdit rychlost proudˇen´ı v tunelu. Rozbˇeh ventilátoru na jmenovité otáˇcky mus´ı b´ yt uskuteˇcnˇen nejpozdˇeji do 30 sekund. Vˇsechny proudové ventilátory v tunelu jsou vybaveny senzory pro indikaci smˇeru chodu ventilátoru, senzory pro diagnostiku chodu ventilátoru (odtrˇzen´ı ventilátoru, teplota vinut´ı motoru, vibrace, apod.) a také tlumiˇci hluku. Vˇsechny ventilátory jsou napájeny stˇr´ıdav´ ym trojfázov´ ym napˇet´ım 400 V.

Obrázek 3.3: Proudov´ y ventilátor [17]


14 3.2.2.2

Axi´ aln´ı ventil´ atory ve strojovn´ ach vzduchotechniky

Pˇr´ıˇcné vˇetrán´ı je realizováno pomoc´ı strojoven vzduchotechniky. Ve strojovnách jsou um´ıstˇeny axiáln´ı ventilátory, které maj´ı za u ´kol odvádˇet, resp. pˇrivádˇet vzduch do tunelu. Odvodem vzduchu z tunelu docház´ı také k odvodu neˇzádouc´ıch zplodin a pˇrivodem vzduchu do tunelu dojde k naˇredˇen´ı zplodin, a t´ım i ke sn´ıˇzen´ı jejich koncentrac´ı. V jiˇzn´ım tubusu tunelu Blanka jsou k dispozici tˇri strojovny – Stˇreˇsovice, Letná a Trója. V severn´ım tubusu pak pouze strojovny Stˇreˇsovice a Letná. V tunelu je k dispozici jeˇstˇe pˇrevodn´ı strojovna Malovanka, viz. kapitola 3.3, jej´ımˇz hlavn´ım u ´kolem je zv´ yˇsen´ı u ´ˇcinnosti omezován´ı v´ yfuku zneˇciˇstˇeného vzduchu z portálu tunelu do oblasti ´ Malovanka pˇri bˇeˇzném provozu. MUK Strojovny vzduchotechniky jsou vybaveny axiáln´ımi rovnotlak´ ymi ventilátory o pr˚ umˇeru obˇeˇzného kola od 2,5 do 3,15 m. Ve srovnán´ı s proudov´ ymi ventilátory jsou v´ yraznˇe vˇetˇs´ı a maj´ı i vˇetˇs´ı v´ ykon. Lopatky obˇeˇzného kola maj´ı pevnˇe nastaven´ yu ´hel natoˇcen´ı.

Obrázek 3.4: Axiáln´ı ventilátor [1]

U odvodn´ıch strojoven jsou otáˇcky ventilátor˚ u plynule regulovatelné pomoc´ı mˇeniˇce kmitoˇctu, pˇriˇcemˇz se poˇc´ıtá s paraleln´ım bˇehem vˇsech axiáln´ıch ventilátor˚ u. U pˇr´ıvodn´ıch ventilátor˚ u nelze mˇenit otáˇcky. Mnoˇzstv´ı pˇrivádˇeného vzduchu lze mˇenit pouze poˇctem spuˇstˇen´ ych ventilátor˚ u. V tabulkách 3.2 a 3.3 jsou uvedeny vyuˇzitelné kapacity jednotliv´ ych strojoven vˇc. poˇctu axiáln´ıch ventilátor˚ u.


15

strojovna

tubus

max. pr˚ utok [m3 /s]

max. pˇ r´ıkon [kW]

poˇ cet ventil´ ator˚ u

Trója

jiˇzn´ı

300

420

3

Letná

severn´ı

325

700

3

Letná

jiˇzn´ı

325

675

3

Stˇreˇsovice

severn´ı

390

510

3

Stˇreˇsovice

jiˇzn´ı

300

505

2

Tabulka 3.2: Vyuˇzitelné kapacity odvodn´ıch strojoven

strojovna

tubus

max. pr˚ utok [m3 /s]

max. pˇ r´ıkon [kW]

poˇ cet ventil´ ator˚ u

Trója

jiˇzn´ı

150

130

1

Letná

severn´ı

320

300

3

Letná

jiˇzn´ı

220

180

2

Stˇreˇsovice

severn´ı

110

82

1

Stˇreˇsovice

jiˇzn´ı

270

235

2

Tabulka 3.3: Vyuˇzitelné kapacity pˇr´ıvodn´ıch strojoven

3.2.2.3

Uzav´ırac´ı klapky

Pro potˇreby provozn´ıho vˇetrán´ı tunelu jsou v dˇelic´ı pˇr´ıˇcce mezi tubusy zˇr´ızeny dvˇe uzav´ırac´ı klapky. V pˇr´ıpadˇe provozn´ıho vˇetrán´ı slouˇz´ı k pˇrevodu vzduchu ze severn´ıho do jiˇzn´ıho tubusu, a t´ım i k regulaci koncentrace zplodin v tunelu. V pˇr´ıpadˇe poˇzáru slouˇz´ı klapky k zabránˇen´ı ˇs´ıˇren´ı kouˇre do druhého tubusu. Jedná se o nerezové ocelové konstrukce se servopohony, viz obr. 3.5. Klapka s oznaˇcen´ım BV-SU 0.1 je um´ıstˇena mezi u ´seky 23 a 24 severn´ıho tubusu, resp. mezi u ´seky 4 a 5 jiˇzn´ıho tubusu. Ve skuteˇcnosti je tato klapka sloˇzena ze dvou ˇcást´ı oddˇelen´ ych betonovou pˇr´ıˇckou mezi tubusy. Obˇe ˇcásti jsou obdéln´ıkového tvaru a maj´ı rozmˇer 3950 mm na délku a 4660 mm na v´ yˇsku. Tato klapka bude pouˇzita pˇri I. stupni ochrany, viz kapitola 3.3. Druhá klapka má oznaˇcen´ı BV-SU 0.2 a nacház´ı se mezi u ´seky 24 a 25 v severn´ım tubusu, resp. mezi u ´seky 1 a 2 jiˇzn´ıho tubusu. Jedná se o soustavu tˇr´ı klapek, vzájemnˇe oddˇelen´ ych betonovou pˇr´ıˇckou mezi tubusy. Vˇsechny tˇri ˇcásti jsou rovnˇeˇz obdéln´ıkového tvaru a maj´ı rozmˇer 4200 mm na délku a 4400 mm na v´ yˇsku. Tato klapka bude pouˇzita pˇri II. stupni ochrany, viz kapitola 3.3.


16

Obrázek 3.5: Soustava uzav´ırateln´ ych klapek slouˇz´ıc´ıch pro pˇrevod vzduchu mezi tubusy [1].

3.3

Poˇ zadavky na provozn´ı vˇ etr´ an´ı tunelu

Provozn´ı vˇetrán´ı mus´ı:

• zajistit nepˇrekroˇcen´ı limit˚ u NO2 , NO a CO v tunelu, • zajistit dobrou viditelnost, tedy minimalizovat opacitu v tunelu, • minimalizovat v´ ynos zplodin z portál˚ u Malovanka severn´ıho tunelu a z ramp U Vorl´ık˚ u a na Praˇsném mostˇe v obou tubusech,

• zajistit co nejmenˇs´ı pˇr´ıkon elektrické energie.

Limitn´ı hodnoty ˇskodlivin v tunelu, uvedené v tabulce 3.4, byly stanoveny na základˇe doporuˇcen´ı svˇetové silniˇcn´ı asociace PIARC [14], pak podle CETU [5] tak, aby byly ˇ (NV ˇc. 361/2007 Sb., kter´ v souladu s pˇr´ısluˇsn´ ymi právn´ımi pˇredpisy CR ym se stanov´ı podm´ınky ochrany zdrav´ı pˇri práci a naˇr´ızen´ı ˇc. 597/2006 Sb. o sledován´ı a vyhodnocován´ı kvality ovzduˇs´ı).

ˇ ˇ AN ´ Í TUNELU 3.3. POZADAVKY NA PROVOZNÍ VETR veliˇ cina

3

oxid uhelnat´ y

NPK

17

PEL

70 ppm

3

oxidy dus´ıku

10 mg/m

-

oxid dusiˇcit´ y

1000 µg/m3

0,4 ppm (820 µg/m3 )

opacita

0,005 m−1

-

Tabulka 3.4: Limitn´ı hodnoty koncentrac´ı ˇskodlivin

ˇ Cerstv´ y vzduch bude nasáván primárnˇe portály a rampami. V´ ynos z portál˚ u Malovanka severn´ıho tunelu bude minimalizován pomoc´ı axiáln´ıch ventilátor˚ u strojoven Letná, Stˇreˇsovice a Malovanka a proudov´ ych ventilátor˚ u v tunelech. Kromˇe pˇrirozeného proudˇen´ı, kdy je tunel provˇetráván pˇreváˇznˇe p˚ usoben´ım p´ıstového efektu vozidel, bude vˇetrán´ı provozováno ve dvou stupn´ıch: • I. stupeˇ n ochrany - s pˇ rirozen´ ym pˇ revodem zneˇ ciˇ stˇ en´ eho vzduchu do jiˇ zn´ıho tubusu Bˇehem prvn´ıho stupnˇe ochrany provozn´ıho vˇetrán´ı bude minimalizován v´ ynos zplodin z portál˚ u Malovanka severn´ıho tubusu pomoc´ı strojovny Stˇreˇsovice a pˇr´ıpadnˇe proudov´ ych ventilátor˚ u v u ´sec´ıch 21-23 severn´ıho tubusu. Vzduch ze severn´ıho tubusu bude pˇrirozenˇe pˇrevádˇen pˇrevodn´ı klapkou BV-SU 0.1 do jiˇzn´ıho tubusu, viz obr. C.2, pˇr´ıloha C. I. stupeˇ n ochrany je ekonomicky a energeticky v´ yhodnˇejˇs´ı neˇz II. stupeˇ n ochrany, avˇsak nedokáˇze poskytnout plnou ochranu v´ yjezdov´ ych portál˚ u, a to pˇredevˇs´ım portál˚ u Malovanka, pˇred v´ ynosem zplodin. • II. stupeˇ n ochrany - s nucen´ ym pˇ revodem zneˇ ciˇ stˇ en´ eho vzduchu do jiˇ zn´ıho tubusu Bˇehem druhého stupnˇe ochrany provozn´ıho vˇetrán´ı bude minimalizován v´ ynos zplodin z portál˚ u Malovanka severn´ıho tubusu pomoc´ı strojovny Letná a Stˇreˇsovice vˇc. proudov´ ych ventilátor˚ u v celém severn´ım tunelu. Vzduch ze severn´ıho tubusu bude ˇcásteˇcnˇe pˇrirozenˇe a ˇcásteˇcnˇe nucenˇe pˇrevádˇen klapkou BV-SU 0.2 do jiˇzn´ıho tubusu a strojovna Malovanka bude nav´ıc nucenˇe pˇrevádˇet vzduch z páteˇrn´ıho tunelu Mˇestského okruhu (´ usek 27) a z rampy R5 severn´ıho tubusu do rampy R1 3

NPK - nejvyˇsˇs´ı pˇr´ıpustn´ a koncentrace, PEL - pˇr´ıpustn´ y expoziˇcn´ı limit. Bˇehem 15 minut nesm´ı doj´ıt

k pˇrekroˇcen´ı pr˚ umˇerné hodnoty koncentrace po celé délce tunelu.


18

jiˇzn´ıho tubusu, viz obr. C.3, pˇr´ıloha C. V ideáln´ım pˇr´ıpadˇe jsou portály na Malovance, tedy u ´sek 28 a rampa R5 v severn´ım tubusu a u ´sek 1 a rampa R1 jiˇzn´ıho ´ tubusu, uvedeny do podtlaku, a tud´ıˇz je jimi nasáván vzduch. Situace v m´ıstˇe MUK Malovanka je detailnˇeji popsána v kapitole 3.3.1. V tomto stupni ochrany bude nav´ıc minimalizován také v´ ynos zplodin ze vˇsech paraleln´ıch v´ yjezdov´ ych ramp po celé délce severn´ıho a jiˇzn´ıho tunelového tubusu. Toto jsou vˇsak jen obecné poˇzadavky na provozn´ı vˇetrán´ı. O tom, jaké akˇcn´ı ˇcleny (proudové ventilátory a strojovny), budou bˇehem obou stupˇ n˚ u ochrany spuˇstˇeny, rozhodne ˇr´ıdic´ı algoritmus, kter´ y je podrobnˇe popsán v kapitole 5.1. Regulace bude plnˇe automatická se zpˇetnou vazbou od mˇeˇren´ı koncentrac´ı a rychlost´ı ˇ ıdic´ı algoritmus bude d˚ proudˇen´ı v tunelu. R´ ukladnˇe otestován na simulaˇcn´ım modelu, viz kapitola 4.

3.3.1

Situace v m´ıstˇ e mimo´ urovˇ nov´ e kˇ riˇ zovatky Malovanka

´ Malovanka v rámci II. stupnˇe ochrany je Minimalizace v´ ynosu zplodin v oblasti MUK nejsloˇzitˇejˇs´ım procesem z hlediska provozn´ıho vˇetrán´ı. Navrˇzené stavebnˇe technologické ´ Malovanka, opatˇren´ı, které má zajistit minimalizaci v´ ynosu zplodin do oblasti MUK pˇredstavuje pˇrevodn´ı strojovna vzduchotechniky a uzav´ıratelné klapky v dˇelic´ı pˇr´ıˇcce mezi severn´ım a jiˇzn´ım tubusem. Ideáln´ı provozn´ı stav demonstruje obrázek 3.6. Pˇri dostateˇcné intenzitˇe provozu docház´ı vlivem p´ıstového u ´ˇcinku k nasáván´ı vzduchu vjezdov´ ymi portály Malovanka jiˇzn´ıho tubusu. Pˇri n´ızké hustotˇe provozu m˚ uˇze b´ yt ke splnˇen´ı této podm´ınky vyuˇzito nucené regulace proudˇen´ı pomoc´ı proudov´ ych ventilátor˚ u v tunelu. Nasáván´ı vzduchu v´ yjezdov´ ymi portály bude zaruˇceno vyuˇzit´ım pˇrevodn´ı strojovny Malovanka, odvodn´ı strojovny Stˇreˇsovice a také brzdného u ´ˇcinku proudov´ ych ventilátor˚ u v tunelu [15]. V m´ıstech oznaˇcen´ ych p´ısmeny A a B jsou um´ıstˇeny odbˇery kontinuáln´ıho mˇeˇren´ı imis´ı oxid˚ u dus´ıku. Z tˇechto dvou odbˇer˚ u bude kontinuálnˇe prob´ıhat vyhodnocen´ı mˇeˇren´ı zneˇciˇstˇen´ı, na základˇe kterého bude spouˇstˇen systém provozn´ıho vˇetrán´ı v daném stupni ochrany. M´ıra zneˇciˇstˇen´ı okol´ı, která bude rozhoduj´ıc´ı pro spuˇstˇen´ı provozn´ıho vˇetrán´ı tunelu Blanka, bude sledována pomoc´ı odbˇeru vzorku v referenˇcn´ım m´ıstˇe B, které je nav´ıc zat´ıˇzeno také zneˇciˇstˇen´ım pozad´ı zp˚ usoben´ ym jin´ ymi zdroji (pˇredevˇs´ım doprava na okoln´ıch komunikac´ıch) neˇz jsou portály tunelu. M´ıra zneˇciˇstˇen´ı zp˚ usobená vlivem vyfukovaného vzduchu z portálu je sledována pomoc´ı odbˇeru A v kombinaci s mˇeˇren´ım

ˇ ˇ AN ´ Í TUNELU 3.3. POZADAVKY NA PROVOZNÍ VETR koncentrace uvnitˇr tunelu.

´ Obrázek 3.6: Situace v m´ıstˇe MUK Malovanka, ˇsipky oznaˇcuj´ı smˇer proudˇen´ı vzduchu [15]

19

20


Kapitola 4 Simul´ ator vzduchotechniky 4.1

´ cel simulace Uˇ

V´ ysledkem diplomové práce je simulátor vzduchotechniky tunelového komplexu Blanka. ´ celem simulátoru je podat podklady pro stanoven´ı strategie ˇr´ızen´ı chodu provozn´ıho Uˇ vˇetrán´ı. Simulátor bude nav´ıc pouˇzit pro testován´ı algoritmu regulace a ˇr´ızen´ı jeˇstˇe pˇred dokonˇcen´ım a uveden´ım stavby tunelu Blanka do provozu. Simulátor byl naprogramován ve v´ ypoˇcetn´ım programu MATLAB, kter´ y dokáˇze velmi rychle a efektivnˇe cel´ y problém vzduchotechniky ˇreˇsit. Simulac´ı je moˇzné: • stanovit pr˚ utoky v jednotliv´ ych u ´sec´ıch tunelového tˇelesa pˇri r˚ uzn´ ych dopravn´ıch scénáˇr´ıch, • stanovit koncentrace ˇskodlivin NOx , CO a opacity pˇri r˚ uzné skladbˇe a intenzitˇe dopravy, • zjistit u ´ˇcinky jednotliv´ ych akˇcn´ıch ˇclen˚ u, t.j. proudov´ ych ventilátor˚ u, vzduchotechnick´ ych strojoven a uzav´ırac´ıch klapek mezi tubusy, • stanovit, kdy nestaˇc´ı p´ıstov´ yu ´ˇcinek vozidel pro odvˇetrán´ı ˇskodlivin, • otestovat minimalizaci v´ ynosu zplodin ze severn´ıho tubusu a ochranu portál˚ u pˇri I. a II. stupni ochrany provozn´ıho vˇetrán´ı, v´ıce viz kapitola 3.3. Simulátor byl vytvoˇren ve dvou proveden´ıch - statick´ em a dynamick´ em. Statická, teˇz ustálená verze simulátoru, slouˇz´ı k co nejrychlejˇs´ımu a pohodlnému ovˇeˇren´ı r˚ uzn´ ych tunelov´ ych scénáˇr˚ u, které mohou nastat. V této verzi je vˇzdy na základˇe vstupn´ıch dat (skladba a intenzita dopravy, nastaven´ı ventilátor˚ u a strojoven) vypoˇcten 21

´ KAPITOLA 4. SIMULATOR VZDUCHOTECHNIKY

22

vˇzdy jen jeden krok simulace. Nepoˇc´ıtá se tedy s v´ yvojem proudˇen´ı, emis´ı i dopravn´ı situace v ˇcase. Naopak dynamická verze simulátoru slouˇz´ı k otestován´ı scénáˇr˚ u v tunelu bˇehem delˇs´ıho ˇcasového horizontu, jako napˇr. jeden den. Dynamická verze tedy uvaˇzuje v´ yvoj systému v ˇcase.

4.2

Struktura simul´ atoru

Simulátor lze reprezentovat jako vstupnˇe-v´ ystupn´ı systém. Souˇcást´ı tohoto systému jsou tˇri na sobˇe závislé modely: 1. dopravn´ı model vstupy: intenzita dopravy na portálech skladba dopravy v´ ystupy: ekvivalentn´ı poˇcet vozidel, viz kapitola 4.3.2 rychlost j´ızdy vozidel 2. model proudˇ en´ı vstupy: ekvivalentn´ı poˇcet vozidel skladba dopravy rychlost j´ızdy vozidel nastaven´ı ventilátor˚ u a strojoven stupeˇ n ochrany provozn´ıho vˇetrán´ı v´ ystupy: rychlost a smˇer proudˇen´ı

4.3. DOPRAVNÍ MODEL

23

3. model emis´ı vstupy: ekvivalentn´ı poˇcet vozidel skladba dopravy rychlost j´ızdy vozidel rychlost a smˇer proudˇen´ı koncentrace ˇskodlivin vnˇe tunelu stupeˇ n ochrany provozn´ıho vˇetrán´ı v´ ystupy: koncentrace ˇskodlivin v tunelu m´ıra opacity v tunelu

4.3 4.3.1

Dopravn´ı model Statistick´ e dopravn´ı u ´ daje

´ Udaje o dopravˇe jsou vstupn´ımi daty jak pro model proudˇen´ı, tak pro model emis´ı. Typ˚ u automobil˚ u, které mohou tunelem projet je celá ˇrada, od osobn´ıch automobil˚ u pˇres autobusy aˇz po motocykl. Z hlediska poˇctu vozidel, které tunelem projedou jsou vˇsak nejd˚ uleˇzitˇejˇs´ı osobn´ı automobily s benz´ınov´ ym a dieselov´ ym motorem a lehké a tˇeˇzké nákladn´ı automobily. Podle emisn´ıho modelu spoleˇcnosti Atem s.r.o. bylo v Praze pro rok 2012 poˇc´ıtáno s následuj´ıc´ım rozdˇelen´ım dopravn´ıch typ˚ u: • Osobn´ı benz´ınové automobily – 52 % • Osobn´ı dieselové automobily – 40 % • Lehké nákladn´ı automobily – 5 % • Tˇeˇzké nákladn´ı automobily – 3 % Pro dynamick´ y model dopravy je nutná znalost denn´ı ˇcasové variance automobil˚ u a celkové denn´ı pr˚ ujezdnosti vozidel na vˇsech portálech tunelu. Vˇsechny tyto informace jsou pˇrehlednˇe uvedeny v pˇr´ıloze D.


24

Z hlediska zplodin je dále d˚ uleˇzité rozdˇelen´ı podle emisn´ı normy EURO. V souˇcasnosti známe pˇet druh˚ u této emisn´ı kategorie: • PRE EURO

1

do roku 1992

• EURO 1 od r. 1992 • EURO 2 od r. 1996 • EURO 3 od r. 2000 • EURO 4 od r. 2005 • EURO 5 od r. 2009

2

Graf procentuáln´ıho rozdˇelen´ı jednotliv´ ych typ˚ u vozidel podle emisn´ı normy EURO je pro Mˇestsk´ y okruh v Praze uveden v pˇr´ıloze E.

4.3.2

Statick´ y model dopravy

Ve statické verzi simulátoru je vypoˇc´ıtáván tzv. ekvivalentn´ı poˇ cet vozidel. Ekvivalentn´ı poˇcet vozidel definuje okamˇzit´ y poˇcet vozidel v danou chv´ıli v daném u ´seku tunelu. Jeho v´ ypoˇcet je zaloˇzen na znalosti rychlosti j´ızdy vozidel a intenzity dopravy v jednotliv´ ych u ´sec´ıch tunelu: N=

I ·L v · 1000

(4.1)

kde: N – ekvivalentn´ı poˇcet vozidel [-], I – hodinová intenzita vozidel v u ´seku [voz/h], L – délka u ´seku tunelu [m], v – rychlost j´ızdy vozidel [km/h]. Ekvivalentn´ı poˇcet vozidel je vstupn´ı hodnotou pro p´ıstov´ yu ´ˇcinek vozidel, viz rovnice (4.9) a pro statick´ y v´ ypoˇcet zplodin v tunelu, viz kapitola 4.5.1. 1 2

Do kategorie PRE EURO spadaj´ı také vozidla, která nesplˇ nuj´ı technick´ y stav. Vozidla s emisn´ı normou EURO 6 pˇrijdou na trh aˇz v roce 2014.

4.3. DOPRAVNÍ MODEL

4.3.3

25

Dynamick´ y model dopravy

Dynamick´ y model dopravy byl vytvoˇren v programovac´ım jazyku JAVA. Model byl naprogramován na základe tzv. mikromodelu. Základem mikromodelu je myˇslenka, ˇze vˇsechny automobily, které proj´ıˇzdˇej´ı tunelem jsou uchovávány v pamˇeti. Mikromodel˚ u existuje celá ˇrada, pro tunel Blanka byl pouˇzit model IDM (Intelligent–Driver–Model), kter´ y je detailnˇe popsán v [18]. Kaˇzd´ y automobil je reprezentován jako objekt, kter´ y má následuj´ıc´ı vlastnosti: • pozice v tunelu, na které se nacház´ı, • okamˇzitá rychlost, • ˇc´ıslo pruhu, ve kterém se nacház´ı. Rychlost automobilu v tunelu je definována pomoc´ı diference jeho polohy v ˇcase: v=

∆x ∆t

(4.2)

Zrychlen´ı ˇridiˇce pak závis´ı na jeho rychlosti a vzdálenosti od nejbliˇzˇs´ıho automobilu vpˇredu:

[ ( ) δ ( ∗ )2 ] v s ∆v acc = =a· 1− − ∆t v0 s (

kde:

v∆v s = s0 + min 0, vT + √ 2 ab

(4.3)

)

∗

(4.4)

kde: x je aktuáln´ı pozice automobilu [m], v je okamˇzitá rychlost automobilu [m/s], acc je aktuáln´ı zrychlen´ı automobilu [m/s2 ], s je okamˇzitá vzdálenost automobilu od nejbliˇzˇs´ıho automobilu vpˇredu [m], s∗ je poˇzadovaná vzdálenost automobilu od nejbliˇzˇs´ıho automobilu vpˇredu [m]. Ostatn´ı symboly v rovnic´ıch (4.3) a (4.4) jsou konstanty, které respektuj´ı reáln´ y provoz v tunelu. Konstanty byly pro tunel Blanka zvoleny podle [18] a jsou uvedeny v tabulce 4.1. Cel´ y model pak pracuje tak, ˇze z rovnice (4.3) nejprve analyticky vypoˇcte hodnotu zrychlen´ı a posléze numericky rychlost kaˇzdého automobilu v následuj´ıc´ım kroku. ˇ Z rovnice (4.2) pak vypoˇc´ıtá jeho následuj´ıc´ı aktuáln´ı pozici. Casov´ y krok v´ ypoˇctu dopravn´ıho modelu byl zvolen 0,1 sekundy.


26 konstanta

v´ yznam

hodnota

hodnota

os. automobily

n´ akl. automobily

2

0,3 m/s2

a

maximáln´ı moˇzné zrychlen´ı automobil˚ u

0,3 m/s

b

maxim´ aln´ı moˇzné zpomalen´ı automobil˚ u

3 m/s2

2 m/s2

v0

maximáln´ı povolen´ a rychlost automobil˚ u

70 km/h

70 km/h

s0

minim´ aln´ı moˇzn´ a vzdálenost mezi automobily

2m

2m

T

bezpeˇcn´ a doba pr˚ ujezdu mezi automobily

1,5 s

1,7 s

δ

koeficient zrychlen´ı

4

4

Tabulka 4.1: Zvolené konstanty dopravn´ıho mikromodelu

Aby cel´ y model fungoval, je jeˇstˇe nutné definovat podm´ınky pro pˇrej´ıˇzdˇen´ı mezi pruhy, napˇr. pˇri pˇredj´ıˇzdˇen´ı pomalejˇs´ıch vozidel nebo pˇri odboˇcován´ı na kˇriˇzovatkách. Tyto podm´ınky definuje napˇr. Lane-Change Model MOBIL, kter´ y je popsán v [12]. Ke zmˇenˇe pruhu automobilu dojde tehdy, pokud jsou splnˇeny dvˇe podm´ınky. Prvn´ı z nich ˇr´ıká, ˇze potencionáln´ı zpomalen´ı automobilu, které je v pruhu vedle, mus´ı b´ yt bezpeˇcné, t.j. automobil, kter´ y odboˇc´ı do jiného pruhu, nesm´ı pˇr´ıliˇs“ ohrozit ˇridiˇce, ” kter´ y v tomto pruhu jede. acc′ (B ′ ) > −bsafe

(4.5)

A druhá podm´ınka ˇr´ıká, ˇze ke zmˇenˇe pruhu dojde tehdy, pokud je to pro dan´ y automobil v´ yhodné: acc′ (M ′ ) − acc(M ) > p · [acc(B) + acc(B ′ ) − acc′ (B) − acc′ (B ′ )] + athr

(4.6)

kde: bsafe – konstanta urˇcuj´ıc´ı bezpeˇcné zpomalen´ı ˇridiˇce jedouc´ıho ve vedlejˇs´ım pruhu, acc′ (M ′ ) – potencionáln´ı zrychlen´ı vozidla po zmˇenˇe pruhu, acc(M ) – aktuáln´ı zrychlen´ı vozidla, acc(B) – aktuáln´ı zrychlen´ı vozidla za sebou, acc(B ′ ) – aktuáln´ı zrychlen´ı vozidla ve vedlejˇs´ım pruhu, acc′ (B) – potencionáln´ı zrychlen´ı vozidla za sebou, acc′ (B ′ ) – potencionáln´ı zrychlen´ı vozidla ve vedlejˇs´ım pruhu. V´ yraz na levé stranˇe kritéria (4.6) je vlastnˇe zisk vozidla v podobˇe zrychlen´ı, zp˚ usoben´ y zmˇenou pruhu. V´ yraz v závorce na pravé stranˇe kritéria bere ohled na aktuáln´ı a potenˇ ım bude potencionáln´ı cionáln´ı zrychlen´ı vozidla za sebou a vozidla ve vedlejˇs´ım pruhu. C´

ˇ Í 4.4. MODEL PROUDEN

27

zrychlen´ı vozidla za sebou vˇetˇs´ı, t´ım jednoduˇseji dojde ke splnˇen´ı kritéria a automobil se vlastnˇe bude snaˇzit uhnout, a t´ım umoˇznit pr˚ ujezd rychlejˇs´ıho automobilu jedouc´ıho za ˇ ım bude menˇs´ı zrychlen´ı automobilu ve vedlejˇs´ım pruhu, t´ım dojde k naplnˇen´ı sebou. C´ kritéria také snázeji, protoˇze automobil bude m´ıt v´ıce odvahy do vedlejˇs´ıho pruhu vjet. Konstanty p a athr slouˇz´ı k naledˇen´ı celého modelu. Konstanta p je tzv. politeness factor, kter´ y vlastnˇe reprezentuje chován´ı ˇridiˇce. Pokud: • p>1, pak se jedná o velmi altruistické chován´ı, kdy vozidla zbyteˇcnˇe neriskuj´ı a do vedlejˇs´ıho pruhu pˇrejedou jen sporadycky a snaˇz´ı se v´ıce pouˇstˇet rychlejˇs´ı automobily jedouc´ı za sebou. • p ϵ < 0; 0, 5 > odpov´ıdá realistickému chován´ı bˇeˇzného provozu. • p=0, ˇcistˇe egoistické chován´ı, automobily pˇrej´ıˇzdˇej´ı mezi pruhy ˇcastˇeji, neˇz odpov´ıdá bˇeˇznému provozu a ménˇe se ohl´ıˇz´ı na automobily jedouc´ı za sebou. • p<0, zákeˇrné ˇskodolibé chován´ı, automobily pˇrej´ıˇzdˇej´ı mezi pruhy extrémnˇe ˇcasto a to tak, aby zámˇernˇe jinému automobilu vjely do cesty. Pro simulaˇcn´ı model se hodnota p pro kaˇzd´ y automobil náhodnˇe mˇen´ı v rozsahu p ϵ < 0; 0, 5 >. Konstanta athr pˇredstavuje jak´ ysi práh zrychlen´ı, od kterého m˚ uˇze doj´ıt ke zmˇenˇe pruhu. T´ım je moˇzné zavést do mikromodelu jakousi hysterezi.

4.4 4.4.1

Model proudˇ en´ı S´ıly p˚ usob´ıc´ı v tunelu

Proudˇen´ı nestlaˇcitelné tekutiny v trubici nejlépe popisuje parciáln´ı diferenciáln´ı NavierStokesova rovnice. Navierova-Stokesova rovnice je analyticky ˇreˇsitelná jen v nˇekolika málo pˇr´ıpadech jednoduch´ ych tok˚ u. Jen sestaven´ı tˇechto rovnic vˇc. okrajov´ ych podm´ınek pro cel´ y tunelov´ y komplex Blanka by bylo prac´ı na mnoho let. Z tohoto d˚ uvodu byl pro popis proudˇen´ı zvolen jednoduˇsˇs´ı zp˚ usob, a sice popis jednorozmˇerného proudˇen´ı pomoc´ı Bernoulliho rovnic. Odvozen´ı Bernoulliho rovnice lze naj´ıt v mnoha dostupn´ ych zdroj´ıch, napˇr. [11]. Zápis Bernoulliho rovnice m˚ uˇze b´ yt následuj´ıc´ı: p+

1 2 ρv = konst. 2

(4.7)


28

Souˇcet tlaku a kinetické energie tekutiny vztaˇzené na jednotku objemu je ve vˇsech m´ıstech trubice konstantn´ı. Bernoulliho rovnice plat´ı i pro obecn´ y tunel, ten má totiˇz tvar trubice a tekutinou proud´ıc´ı v trubici je vzduch. V tunelech se uplatˇ nuje mnoho vliv˚ u, které zvyˇsuj´ı celkov´ y tlak v tunelu (tlakov´ y zisk). Jedná se o p´ıstov´ y efekt proj´ıˇzdˇej´ıc´ıch vozidel, u ´ˇcinek proudov´ ych ventilátor˚ u a pˇr´ıˇcnˇe napojen´ ych strojoven, v´ yˇskové pˇrev´ yˇsen´ı portál˚ u a vliv s´ıly vˇetru na portály. Pˇrev´ yˇsen´ı portál˚ u tunelu Blanka je vˇsak nev´ yznamné, tlaková zmˇena zp˚ usobená t´ımto efektem je relativnˇe malá ve srovnán´ı s jin´ ymi tlakov´ ymi zmˇenami, proto jsme se rozhodli ji zanedbat. Taktéˇz byl zanedbán vliv vˇetru na portály tunelu, kter´ y je v mˇestské aglomeraci pomˇernˇe nev´ yznamn´ y vzhledem k ostatn´ım dominantnˇejˇs´ım u ´ˇcink˚ um. Na stranˇe druhé vznikaj´ı v tunelech tlakové ztráty zp˚ usobené pˇredevˇs´ım tˇren´ım vzduchu a m´ıstn´ımi odpory, mezi které ˇrad´ıme ztráty vstupem a v´ ystupem a ztráty zp˚ usobené geometri´ı tunelu, jako je zmˇena pr˚ uˇrezu nebo dˇelen´ı ˇci spojován´ı proud˚ u za kˇriˇzovatkami (rampami). Statick´ y a dynamick´ y model proudˇen´ı v simulátoru vzduchotechniky se pˇr´ıliˇs neliˇs´ı. Pˇri nestacionárn´ım (dynamickém) proudˇen´ı je nutno ˇcást energie vynaloˇzit na urychlen´ı tekutiny a Bernoulliho rovnice je rozˇs´ıˇrena o ˇclen lokáln´ıho zpoˇzdˇen´ı (setrvaˇcnou energii). Po zahrnut´ı tˇechto vliv˚ u lze rovnici (4.7) pˇrepsat na tvar: ∆pP E + ∆pJF − ∆pF RIC − ∆pZ − ∆pLOC = konst.

(4.8)

kde: ∆pP E je p´ıstov´ y efekt proj´ıˇzdˇej´ıc´ıch vozidel, ∆pJF je tlakov´ y zisk (ˇci ztráta) zp˚ usobena proudov´ ymi ventilátory, ∆pF RIC jsou tlakové ztráty tˇren´ım, ∆pZ jsou tlakové ztráty zp˚ usobené m´ıstn´ımi odpory, ∆pLOC znaˇc´ı lokáln´ı zpoˇzdˇen´ı tekutiny.

Pojd’me se nyn´ı pod´ıvat, co jednotlivé ˇcleny rovnice (4.8) fyzikálnˇe reprezentuj´ı a jak je lze vypoˇc´ıtat: P´ıstov´ y efekt proj´ıˇ zdˇ ej´ıc´ıch vozidel – ∆pP E : Automobily uvádˇej´ı vzduch v tunelu do pohybu. Pokud je jejich rychlost vyˇsˇs´ı neˇz rychlost


29

proudˇen´ı (v > u), pak p´ıstov´ yu ´ˇcinek vyjadˇruje tlakov´ y zisk a ˇclen ∆pP E je kladn´ y. Pokud dojde k situaci, kdy je rychlost vozidel niˇzˇs´ı neˇz rychlost proudˇen´ı, napˇr. za kongesce, pak p´ıstov´ yu ´ˇcinek sniˇzuje celkov´ y tlak v tunelu a jedná se o tlakovou ztrátu. Simulátor postihuje situace pˇri proudˇen´ı ve smˇeru jedouc´ıch aut, kdy je poˇc´ıtáno s relativn´ı rychlost´ı (v-u) a také pˇri proudˇen´ı proti jedouc´ım aut˚ um, kdy je relativn´ı rychlost (v+u). Tuto skuteˇcnost lze vyjádˇrit matematick´ ym vztahem: ∆pP E = sgn(v − u) ·

(N · Cv · Av )P C + (N · Cv · Av )LT + (N · Cv · Av )HT 1 · ρ · (v − u)2 AT 2 (4.9)

kde v – rychlost j´ızdy vozidel [m/s], u – rychlost proudˇen´ı v tunelu [m/s], kladná pokud vzduch proud´ı ve smˇeru jedouc´ıch automobil˚ u, záporná pˇri proudˇen´ı proti jedouc´ım automobil˚ um, N – ekvivalentn´ı poˇcet vozidel [-], viz kapitola 4.3.2, Cv Av – u ´ˇcinná ˇceln´ı plocha vozidel [m2 ], bylo poˇc´ıtáno s následuj´ıc´ımi u ´ˇcinn´ ymi ˇceln´ımi plochami vozidel: 0,7 m2 pro osobn´ı (PC), 2,4 m2 pro lehké nákladn´ı (LT) a 5,6 m2 pro tˇeˇzké nákladn´ı automobily (HT). Uvedené u ´ˇcinné plochy vozidel plat´ı pro rychlosti j´ızdy v=70 km/h a vyˇsˇs´ı a pˇri niˇzˇs´ıch rychlostech se zmenˇs´ı [8]. Závislost souˇcinitele odporu Cv na rychlosti automobil˚ u v [km/h] lze aproximovat vztahem: Cv ≈ 2 · 10−5 v 2 + 0, 004v + 0, 474

(4.10)

ρ – hustota vzduchu [kg.m−3 ], bylo uvaˇzováno s hustotou vzduchu 1,23 kg.m−3 , AT – pr˚ uˇrez tunelu v jeho daném m´ıstˇe [m2 ] Tlakov´ yu ´ˇ cinek zp˚ usoben´ y proudov´ ymi ventil´ atory – ∆pJF : Tlakov´ y pˇr´ıspˇevek vyvolan´ y tahem proudového ventilátoru v závislosti na otáˇckách a rychlosti proudˇen´ı vzduchu v tunelu se vyjádˇr´ı jako: ∆pJF

ηJF ρQref 2 ηJF ρQref = n · |n| + n·u 2 nref AJF AT nref AT

(4.11)


30 kde:

ηJF – u ´ˇcinnost pˇremˇeny tahu na tlak [-]. Zahrnuje v sobˇe korekci um´ıstˇen´ı vlivu proudov´ ych ventilátor˚ u v tunelu. Napˇr. v literatuˇre [13] lze naj´ıt pˇresn´ y postup pro v´ ypoˇcet korekce u ´ˇcinnosti pˇremˇeny tahu na tlak pro proudové ventilátory. Ze zkuˇsenosti bylo poˇc´ıtáno s hodnotou ηJF =0,8 pro vˇsechny proudové ventilátory v tunelu, n – otáˇcky ventilátoru, kladné pokud ventilátor podporuje rychlost proudˇen´ı ve smˇeru j´ızdy vozidel, záporná pokud rychlost proudˇen´ı brzd´ı. V´ yraz |n| respektuje brzdn´ y chod ventilátoru, kdy je celkov´ y tlak v u ´seku vlivem spuˇstˇen´ı ventilátoru sniˇzován, nREF – jmenovité otáˇcky proudového ventilátoru, QREF – jmenovit´ y pr˚ utok proudového ventilátorem, AJF – u ´ˇcinná plocha obˇeˇzného kola ventilátoru. Konkrétn´ı parametry proudov´ ych ventilátor˚ u v tunelu Blanka, vˇc. jmenovit´ ych otáˇcek, pr˚ utok˚ uau ´ˇcinn´ ych ploch obˇeˇzného kola jsou uvedeny v tabulce 3.1 v kapitole 3.2.2.1. Tlakov´ a ztr´ ata zp˚ usoben´ a tˇ ren´ım vzduchu – ∆pF RIC : Stˇeny v tunelu kladou proud´ıc´ımu vzduchu odpor, a to se projev´ı na sn´ıˇzen´ı celkového tlaku v u ´seku tunelu. Tlakovou ztrátu tˇren´ım lze vypoˇc´ıtat pomoc´ı vztahu: ∆pF RIC = λ

L 1 ρ · u2 Dh 2

(4.12)

kde: λ – souˇcinitel tˇren´ı [-], pro jeho v´ ypoˇcet byl zvolen vztah podle Swameeho, kter´ y upravil prof. Hemzal [9]:

1, 318 λ= [ ( )]2 5,74 ϵ ln 3,7Dh + Re0,9 kde: ϵ – relativn´ı drsnost [m], bylo poˇc´ıtáno s hodnotou ϵ=0,015 m,

(4.13)


31

Dh – hydraulick´ y pr˚ umˇer tunelu [m], Re – Reynoldsovo ˇc´ıslo [-], podobnostn´ı ˇc´ıslo, které udává, zda je proudˇen´ı laminárn´ı nebo turbulentn´ı. Reynoldosovo ˇc´ıslo závis´ı na rychlosti proudˇen´ı a na viskozitˇe dle vzorce:

Re =

u · Dh ν

(4.14)

ν – viskozita vzduchu, bylo uvaˇzováno s hodnotou ν=15,07· 10−6 Pa · s. Tlakov´ a ztr´ ata zp˚ usoben´ a m´ıstn´ımi odpory – ∆pZ : Obecnˇe lze tyto ztráty vyjádˇrit vztahem: ∆pZ =

∑

ζi ·

i

1 ρ · u2 2

(4.15)

kde: ζi – souˇcinitel tlakové ztráty. Prvn´ı ztrátou, kterou ˇrad´ıme ke ztrátˇe m´ıstn´ımi odpory, je ztráta vlivem vstupu a v´ ystupu proudu vzduchu z portál˚ u tunelového tˇelesa. • Ztr´ aty vstupem a v´ ystupem Velikost tlakové ztráty zp˚ usobené vstupem proudu vzduchu do tunelového tˇelesa lze vypoˇc´ıtat jako: ∆pin =

1 ρ · ζin · u2 2

(4.16)

a tlakovou ztrátu zp˚ usobenou v´ ystupem proudu vzduchu z tunelového tˇelesa: ∆pout =

1 ρ · ζout · u2 2

(4.17)

kde: ζin =0,5, ζout =1 Dalˇs´ım z faktor˚ u, které zp˚ usobuj´ı tlakovou ztrátu m´ıstn´ımi odpory, je zmˇena pr˚ uˇrezu tunelového tˇelesa.


32 • Z´ uˇ zen´ı

( )0,75 ∆p A0 ζi = 2 = Cr · 1 − ρu0 /2 A1

(4.18)

kde: Cr – Koeficient tvaru pˇrechodu byl zvolen 0,5 jako nejnepˇr´ıznivˇejˇs´ı moˇzn´ y pˇr´ıpad pˇrechodu. • Rozˇ s´ıˇ ren´ı

∆p = ζi = 2 ρu0 /2

(

A0 1− A1

)2 (4.19)

index 0“ pˇr´ısluˇs´ı vˇzdy k menˇs´ımu pr˚ uˇrezu ze dvou, a to jak u náhlého z´ uˇzen´ı, tak ” u náhlého rozˇs´ıˇren´ı. Ke ztrátˇe m´ıstn´ımi odpory docház´ı také v d˚ usledku rozdˇelen´ı a spojen´ı proud˚ u v tunelové kˇriˇzovatce. Tlakové ztráty pˇri dˇelen´ı nebo spojen´ı proud˚ u se uplatn´ı vˇzdy v pˇr´ımé vˇetvi – ∆pst a boˇcn´ı vˇetvi – ∆ps . Tyto tlakové ztráty jsou ale vˇzdy vztaˇzeny k rychlosti ve spoleˇcném u ´seku z hlediska smˇeru toku: ∆pst =

1 ρ · ζc,st · u2c 2

(4.20)

1 ρ · ζc,s · u2c (4.21) 2 Pro jednoduchou kˇriˇzovatku na obr. 4.1 lze r˚ uzn´ ymi kombinacemi smˇeru proudˇen´ı v jednotliv´ ych vˇetv´ıch dosáhnout celkem ˇsesti pˇr´ıpad˚ u bud’ spojován´ı nebo dˇelen´ı proud˚ u. ∆ps =

V simulaˇcn´ım modelu proudˇen´ı jsou vˇsechny tyto pˇr´ıpady zohlednˇeny. Za dostateˇcnˇe pˇresné byly shledány a ovˇeˇreny analytické závislosti pro v´ ypoˇcet tlakov´ ych ztrát publikované I.E. Idˇelˇcikem v 60. a 70. letech minulého stolet´ı. Vzorce pro v´ ypoˇcet tˇechto tlakov´ ych ztrát lze nalézt napˇr. v [10]. • Dˇ elen´ı proud˚ u pod u ´ hlem 0-90◦

Obrázek 4.1: Dˇelen´ı proud˚ u pod u ´hlem 0-90◦


33 ( ′

ζc,s = B ·

(

1+

us uc

)2

us − 2 cos α uc

Pokud plat´ı, ˇze As + Ast > Ac a Ast = Ac

)

( −

Ks′

us uc

)2 (4.22)

3

( ζc,st = τst

Qs Qc

)2 (4.23)

Pokud plat´ı, ˇze As + Ast = Ac a u ´hel odboˇcky je 15-60◦ 4 ( )3 ( )2 ( ) ust ust ust ζc,st = 0, 9786 − 0, 8393 − 1, 141 + 0, 9332 uc uc uc

(4.24)

• Spojov´ an´ı proud˚ u pod u ´ hlem 0-90◦

Obrázek 4.2: Spojován´ı proud˚ u pod u ´hlem 0-90◦

( ζc,s = B ·

1+

(

us uc

)2

Ast −2 Ac

(

ust uc

)2

As −2 Ac

(

us uc

)

)2 cos α

Pokud plat´ı, ˇze As + Ast > Ac a Ast = Ac ( )2 ( )( )2 Qs Qs Qs ′ Ac Qs − 1, 4 − sin α − 2Kst ζc,st = 1 − 1 − cos α Qc Qc Qc As Qc A pokud plat´ı, ˇze As + Ast = Ac ( )2 ( )2 ( )2 Ast ust A s us ust ′′ −2 −2 cos α + Kst ζc,st = 1 + uc Ac uc A c uc 3

(4.25)

(4.26)

(4.27)

Tato podm´ınka nen´ı obvykle splnˇena, pr˚ uˇrez tunelu se za kˇriˇzovatkou skokovˇe mˇen´ı. Pˇribliˇznˇe lze

vˇsak tento vztah pro urˇcen´ı tlakové ztráty pouˇz´ıt. 4 Poznamenejme, ˇze pˇr´ıpad As + Ast = Ac se uplatn´ı jen u rampy 5 (v´ yjezd Malovanka) severn´ıho tunelového tubusu.


34

•

T“ rozboˇ cka ”

Obrázek 4.3: Rozboˇcka typu T“ ”

( ζc,i = 1 + k

•

us uc

)2 (4.28)

T“ spojen´ı ”

Obrázek 4.4: Spojen´ı typu T“ ”

( ζc,i = 1 +

Ac As

(

)2 +3

Ac As

) )2 (( )2 Qs Qs · − Qc Qc

(4.29)


35

• Dˇ elen´ı a spojov´ an´ı proud˚ u pod u ´ hlem vˇ etˇ s´ım neˇ z 90◦

Obrázek 4.5: Dˇelen´ı a spojován´ı proud˚ u pod u ´hlem vˇetˇs´ım neˇz 90◦

Tento pˇr´ıpad se uplatn´ı v pˇr´ıpadech, kdy vzduch na tunelov´ ych rampách proud´ı proti jedouc´ım vozidl˚ um. I kdyˇz v souˇcasné dobˇe neznáme analytické vztahy pro v´ ypoˇcet tˇechto tlakov´ ych ztrát, byly pro jejich v´ ypoˇcet pouˇzity vzorce (4.22), (4.23), (4.25) a (4.26), kde u ´hel odboˇcen´ı ˇci spojen´ı byl uvaˇzován vˇetˇs´ı neˇz 90◦ . Indexy s, st a c podle obrázk˚ u 4.1 a 4.2 vˇzdy znaˇc´ı: s - boˇcn´ı vˇetev, st - pˇr´ımou vˇetev, c - spoleˇcnou vˇetev, i - pravou nebo levou vˇetev pˇri T“ spojen´ı ˇci rozdˇelen´ı. ” Koeficienty B, B’, Kst ’, Kst ”, τ a k jsou funkc´ı f(As /Ac , Qs /Qc , α), pˇriˇcemˇz jejich konkrétn´ı hodnoty lze nalézt v uvedené literatuˇre [10]. Tlakov´ a ztr´ ata zp˚ usoben´ a lok´ aln´ım zpoˇ zdˇ en´ım vzduchu – ∆pLOC : V dynamické verzi simulátoru, kdy se proudˇen´ı vyv´ıj´ı v ˇcase, je uvaˇzováno jeˇstˇe s lokáln´ım zpoˇzdˇen´ım tekutiny, které vlastnˇe reprezentuje pˇrechodov´ y dˇej. Lokáln´ı zpoˇzdˇen´ı tekutiny


36

se oznaˇcuje at a obecnˇe je definováno jako: at =

∂u ∂t

(4.30)

Tlakovou ztrátu zp˚ usobenou lokáln´ım zpoˇzdˇen´ım m˚ uˇzeme uvaˇzovat jako: dF dS

dp =

(4.31)

podle druhého Newtonova pohybového zákona lze s´ılu p˚ usob´ıc´ı v tunelu rozepsat jako: dm ∂u ρdV ∂u ∂u ∂t ∂t dp = = = ρdl dS dS ∂t

(4.32)

integrac´ı levé i pravé strany rovnice (4.32) dostáváme: ∫

L

p=ρ· 0

∂u dl ∂t

(4.33)

Protoˇze jsme tunel rozdˇelili na mnoho u ´sek˚ u s konstantn´ı délkou, pr˚ uˇrezem i stoupán´ım, je lokáln´ı zpoˇzdˇen´ı tekutiny po celé délce u ´seku konstantn´ı, a tud´ıˇz lze vztah (4.33) napsat jako: ∆pLOC = ρ · L ·

4.4.2

∂u ∂t

(4.34)

Aerodynamick´ e sch´ ema

V tunelu Blanka se nacházej´ı pouze jednoduché kˇriˇzovatky, v´ yjezdové a pˇr´ıjezdové rampy, viz obr. 2.3. Kaˇzdou takovou tunelovou kˇriˇzovatku lze z hlediska proudˇen´ı popsat pomoc´ı jedné rovnice kontinuity a dvou pohybov´ ych Bernoulliho rovnic. V soustavˇe tˇechto u ´sek˚ u, které na sebe navazuj´ı a tvoˇr´ı sériovˇe-paraleln´ı s´ıt’ mus´ı platit podm´ınka kontinuity a podm´ınka rovnosti tlak˚ u v rozboˇckách. Analogicky lze na to pohl´ıˇzet pomoc´ı Kirchhoffov´ ych zákon˚ u, které jsou d˚ uvˇernˇe známy z elektrotechniky. Prvn´ı Kirchhoff˚ uv zákon ˇr´ıká, ˇze souˇcet proud˚ u, které vtékaj´ı a vytekaj´ı z uzlového bodu mus´ı b´ yt roven nule. Zde budeme analogicky m´ısto proudu uvaˇzovat objemov´ y pr˚ utok. Druh´ y Kirchhoff˚ uv zákon plat´ı pro uzavˇrenou smyˇcku. Souˇcet napˇet´ı na spotˇrebiˇc´ıch a zdroj´ıch v jednoduché smyˇcce mus´ı b´ yt roven nule. V hydrodynamickém názvoslov´ı je napˇet´ı analogi´ı tlaku. Matematicky lze Kirchhoffovy zákony pro hydrodynamiku formulovat následovnˇe: 1.

n ∑ i=1

Qi = 0

(4.35)

4.5. EMISNÍ MODEL

37

2.

n ∑

pi = 0

(4.36)

i=1

Pro jednoduchost m˚ uˇzeme ukázat, jak by vypadal matematick´ y popis proudˇen´ı pro kˇriˇzovatku zobrazenou na obr. 4.1. Pro dˇelen´ı proud˚ u plat´ı rovnice kontinuity (prvn´ı Kirchhoff˚ uv zákon): Qc = Qst + Qs

(4.37)

Po vyjádˇren´ı pomoc´ı rychlosti proudˇen´ı: Ac uc = Ast ust + As us

(4.38)

Dále plat´ı dvˇe Bernoulliho rovnice, protoˇze v ustáleném stavu mus´ı b´ yt tlaky v rovnováze (druh´ y Kirchhoff˚ uv zákon): ∆pc + ∆pst = 0

(4.39)

∆pc + ∆ps = 0

(4.40)

V´ yrazy ∆pc , ∆pst a ∆ps lze rozepsat se vˇsemi tlakov´ ymi pˇr´ıspˇevky podle rovnice (4.8). T´ım vznikne nelineárn´ı soustava tˇr´ı rovnic se tˇremi neznám´ ymi – rychlostmi proudˇen´ı v jednotliv´ ych u ´sec´ıch. Cel´ y tunel Blanka lze tedy pomoc´ı tˇechto rovnic popsat. Soustava rovnic se ˇreˇs´ı v programu MATLAB, kde lze s v´ yhodou pouˇz´ıt funkci fsolve, která ˇreˇs´ı soustavu numericky, napˇr. pomoc´ı algoritmu Levenberg-Marquardt. Zapsán´ı tˇechto rovnic do textového souboru programu MATLAB by vˇsak bylo velice zdlouhavé a mohlo by zapˇr´ıˇcinit mnoho chyb zp˚ usoben´ ych nepozornost´ı a nepˇrehlednost´ı zdrojového kódu. Pro ulehˇcen´ı práce jsem vytvoˇril automatick´ y generátor soustavy rovnic, kter´ y lze v budoucnu vyuˇz´ıt pˇri práci na jin´ ych tunelech5 .

4.5

Emisn´ı model

Produkce emis´ı automobilu závis´ı na tzv. emisn´ım faktoru. Emisn´ı faktor ˇskodliviny je veliˇcina udávaná v jednotce g/km, jej´ıˇz hodnota závis´ı na typu automobilu, emisn´ı normˇe 5

Gener´ ator je schopen vygenerovat rovnice pro silniˇcn´ı tunely podobné tunelu Blanka, tedy tunelu

s v´ yjezdov´ ymi a pˇr´ıjezdov´ ymi rampami a pˇrevodn´ımi klapkami mezi tubusy.


38

EURO, rychlosti j´ızdy automobilu a sklonu vozovky. Koncentrace ˇskodlivin pak závis´ı na emisn´ım faktoru a objemovém pr˚ utoku v tunelu. Emisn´ı faktory byly vypoˇcteny pomoc´ı programu MEFA 06, kter´ y je vyv´ıjen pod záˇstitou firmy Atem spol. s r.o.

4.5.1

Ust´ alen´ a verze v´ ypoˇ ctu emis´ı

Algoritmus ustálené (statické) verze v´ ypoˇctu emis´ı prob´ıhá v nˇekolika kroc´ıch: 1. V´ ypoˇcet emisn´ıho faktoru na základˇe interpolace dat 2. V´ ypoˇcet vlastn´ı emise v kaˇzdém u ´seku tunelu 3. V´ ypoˇcet kumulované emise na konci kaˇzdého u ´seku tunelu 4. V´ ypoˇcet koncentrac´ı zplodin na konci kaˇzdého u ´seku tunelu Program MEFA 06 poskytuje emisn´ı faktory6 pro mnoho druh˚ u ˇskodlivin, které se uvolˇ nuj´ı pˇri spalován´ı. Pro nás jsou nejd˚ uleˇzitˇejˇs´ı hodnoty NOx , CO a primárn´ı praˇsnosti (PM10). Program MEFA 06 bohuˇzel nezohledˇ nuje v´ ypoˇcet sekundárn´ı praˇsnosti. Existuje empirick´ y v´ ypoˇcet sekundárn´ı praˇsnosti, viz rovnice (4.42), kter´ y byl v tomto pˇr´ıpadˇe pouˇzit [21]. Z programu MEFA 06 byly pro v´ yˇse uvedené ˇskodliviny vypoˇcteny hodnoty emisn´ıch faktor˚ u pro osobn´ı, lehká a tˇeˇzká nákladn´ı vozidla, pro rychlosti j´ızdy vozidel od 5 do 70 km/h s krokem 5 km/h a pro sklon vozovky od -7 do 7 procent v hodnotách cel´ ych ˇc´ısel. Rychlost j´ızdy vozidel i sklon vozovky se m˚ uˇze v tˇechto intervalech r˚ uznˇe mˇenit. Data, ze kter´ ych se emisn´ı faktor poˇc´ıtá, je tedy nejprve nutno interpolovat podle dat, která byla z programu MEFA 06 staˇzena. Pouˇzita byla lineárn´ı interpolace. Pro kaˇzd´ yu ´sek je dále nutné vypoˇc´ıtat vlastn´ı emisi automobil˚ u, která je pˇrispˇevkem k celkové (kumulované) emisi. Vlastn´ı produkce emis´ı se vypoˇc´ıtá: 1. Pro oxidy dus´ıku a oxid uhelnat´ y EN Ox,CO =

∑

Nekv · QN Ox,CO · v

(4.41)

types 6

Simulaˇcn´ı model vzhledem k absenci v programu MEFA 06 neuvaˇzuje emisn´ı faktory kategorie EURO

5, avˇsak lze jej o nˇe dále rozˇs´ıˇrit.

4.5. EMISNÍ MODEL

39

2. Pro opacitu EP M =

∑

(Nekv · QP M 10 · v) + k · (sL)0,91 · W 1,02 · I ·

types

L 1000

(4.42)

EN Ox,CO – vlastn´ı produkce NOx a CO v daném u ´seku [g/h], EP M – vlastn´ı produkce praˇsnosti v daném u ´seku [g/h], Nekv – ekvivalentn´ı poˇcet vozidel jednotliv´ ych typ˚ u automobil˚ u [-], QN Ox,CO – emisn´ı faktor pro oxidy dus´ıku a oxid uhelnat´ y [g/km], QP M 10 – emisn´ı faktor primárn´ı praˇsnosti [g/km], W – pr˚ umˇerná váha vˇsech vozidel v u ´seku [tuny], I – hodinová intenzita vozidel v u ´seku [voz/h], L – délka u ´seku [m], v – pr˚ umˇerná rychlost vˇsech vozidel [km/h]. Sumy v rovnic´ıch (4.41) a (4.42) prob´ıhaj´ı pˇres vˇsechny uvaˇzované druhy automobil˚ u vˇcetnˇe kategori´ı EUR0. Konstanty k a sL v rovnici (4.42) závis´ı na roˇcn´ım obdob´ı, hustotˇe provozu a velikosti uvaˇzovan´ ych ˇcástic sekundárn´ı praˇsnosti. Jejich konkrétn´ı hodnoty lze naj´ıt v literatuˇre [21]. Vlivem proudˇen´ı vzduchu v tunelu se pohybuj´ı i zplodiny a podle smˇeru proudˇen´ı se kumuluj´ı na portálech tunelu. Ustálené koncentrace zplodin jsou potom vypoˇcteny právˇe z hodnot kumulované emise na konci kaˇzdého u ´seku, kde je tato emise nejvyˇsˇs´ı. Koncentrace zplodin se vypoˇc´ıtá: 1. Pro oxidy dus´ıku [mg/m3 ] CN Ox =

Ecum 3,6

Q

(4.43)

2. Pro oxid uhelnat´ y [ppm] CCO =

Ecum 3600

Q · ρCO

(4.44)

3. Pro opacitu [m−1 ] COP =

Ecum ·4,7 3600

Q

Ecum – kumulovaná emise ˇskodliviny na konci daného u ´seku [g/h], ρCO – hustota oxidu uhelnatého, uvaˇzována hodnota ρCO = 1, 2 · 10−3 g/cm3 , Q – objemov´ y pr˚ utok vzduchu v daném u ´seku tunelu [m3 /s].

(4.45)


40

4.5.2

Dynamick´ a verze v´ ypoˇ ctu emis´ı

Dynamická verze v´ ypoˇctu emis´ı byla naprogramována v jazyce JAVA. V´ ypoˇcet emis´ı prob´ıhá v pˇeti kroc´ıch: 1. V´ ypoˇcet emisn´ıho faktoru pro kaˇzd´ y automobil v tunelu 2. Integrace hmotnostn´ıho toku emis´ı v ˇcase 3. Pohyb zplodin v tunelu vlivem proudˇen´ı 4. Difuze zplodin 5. V´ ypoˇcet koncentrac´ı zplodin Na rozd´ıl od statické verze simulátoru je v dynamické verzi poˇc´ıtán emisn´ı faktor pro kaˇzd´ y automobil v tunelu. Z emisn´ıch faktor˚ u je moˇzné vypoˇc´ıtat hmotnostn´ı tok zplodin: Qm =

∆m = Ecar · vcar ∆t

(4.46)

kde: ∆m je pˇr´ır˚ ustek hmotnosti zplodin za ˇcasov´ y krok v daném m´ıstˇe tunelu [g], ∆t je ˇcasov´ y krok, kter´ y byl v simulaci zvolen 0,1 sekundy, Ecar je emisn´ı faktor automobilu [g/m], vcar je rychlost automobilu [m/s]. Z rovnice (4.46) je moˇzné vypoˇc´ıtat pˇr´ır˚ ustek hmotnosti zplodin ∆m CO, NOx nebo primárn´ı praˇsnosti. Difuzi a pohyb zplodin tunelem nejlépe popisuje parciáln´ı diferenciáln´ı rovnice druhého ˇrádu [7]: ∂p(x, t) ∂ 2 p(x, t) ∂p(x, t) +u =D +R ∂t ∂x ∂x2 kde: p(x, t) funkce vzdálenosti a ˇcasu, znaˇc´ı koncentraci zplodin [g/m3 ], u je rychlost proudˇen´ı [m/s], D je difuzn´ı koeficient [m−2 s−1 ], R znamená produkci emis´ı automobily [gm−3 s−1 ].

(4.47)

4.5. EMISNÍ MODEL

41

Po mnoha pokusech se nám vˇsak nepodaˇrilo tuto rovnici d´ıky numerické stabilitˇe implementovat. Rovnici by ˇslo pouˇz´ıt pouze v pˇr´ıpadˇe jemnˇejˇs´ıho vzorkován´ı neˇz 1 metr v prostoru a 0,1 sekundy v ˇcase. Pˇri pouˇzit´ı jemnˇejˇs´ıho vzorkován´ı by se vˇsak rapidnˇe zv´ yˇsil v´ ypoˇcetn´ı ˇcas simulace. Proto jsme od tohoto ˇreˇsen´ı opustili a rozhodli se cel´ y problém vyˇreˇsit ekvivalentn´ım zp˚ usobem. Pohyb zplodin v tunelu je dán jednoduch´ ym vztahem: ∆l = u∆t

(4.48)

kde: ∆l je hodnota v metrech, o kterou se posunou zplodiny vlivem proudˇen´ı vzduchu u za dan´ y ˇcasov´ y okamˇzik ∆t. Difuze pˇredstavuje samovoln´ y pohyb a rozpouˇstˇen´ı zplodin, které nen´ı zp˚ usobeno proudˇen´ım vzduchu v tunelu. Difuze byla nahrazena jednoduch´ ym pr˚ umˇerován´ım hodnot zplodin v prostoru, která zajist´ı náhodné rozpouˇstˇen´ı a jejich následn´ y samovoln´ y pohyb v tunelu. Na závˇer jsou v kaˇzdém kroku v´ ypoˇctu emis´ı vypoˇcteny koncentrace zplodin v kaˇzdém m´ıstˇe tunelu. Koncentrace zplodin se vypoˇc´ıtaj´ı dle následuj´ıc´ıch vztah˚ u: 1. Pro oxidy dus´ıku [mg/m3 ] CN Ox =

m 1000

V

(4.49)

2. Pro oxid uhelnat´ y [ppm] CCO =

m V ρCO

(4.50)

COP =

m · 4, 7 V

(4.51)

3. Pro opacitu [m−1 ]

pˇriˇcemˇz: V = A · ∆x kde: m – kumulovaná emise ˇskodliviny v daném m´ıstˇe tunelu [g],

(4.52)


42

A – pr˚ uˇrez tunelu v jeho daném m´ıstˇe [m2 ], ∆x – prostorov´ y krok [m], poˇc´ıtáno s hodnotou 1 metr, V – elementárn´ı objem v tunelu v jeho daném m´ıstˇe [m3 ]7 Pozn´ amka: V ustáleném stavu se dynamick´ y v´ ypoˇcet bl´ıˇz´ı statickému v´ ypoˇctu zplodin.

7

Jelikoˇz byl ale prostorov´ y krok ∆x zvolen jako 1 metr, staˇc´ı v tomto pˇr´ıpadˇe m´ısto elementárn´ıho

objemu uvaˇzovat pr˚ uˇrez v daném m´ıstˇe tunelu.

Kapitola 5 ˇ ızen´ı ventilace R´

5.1

Algoritmus ˇ r´ızen´ı ventilace

ˇ ıdic´ı algoritmus provozn´ıho vˇetrán´ı bude spuˇstˇen na základˇe poˇzadavk˚ R´ u uveden´ ych v kapitole 3.3. Stavov´ y diagram algoritmu ˇr´ızen´ı je uveden na obr. 5.1. Po inicializaci algoritmu se bˇeh algoritmu rozdˇel´ı do dvou paraleln´ıch vˇetv´ı. V prvn´ı vˇetvi se neustále mˇeˇr´ı koncentrace oxid˚ u dus´ıku a opacity na dan´ ych m´ıstech tunelu, viz pˇr´ıloha A. Pokud dojde k pˇrekroˇcen´ı limitn´ıch hodnot, viz tabulka 3.4 v kapitole 3.3, bude zahájena optimalizace, která by mˇela zaruˇcit nalezen´ı akˇcn´ıho zásahu, tedy nastaven´ı otáˇcek ventilátor˚ u a pr˚ utok˚ u pˇr´ıvodn´ıch a odvodn´ıch strojoven, kter´ y minimalizuje celkov´ y v´ ykon vˇsech zaˇr´ızen´ı, pˇri dodrˇzen´ı omezen´ı, které je dáno smˇerem rychlosti proudˇen´ı a limitn´ımi hodnotami zplodin v tunelu. Optimalizace bude prob´ıhat na statickém modelu proudˇen´ı i emis´ı, které jsou popsány v kapitolách 4.4 a 4.5. Statick´ y model emis´ı byl vybrán pˇredevˇs´ım z toho d˚ uvodu, ˇze pro jeho pouˇzit´ı nen´ı nutná pˇresná znalost polohy a rychlosti jednotliv´ ych automobil˚ u v tunelu. Tuto informaci totiˇz pˇri bˇeˇzném provozu nen´ı moˇzné v ˇzádném pˇr´ıpadˇe z´ıskat. Optimalizace bude dále prob´ıhat zpˇetnovazebnˇe s aktualizac´ı akˇcn´ıho zásahu po 10-30 minutách a to tak dlouho, dokud nedojde ke sn´ıˇzen´ı koncentrac´ı ˇskodlivin na vyp´ınac´ı hodnoty. Tyto hodnoty lze nastavovat parametry, které jsou ve schématu oznaˇceny h1 a h2, avˇsak poˇc´ıtá se, ˇze vyp´ınac´ı hodnota koncentrace bude 75% hodnoty sp´ınac´ı. 43

ˇ ÍZENÍ VENTILACE KAPITOLA 5. R

44

Obrázek 5.1: Stavov´ y diagram algoritmu provozn´ıho vˇetrán´ı

Matematick´ y model proudˇen´ı zaloˇzen´ y na Bernoulliho rovnic´ıch je jen pˇribliˇzn´ ym popisem reálného proudˇen´ı vzduchu v tunelu. Vlivem teploty, vlhkosti, turbulenc´ı proudˇen´ı, nepˇresné znalosti tlakov´ ych u ´ˇcink˚ u ventilátor˚ u a dalˇs´ıch vliv˚ u se budou reálné hodnoty pr˚ utok˚ u v tunelu liˇsit od hodnot vypoˇcten´ ych simulac´ı. Z tohoto d˚ uvodu je nutné pouˇz´ıt zpˇetnovazebn´ı ˇr´ızen´ı. Zpˇetná vazba bude realizována tak, ˇze referenˇcn´ı hodnoty rychlost´ı proudˇen´ı a koncentrac´ı zplodin budou upravovány na základˇe reáln´ ych mˇeˇren´ı uREF = K · (um − uREF ) kde: um namˇeˇrená hodnota rychlosti proudˇen´ı, uREF referenˇcn´ı hodnota rychlosti proudˇen´ı,

(5.1)

ˇ Í ULOHY ´ 5.2. FORMULACE OPTIMALIZACN

45

K konstanta, kterou se regulátor nalad´ı. Doba 15-30 minut pro aktualizaci akˇcn´ıho zásahu byla vybrána proto, aby nedocházelo k tomu, ˇze ventilátory se budou ˇcasto zap´ınat a vyp´ınat, ˇc´ımˇz by doˇslo k jejich rychlému opotˇreben´ı. Po spuˇstˇen´ı ventilátor˚ u a strojoven nav´ıc trvá nˇejakou dobu, neˇz se zplodiny odvˇetraj´ı a koncentrace a rychlosti proudˇen´ı se ustál´ı na nˇejaké hodnotˇe. To je dalˇs´ı d˚ uvod proˇc po v´ ypoˇctu optimáln´ıho akˇcn´ıho zásahu nˇekolik minut poˇckat a pak spustit optimalizaci znovu s jiˇz upraven´ ymi referenˇcn´ımi hodnotami rychlosti proudˇen´ı a koncentrac´ı zplodin. Ve druhé vˇetvi algoritmu ve stavovém diagramu 5.1 bude neustále kontrolována kon´ Malovanka. Hodnota této koncentrace centrace oxid˚ u dus´ıku vnˇe tunelu, v m´ıstˇe MUK bude rozhodovat o spuˇstˇen´ı provozn´ıho vˇetrán´ı v daném stupni ochrany. Bˇehem zkuˇsebn´ı doby provozu, která je nastavena na jeden rok po uveden´ı stavby do provozu, budou zjiˇstˇeny hodnoty koncentrac´ı, podle kter´ ych se zapne dan´ y stupeˇ n ochrany. Pˇredpokládá se vˇsak, ˇze plná ochrana portál˚ u, tzn. II. stupeˇ n ochrany, bude zapnuta bˇehem ˇspiˇckového provozu automobil˚ u, kdy docház´ı k nejvˇetˇs´ımu v´ ynosu zplodin. Pokud je spuˇstˇen druh´ y stupeˇ n ochrany, regulaˇcn´ı algoritmus pˇrejde znovu do stavu optimalizace, nebot’ je nutné ´ Malovanka. regulovat smˇer proudˇen´ı na v´ yjezdov´ ych rampách a na portálech MUK Pˇri I. stupni ochrany nebo pˇrirozeném proudˇen´ı (ve schématu znaˇceno jako stupeˇ n ochrany 0) dojde ke spuˇstˇen´ı optimalizace jen tehdy, pokud nastane poˇzadavek na sn´ıˇzen´ı koncentrac´ı ˇskodlivin pod limitn´ı hodnoty.

5.2

Formulace optimalizaˇ cn´ı u ´ lohy

Pro ˇr´ızen´ı ventilace provozn´ıho vˇetrán´ı byl zvolen optimalizaˇcn´ı algoritmus. C´ılem algoritmu je minimalizovat ztrátovou funkci pˇri dodrˇzen´ı urˇcit´ ych omezen´ı. Obecnˇe lze optimalizaˇcn´ı problém definovat jako u = arg(minf (x))

(5.2)

c(x) ≤ 0

(5.3)

s omezen´ım

kde: u je optimáln´ı akˇcn´ı zásah,


46

x je vektor promˇenn´ ych, obecnˇe diskrétn´ıch i spojit´ ych, f (x) je obecnˇe nelineárn´ı ztrátová funkce, c(x) je obecnˇe nelineárn´ı omezen´ı ve tvaru rovnosti, popˇr. nerovnosti. V souˇcasnosti jsou dobˇre známy a provˇeˇreny metody hledán´ı minima lineárn´ı ztrátové funkce (lineárn´ı programován´ı) nebo kvadratické ztrátové funkce (kvadratické programován´ı) s lineárn´ımi omezen´ımi. Minimum obecné nelineárn´ı funkce v˚ ubec nemus´ı existovat nebo je k jeho nalezen´ı tˇreba dlouh´ y v´ ypoˇcetn´ı ˇcas. Náˇs optimalizaˇcn´ı problém sk´ ytá mnoho problém˚ u. Ztrátová funkce je nelineárn´ı, nˇekteré promˇenné optimalizace jsou diskrétn´ı, jiné spojité a omezen´ı je kvadratické a hyperbolické. Z toho d˚ uvodu bylo potˇreba model znaˇcnˇe zjednoduˇsit, viz dále, coˇz vedlo k dobr´ ym v´ ysledk˚ um a rychlému v´ ypoˇcetn´ımu ˇcasu optimalizace. Optimalizace se pak provád´ı v programu MATLAB pomoc´ı funkce fmincon, která je souˇcást´ı optimalizaˇcn´ıho bal´ıˇcku a umoˇzn ˇuje zadat jednak nelineárn´ı ztrátovou funkci a také nelineárn´ı omezen´ı.

5.2.1

Promˇ enn´ e optimalizace

Do algoritmu vstupuje nˇekolik promˇenn´ ych, pˇres které prob´ıhá optimalizace: 1. rychlosti proudˇen´ı v jednotliv´ ych vzduchotechnick´ ych u ´sec´ıch 2. poˇcet spuˇstˇen´ ych ventilátor˚ u ve vzduchotechnick´ ych u ´sec´ıch 3. pr˚ utoky strojovnami V tunelu budou instalovány jednak ventilátory, které maj´ı mˇenitelné otáˇcky a pak také ventilátory s nemˇenn´ ymi otáˇckami. Ventilátory s promˇenn´ ymi otáˇckami m˚ uˇzeme z hlediska optimalizace povaˇzovat za spojitou promˇennou, naopak ventilátory s pevn´ ymi otáˇckami m˚ uˇzeme povaˇzovat za diskrétn´ı promˇennou. Tento fakt celou optimalizace znaˇcnˇe komplikuje, nebot’ software urˇcen´ y pro diskrétn´ı nebo kombinovanou optimalizaci je po finanˇcn´ı stránce velmi nákladn´ y a uˇzivatelsky ˇspatnˇe pˇr´ıstupn´ y. V tomto pˇr´ıpadˇe je vˇsak moˇzno vyuˇz´ıt trik, kter´ ym se vyhneme diskrétn´ı optimalizaci. V kaˇzdém vzduchotechnickém useku se nacház´ı vˇzdy nˇekolik ventilátor˚ u, z toho vˇzdy jeden je s frekvenˇcn´ım mˇeniˇcem, a má tedy mˇenitelné otáˇcky. Jako spojitou promˇennou tedy m˚ uˇzeme vz´ıt nikoli otáˇcky jednotliv´ ych ventilátor˚ u ale poˇcet spuˇstˇen´ ych ventilátor˚ u ve vzduchotechnickém u ´seku.


47

Horˇs´ı je situace v pˇr´ıpadˇe pˇr´ıvodn´ıch strojoven, jejichˇz axiáln´ı ventilátory nemaj´ı mˇenitelné otáˇcky a pr˚ utok strojovnou lze mˇenit jen poˇctem spuˇstˇen´ ych ventilátor˚ u. Jedná se tedy opˇet o diskrétn´ı promˇennou, která nab´ yvá celoˇc´ıseln´ ych hodnot pr˚ utoku, které dokáˇzou poskytnout 0, 1, 2 aˇz n moˇzn´ ych spuˇstˇen´ ych ventilátor˚ u. Pokud z optimalizace napˇr. vyjde, ˇze pˇr´ıvodn´ı strojovna má poskytnout pr˚ utok, jehoˇz hodnota je mezi t´ım, co dokáˇze poskytnout jeden a dva axiáln´ı ventilátory, pak je optimalizace spuˇstˇena znovu, ale s jiˇz zafixovanou touto promˇennou, nejdˇr´ıve s hodnotou pr˚ utoku, kter´ y poskytne jeden ventilátor a poté s hodnotou pr˚ utoku, kter´ y poskytnou dva axiáln´ı ventilátory.

5.2.2

Ztr´ atov´ a funkce

V naˇsem pˇr´ıpadˇe je ztrátovou funkc´ı myˇslen v´ ykon vˇsech akˇcn´ıch ˇclen˚ u v tunelu, tedy proudov´ ych ventilátor˚ u a axiáln´ıch ventilátor˚ u ve strojovnách vzduchotechniky. f (x) =

∑

P (x)

(5.4)

Elektrické v´ ykony ventilátor˚ u se soft-startéry, tedy ventilátor˚ u s nemˇenn´ ymi otáˇckami jsou známy, viz tabulka 3.1, kapitola 3.2.2.1. I kdyˇz ve skuteˇcnosti závis´ı v´ ykon ventilátoru na otáˇckách se tˇret´ı mocninou, pro zjednoduˇsen´ı modelu m˚ uˇzeme závislost v´ ykonu na poˇctu spuˇstˇen´ ych ventilátor˚ u ve vzduchotechnickém u ´seku pˇribl´ıˇzit jako: P = P0 · x

(5.5)

pˇriˇcemˇz: P0 je v´ ykon pˇri jmenovit´ ych otáˇckách [kW], x je poˇcet spuˇstˇen´ ych ventilátor˚ u [-]. V´ ykon odvodn´ı strojovny obecnˇe závis´ı na tˇret´ı mocninˇe pr˚ utoku, kter´ y strojovnou protéká. Bˇehem simulace bylo ovˇeˇreno, ˇze je moˇzné v optimalizaci tuto nelineárn´ı závislost pouˇz´ıt, coˇz pˇribliˇzuje v´ ysledek realitˇe. Ztrátová funkce pro odvodn´ı strojovny je definována jako: P = aQ3 + bQ2 + cQ kde: P je celkov´ y v´ ykon strojovny [kW],

(5.6)


48

Q je aktuáln´ı pr˚ utok strojovnou pˇri paraleln´ım bˇehu vˇsech axiáln´ıch ventilátor˚ u [m3 /s]. a, b, c jsou konstanty, které jsou dány v´ yrobn´ımi parametry axiáln´ıch ventilátor˚ u. V´ ykon pˇr´ıvodn´ıch strojoven je lineárn´ı, nebot’ závis´ı pouze na pr˚ utoku, kter´ y poskytne dan´ y poˇcet spuˇstˇen´ ych axiáln´ıch ventilátor˚ u. P =

P0 ·Q Qmax

(5.7)

pˇriˇcemˇz: P0 je v´ ykon pˇri spuˇstˇen´ı jednoho axiáln´ıho ventilátoru [kW], Q0 je pr˚ utok, kter´ y strojovna poskytuje [m3 /s], Q je aktuáln´ı pr˚ utok strojovnou pˇri spuˇstˇen´ı daného poˇctu axiáln´ıch ventilátor˚ u [m3 /s].

5.2.3

Omezen´ı

Omezeni je jednak dáno maximáln´ım rozsahem optimalizovan´ ych veliˇcin, tedy minimáln´ı a maximáln´ı moˇznou rychlost´ı proudˇen´ı ve vzduchotechnick´ ych u ´sec´ıch, maximáln´ım moˇzn´ ym poˇctem spuˇstˇen´ ych ventilátor˚ u a maximáln´ımi pr˚ utoky, které jsou schopny strojovny poskytnout. Omezen´ı je vˇsak dáno také matematick´ ym modelem proudˇen´ı, tedy rovnicemi kontinuity, Bernoulliho rovnicemi a nerovnicemi popisuj´ıc´ı ustálené koncentrace zplodin v závislosti na rychlosti proudˇen´ı. Rovnice kontinuity jsou vlastnˇe lineárn´ı omezen´ı ve tvaru rovnosti, coˇz optimalizaci nepˇridˇelává ˇzádné problémy. Bernoulliho rovnice jsou obecnˇe nelineárn´ı omezen´ı ve tvaru rovnosti, viz kapitola 4.4.1, které nen´ı moˇzné bez zjednoduˇsen´ı pro optimalizaci pouˇz´ıt, v´ıce v kapitole 5.2.4. Nelineárn´ı nerovnice popisuj´ıc´ı omezen´ı na koncentrace zplodin v tunelu s hyperbolickou závislost´ı na rychlosti proudˇen´ı bylo moˇzné pouˇz´ıt, coˇz v´ yraznˇe usnadnilo ˇreˇsen´ı celého problému.

5.2.4

Zjednoduˇ sen´ı Bernoulliho rovnic

Bernoulliho rovnice byly zjednoduˇseny. V rovnici se vyskytuje ˇrada kvadratick´ ych ˇclen˚ u, které byly zlinearizovány v pracovn´ım bodˇe. Jako pˇr´ıklad m˚ uˇzeme ukázat linearizaci


49

tlakové ztráty zp˚ usobené v´ ystupem proudu vzduchu z tunelového tˇelesa. Tuto tlakovou ztrátu, uvedenou v kapitole 4.4.1, lze vypoˇc´ıtat jako:

∆pout =

1 ρ · ζout · u2 2

(5.8)

Linearizac´ı se mysl´ı nalezen´ı teˇcny ke grafu funkce v pracovn´ım bodˇe up . Lineárn´ı teˇcná závislost bude tedy ve tvaru:

∆plin =

d∆pout (up ) · u + B du

(5.9)

kde prvn´ı ˇclen rovnice (5.9) je smˇernice teˇcny ke grafu funkce a druh´ y ˇclen (v rovnici znaˇcen B) je u ´sek, kter´ y vyt´ıná teˇcna na svislé ose. Tento ˇclen se spoˇc´ıtá z rovnosti funkc´ı (5.8) a (5.9) v pracovn´ım bodˇe up . Pro pˇr´ıpad tlakové ztráty zp˚ usobené v´ ystupem proudu vzduchu z tunelového tˇelesa bude po v´ ypoˇctu vypadat linearizovaná závislost takto:

∆plin = ρζout up · u + B

(5.10)

Pracovn´ı bod rychlosti proudˇen´ı v jednotliv´ ych vzduchotechnick´ ych u ´sec´ıch bude v ˇr´ıdic´ım algoritmu pr˚ ubˇeˇznˇe aktualizován podle aktuáln´ı namˇeˇrené hodnoty v tunelu. Komplikaci vˇsak zp˚ usobuj´ı vˇsak i dalˇs´ı nelineárn´ı ˇcleny, které byly vhodn´ ym zp˚ usobem zjednoduˇseny:

• V´ ypoˇ cet souˇ cinitele tˇ ren´ı λ V´ ypoˇcet souˇcinitele tˇren´ı závis´ı na rychlosti proudˇen´ı nelineárnˇe, viz rovnice 4.13. Podle grafu na obr. 5.2, souˇcinitel tˇren´ı λ ostˇre roste pro hodnoty rychlosti proudˇen´ı bl´ıˇz´ıc´ı se nule. Pro hodnoty rychlosti proudˇen´ı vˇetˇs´ı neˇz cca 0,5 m/s je souˇcinitel tˇren´ı pˇribliˇznˇe konstantn´ı a je roven 0,022. N´ızké rychlosti proudˇen´ı v tunelu jsou pro vˇetˇsinu pˇr´ıpad˚ u neˇzádouc´ı, nav´ıc chyba zp˚ usobená nepˇresnou hodnotou souˇcinitele tˇren´ı, nemá na celkovou rychlost proudˇen´ı v daném u ´seku tunelu témˇeˇr ˇzádn´ y vliv. Souˇcinitel tˇren´ı se v ˇr´ıdic´ım algoritmu pˇred kaˇzdou optimalizac´ı pˇrepoˇc´ıtá podle vzorce 5.2, kde za rychlost proudˇen´ı je vzat pracovn´ı bod, ve kterém se systém linearizuje. T´ım doˇslo k v´ yraznému zjednoduˇsen´ı modelu.


50

Friction factor λ 0.04 0.038 0.036 0.034

λ [−]

0.032 0.03 0.028 0.026 0.024 0.022 0.02

0

1

2

3

4

5

vair [m/s]

Obrázek 5.2: Závislost souˇcinitele tˇren´ı na rychlosti proudˇen´ı

• V´ ypoˇ cet tlakov´ eho u ´ˇ cinku proudov´ ych ventil´ ator˚ u Tlakov´ y u ´ˇcinek zp˚ usoben´ y spuˇstˇen´ım proudového ventilátoru lze v závislosti na otáˇckách vyjádˇrit podle rovnice 4.11, uvedené v kapitole 4.4. M´ısto otáˇcek ventilátoru vˇsak m˚ uˇzeme jako promˇennou vz´ıt poˇcet spuˇstˇen´ ych ventilátor˚ u v daném vzduchotechnickém u ´seku. Tlakov´ y u ´ˇcinek jednoho ventilátoru pˇri spuˇstˇen´ı na jmenovité otáˇcky lze vyjádˇrit tak, ˇze do rovnice (4.11) dosad´ıme za n · |n| v´ yraz nref 2 a dostaneme: ∆pJF =

ηJF ρQref 2 ηJF ρQref + ·u AJF AT AT

(5.11)

Pro N spuˇstˇen´ ych ventilátor˚ u tedy bude platit: ∆pJF

ηJF ρQref 2 ηJF ρQref = N+ N ·u AJF AT AT

(5.12)

Prvn´ı ˇclen na pravé stranˇe rovnice (5.12) je lineárn´ı, druh´ y ˇclen obsahuje souˇcin dvou promˇenn´ ych, poˇctu spuˇstˇen´ ych ventilátor˚ u a rychlosti proudˇen´ı v u ´seku N · u. Systém byl linearizován v pracovn´ım bodˇe, proto m˚ uˇzeme v rovnici m´ısto promˇenné u napsat konstantu up , která reprezentuje pracovn´ı bod rychlosti proudˇen´ı: ∆pJF =

ηJF ρQref 2 ηJF ρQref up N+ N AJF AT AT

(5.13)

´ Í VENTILATOR ´ ˚ 5.3. ROZVRHOVAN U

51

T´ım jsme dostali lineárn´ı závislost tlakového u ´ˇcinku na poˇctu spuˇstˇen´ ych ventilátor˚ u a zároveˇ n se t´ım efektnˇe vyˇreˇs´ı problém s ventilátory, které nemaj´ı promˇenné otáˇcky a pˇredstavuj´ı tak diskrétn´ı promˇenné. Protoˇze druh´ y ˇclen pravé strany rovnice (5.12) má po dosazen´ı jednotliv´ ych konstant mnohem menˇs´ı hodnotu neˇz prvn´ı ˇclen rovnice, bude ve v´ ysledku odchylka od skuteˇcné nelineárn´ı tlakové ztráty naprosto minimáln´ı. V´ ysledné zjednoduˇsen´ı s sebou nese i pˇridán´ı jednoho problému. Zat´ımco v rovnici (4.11) je v´ yrazem |n| oˇsetˇren pˇr´ıpad, kdy ventilátor bˇeˇz´ı v reversn´ım smˇeru a brzd´ı rychlost proudˇen´ı, tak v rovnici (5.13) takov´ yto podobn´ y v´ yraz chyb´ı. V optimalizaci je proto nutno jako omezen´ı zadávat také smˇer otáˇcen´ı motoru ventilátoru. • Tlakov´ e ztr´ aty vlivem dˇ elen´ı, resp. spojov´ an´ı proud˚ u Tlakové ztráty vlivem dˇelen´ı nebo spojován´ı proud˚ u vzduchu v tunelovém tˇelese pˇredstavuj´ı pro optimalizaˇcn´ı u ´lohu nejkomplikovanˇejˇs´ı nelinearity. Vzorce pro v´ ypoˇcet tˇechto tlakov´ ych ztrát jsou uvedeny v kapitole 4.4.1. Souˇcinitel m´ıstn´ı tlakové ztráty ζ je v optimalizaci nejprve vypoˇcten pomoc´ı vztah˚ u (4.22), (4.23), (4.25), resp. (4.26), kde za rychlosti proudˇen´ı byly dosazeny rychlosti proudˇen´ı v pracovn´ıch bodech. Celá rovnice pro tlakovou ztrátu m´ıstn´ımi odpory je pak zlinearizována v pracovn´ım bodˇe podobnˇe jako jiné ˇcleny Bernoulliho rovnice. Nutno ˇr´ıci, ˇze chyba zp˚ usobená v´ ypoˇctem ζ v pracovn´ım bodˇe rychlost´ı proudˇen´ı má nejvˇetˇs´ı vliv na odchylku od hodnoty rychlosti proudˇen´ı poˇc´ıtanou nelineárn´ım modelem.

5.3

Rozvrhov´ an´ı ventil´ ator˚ u

Rozvrhován´ı ventilátor˚ u v tunelu bˇehem provozn´ıho vˇetrán´ı hraje velmi d˚ uleˇzitou roli. Pokud je stˇr´ıdán´ı ventilátor˚ u provádˇeno efektivnˇe, pak docház´ı k rovnomˇernému opotˇreben´ı vˇsech ventilátor˚ u v tunelu, coˇz ve v´ ysledku m˚ uˇze uˇsetˇrit mnoho náklad˚ u na u ´drˇzbu. U odvodn´ıch axiáln´ıch ventilátor˚ u strojoven nen´ı nutné rozvrhován´ı provádˇet, nebot’ se pˇri spuˇstˇen´ı poˇc´ıtá s paraleln´ım bˇehem vˇsech ventilátor˚ u ve strojovnˇe. Rozvrhován´ı bude tedy realizováno jen pro pˇr´ıvodn´ı ventilátory strojoven a skupiny ventilátor˚ u ve vzduchotechnick´ ych u ´sec´ıch. V´ ysledek optimalizace dává poˇcet spuˇstˇen´ ych ventilátor˚ u ve strojovnách a vzduchotechnick´ ych u ´sec´ıch. V´ ybˇer spuˇstˇen´ ych axialn´ıch ventilátor˚ u


52

v pˇr´ıvodn´ıch strojovnách a proudov´ ych ventilátor˚ u ve vzduchotechnick´ ych u ´sec´ıch prob´ıhá pˇres penalizaˇcn´ı funkci, která vycház´ı z [20]: P (n) = K1 · Ttotal + K2 · (Tlast − Tactual )2

(5.14)

kde: Ttotal – posledn´ı celková doba provozu ventilátoru [min], Tlast – ˇcas posledn´ıho vypnut´ı ventilátoru [min], Tactual – aktuáln´ı ˇcas [min]. Konstanty K1 a K2 se nalad´ı na simulaˇcn´ım modelu ˇr´ızen´ı, a to jeˇstˇe pˇred uveden´ım tunelu do provozu. Penalizaˇcn´ı funkce (5.14) je po kaˇzdém kroku optimalizace spoˇctena pro kaˇzd´ y axiáln´ı ventilátor v pˇr´ıvodn´ı strojovnˇe a pro kaˇzd´ y proudov´ y ventilátor v daném vzduchotechnickém u ´seku. Následnˇe je vybrán ten ventilátor, jehoˇz penalizaˇcn´ı funkce nab´ yvá nejmenˇs´ı hodnoty. Prvn´ı ˇclen v penalizaˇcn´ı funkci váˇz´ı to, jak dlouho ventilátor naposledy bˇeˇzel a druh´ y ˇclen váˇz´ı naopak to, jak dlouho nebyl dan´ y ventilátor spuˇstˇen.

Kapitola 6 V´ ysledky simulac´ı Na závˇer pˇricház´ı asi nejzaj´ımavˇejˇs´ı a nejd˚ uleˇzitˇejˇs´ı kapitola diplomové práce – ovˇeˇren´ı navrˇzené regulace. V tunelu m˚ uˇze bˇehem provozu nastat mnoho situac´ı, které dokáˇze simulátor otestovat. Jedná se pˇredevˇs´ım o zv´ yˇsenou intenzitu dopravy, rozd´ılnou skladbu vozidel, moˇzné uzav´ırky jednotliv´ ych tunelov´ ych u ´sek˚ u a v´ yjezdov´ ych a pˇr´ıjezdov´ ych ramp. Pro ukázku nˇekter´ ych v´ ysledk˚ u simulac´ı byly vybrány dva scénáˇre, které jednak ovˇeˇruj´ı funkˇcnost navrˇzené regulace a také se bˇehem reálného provozu budou vyskytovat nejˇcastˇeji. Oba scénáˇre maj´ı stejnou vstupn´ı intenzitu dopravy na portálech bˇehem dne. Intenzita dopravy na portálech tunelu byla nastavena podle pˇredpokládané denn´ı pr˚ ujezdnosti vozidel bˇehem pracovn´ıho dne, stejnˇe jako v pˇr´ıloze D. Maximáln´ı povolená rychlost j´ızdy vozidel byla pro páteˇrn´ı u ´seky nastavena na 70 km/h a pro v´ yjezdové a pˇr´ıjezdové rampy 50 km/h. Oba scénáˇre byly odsimulovány po dobu celého dne, tedy 24 hodin.

6.1

Prvn´ı sc´ en´ aˇ r

Prvn´ı scénáˇr je ukázkou pˇrirozeného proudˇen´ı vzduchu v tunelu. Automatická regulace je tedy vypnuta. Na grafu 6.1 je vykreslena dopravn´ı situace v u ´seku 24 v severn´ım tunelovém tubusu, viz obr. 2.3. Jedná se o ekvivalentn´ı poˇcet vozidel, coˇz znaˇc´ı vlastnˇe aktuáln´ı poˇcet automobil˚ u v danou chv´ıli v daném u ´seku tunelu. Na grafu je patrná typická denn´ı intenzita vozidel, tzv. dopravn´ı velbloud“, se dvˇema ” ˇspiˇckami bˇehem dne, prvn´ı cca kolem osmé hodiny rann´ı a druhá cca kolem ˇsestnácté 53

´ KAPITOLA 6. VYSLEDKY SIMULACÍ

54 hodiny odpoledn´ı.

Traffic intensity 3.5 Passenger cars Light trucks Heavy trucks

equivalent number of vehicles [−]

3

2.5

2

1.5

1

0.5

0

0

4

8

12 time [h]

16

20

24

Obrázek 6.1: Denn´ı intenzita vozidel v tunelu, u ´seku 24 severn´ıho tubusu.

´ Usek 24 byl vybrán z toho d˚ uvodu, ˇze se v nˇem nacház´ı souˇcasnˇe ˇcidla pro mˇeˇren´ı oxid˚ u dus´ıku a ˇcidlo pro mˇeˇren´ı opacity. Nav´ıc v u ´sec´ıch za strojovnou Stˇreˇsovice, mezi které patˇr´ı i u ´sek 24, se bˇehem dne pˇredpokládá nejvyˇsˇs´ı v´ ynos zplodin v celém tunelu, protoˇze se v tˇechto u ´sec´ıch poˇc´ıtá se zv´ yˇsenou kumulac´ı zplodin vlivem proudˇen´ı vzduchu. Na grafu na obrázku 6.2 je uveden ˇcasov´ y v´ yvoj zplodin a rychlosti proudˇen´ı. Je jasnˇe patrn´ y p´ıstov´ y efekt vozidel, kdy se zvyˇsuj´ıc´ı se intenzitou vozidel roste rychlost proudˇen´ı v tunelu. Vid´ıme, ˇze v rann´ıch a veˇcern´ıch hodinách je tubus provˇetráván p˚ usoben´ım p´ıstového efektu vozidel. Kolem ˇsesté hodiny rann´ı dojde k pˇrekroˇcen´ı limitn´ıch hodnot koncentrace NOx – 10 mg/m3 , pˇriˇcemˇz takto nadmˇerné hodnoty se drˇz´ı v tunelu aˇz pˇribliˇznˇe do sedmnácté hodiny, kdy konˇc´ı odpoledn´ı dopravn´ı ˇspiˇcka. Rovnˇeˇz opacita, která je poˇc´ıtána pouze z primárn´ı praˇsnosti, naroste pˇres limitn´ı hodnotu 5·10−3 m−1 a drˇz´ı se nad n´ı aˇz do konce odpoledn´ı ˇspiˇcky. Naopak koncentrace oxidu uhelnatého dosahuj´ı po cel´ y den relativnˇe n´ızk´ ych hodnot v˚ uˇci limitn´ı hodnotˇe 70 ppm. V dˇr´ıvˇejˇs´ıch letech byly do silniˇcn´ıch tunel˚ u nasazovány

´ A ´R ˇ 6.1. PRVNÍ SCEN

55

v´ yhradnˇe senzory pro mˇeˇren´ı CO. D´ıky lépe konstruovan´ ym motor˚ u a zpˇr´ısˇ nuj´ıc´ım se normám EURO klesá pod´ıl CO ve v´ yfukov´ ych plynech a oxid uhelnat´ y uˇz zdaleka nen´ı takovou hrozbou jako v dˇr´ıvˇejˇs´ıch letech. Simulace tento fakt potvrzuje a je jasn´ ym d˚ ukazem toho, proˇc bylo rozhodnuto v tunelu Blanka koncentrace CO nemˇeˇrit. Air velocity

CO concentration

3 2 1 0

0

4

8

12 16 20 time [h] NOx concentration

15 10 5

7.5

20

10

0

4

8

12 16 time [h]

20

0

4

8

12 16 time [h] Opacity

20

24

8

12 16 time [h]

20

24

−3

30

0

20

0

24

opacity [1/m]

concentration [mg/m3]

concentration [ppm]

air velocity [m/s]

4

24

x 10

5

2.5

0

0

4

ˇ Obrázek 6.2: Casov´ y v´ yvoj fyzikáln´ıch veliˇcin v tunelu, u ´seku 24 severn´ıho tubusu.


56

ˇ Situace v jiˇzn´ım tunelovém tubusu je vˇsak pomˇernˇe odliˇsná. Casov´ y pr˚ ubˇeh intenzity opravy je uveden na obr. 6.3. Ekvivalentn´ı poˇcet vozidel bˇehem dne je v´ yraznˇe vyˇsˇs´ı neˇz v pˇr´ıpadˇe u ´seku 24 severn´ıho tubusu. To je dáno t´ım, ˇze u ´sek jiˇzn´ıho tubusu je pˇribliˇznˇe 4,5x delˇs´ı neˇz u ´sek severn´ıho tubusu, a tud´ıˇz v danou chv´ıli je v tomto u ´seku zachyceno v´ıce vozidel. Traffic intensity

equivalent number of vehicles [−]

15

Passenger cars Light trucks Heavy trucks

10

5

0

0

4

8

12 time [h]

16

20

24

Obrázek 6.3: Denn´ı intenzita vozidel v tunelu, u ´seku 22 jiˇzn´ıho tubusu.

´ A ´R ˇ 6.1. PRVNÍ SCEN

57

Jiná situace je i v pˇr´ıpadˇe v´ yvoje zplodin, jejichˇz ˇcasov´ y pr˚ ubˇeh je zobrazen na grafu na obr. 6.4.

Air velocity

CO concentration

4 2 0 −2

0

4

8

12 16 20 time [h] NOx concentration

10

5

7.5

10

5

0

4

8

12 16 time [h]

20

0

4

8

12 16 time [h] Opacity

20

24

8

12 16 time [h]

20

24

−3

15

0

15

0

24

opacity [1/m]


concentration [ppm]

air velocity [m/s]

6

24

x 10

5

2.5

0

0

4

ˇ Obrázek 6.4: Casov´ y v´ yvoj fyzikáln´ıch veliˇcin v tunelu, u ´seku 22 jiˇzn´ıho tubusu.

Koncentrace oxid˚ u dus´ıku NOx bˇehem dne pˇrekroˇc´ı limitn´ı hodnotu 10 mg/m3 jen dvakrát, a to jeˇstˇe jen ˇspiˇckov´ ym pˇrekmitem. Tyto pˇrekmity jsou zp˚ usobeny t´ım, ˇze v m´ıstˇe mˇeˇren´ı koncentrace projede nákladn´ı automobil zrovna ve chv´ıli, kdy je mˇeˇren´ı vyhodnocováno. Nejinak je tomu u opacity, která se po cel´ y den drˇz´ı pod limitn´ı hodnotou 5·10−3 m−1 . Celkovˇe niˇzˇs´ı hodnoty koncentrac´ı zplodin v jiˇzn´ım tubusu jsou zp˚ usobeny t´ım, ˇze jiˇzn´ı tubus má na rozd´ıl od severn´ıho tubusu charakter klesaj´ıc´ı tunelové trouby. Emisn´ı faktor automobil˚ u, viz kapitola 4.5, závis´ı na sklonu vozovky, a to se zde jasnˇe ukazuje.


58

6.2

Druh´ y sc´ en´ aˇ r

Druh´ y scénáˇr vystihuje asi nejpravdˇepodobnˇejˇs´ı podobu regulace bˇehem provozu. Stupeˇ n ochrany provozn´ıho vˇetrán´ı bude urˇcován na základˇe kontinuáln´ıho mˇeˇren´ı imis´ı oxid˚ u dus´ıku vnˇe tunelu, viz kapitola 3.3.1. Rozhodovac´ı hodnoty koncentrac´ı vˇsak budou urˇceny aˇz pˇri uveden´ı tunelu do provozu. Pˇredpokládá se ale, ˇze pˇrirozené proudˇen´ı vzduchu bez nucené regulace bude spuˇstˇeno v noˇcn´ıch hodinách, kdy bude tunelem proj´ıˇzdˇet ´ Mamálo automobil˚ u a bude docházet k minimáln´ımu v´ ynosu zplodin v oblasti MUK lovanka. Druh´ y stupeˇ n ochrany bude spuˇstˇen bˇehem ˇspiˇckového provozu a prvn´ı stupeˇ n ochrany pár hodin pˇred a pár hodin po dopravn´ı ˇspiˇcce. Pro následuj´ıc´ı scénáˇr byl stupeˇ n ochrany provozn´ıho vˇetrán´ı nastaven bˇehem dne následovnˇe: • 0-3 hod – pˇrirozené proudˇen´ı • 3-6 hod – 1. stupeˇ n ochrany • 6-20 hod – 2. stupeˇ n ochrany • 20-22 hod – 1. stupeˇ n ochrany • 22-24 hod – pˇrirozené proudˇen´ı Druh´ y scénáˇr, stejnˇe jako scénáˇr pˇredchoz´ı, má stejné vstupn´ı dopravn´ı u ´daje, t.j. intenzitu dopravy na portálech a stejnou skladbu vozidel. Jenom pˇripomeˇ nme, ˇze bˇehem druhého stupnˇe ochrany provozn´ıho vˇetrán´ı je poˇzadavek na ochranu v´ yjezdov´ ych ramp U Vorl´ıku, na Praˇsném mostˇe a Malovance v jiˇzn´ım i severn´ım tubusu pˇred v´ ynosem zplodin z páteˇrn´ıho tubusu. Je tedy snahou pˇrivést tyto rampy do podtlaku tak, aby se jimi nasával vzduch. Na grafech na obrázku 6.6 jsou uvedeny ˇcasové pr˚ ubˇehy rychlost´ı proudˇen´ı na tˇechto v´ yjezdov´ ych rampách. Vid´ıme, ˇze po dobu, kdy byl spuˇstˇen druh´ y stupeˇ n ochrany, tedy od 6 do 20 hodin, doˇslo pomoc´ı automatické regulace k brˇzdˇen´ı proudu vzduchu a po vˇetˇsinu ˇcasu bylo dosaˇzeno nasáván´ı vzduchu v´ yjezdov´ ymi portály (na grafech indikováno zápornou rychlost´ı proudˇen´ı). ´ Malovanka je uvedena na obr. 6.7. Na grafu jsou vykresleny Situace v m´ıstˇe MUK ´ Malovanka. Na portálech severˇcasové závislosti rychlosti proudˇen´ı na portálech MUK n´ıho tubusu je snaha m´ıt rychlost proudˇen´ı bˇehem druhého stupnˇe ochrany zápornou, rozd´ılnou oproti smˇeru j´ızdy vozidel, protoˇze t´ım je zaruˇceno nasáván´ı ˇcerstvého vzduchu portály a zabránˇen´ı v´ ynosu zplodin.

´ SCEN ´ A ´R ˇ 6.2. DRUHY

59

Na grafu lze vidˇet, ˇze zat´ımco v páteˇrn´ım v´ yjezdovém portálu, u ´seku 28, se témˇeˇr po celou dobu daˇrilo drˇzet rychlost proudˇen´ı v záporn´ ych hodnotách, rychlost proudˇen´ı na v´ yjezdové rampˇe Malovanka (znaˇcena R5) pomˇernˇe kmitá a ˇze ne vˇzdy, pˇredevˇs´ım bˇehem dopravn´ı ˇspiˇcky, se ji podaˇrilo pˇrivést do podtlaku, aby j´ı byl nasáván vzduch. D˚ uleˇzité ovˇsem je, ˇze bˇehem druhého stupnˇe ochrany doˇslo k v´ yraznému brˇzdˇen´ı rychlosti proudˇen´ı, a t´ım i k minimalizaci v´ ynosu zplodin z této v´ yjezdové rampy. Neˇzádouc´ı kmitán´ı rychlosti proudˇen´ı je moˇzné potlaˇcit lepˇs´ım naladˇen´ım konstant zpˇetnovazebn´ıho regulátoru. Na portálech jiˇzn´ıho tubusu tedy u ´seku 1 a rampy R1 je snaha m´ıt rychlost proudˇen´ı naopak kladnou, shodnou se smˇerem j´ızdy vozidel, nebot’ t´ım docház´ı k nasáván´ı vzduchu. V u ´seku 1 jiˇzn´ıho tubusu byl tento poˇzadavek splnˇen po cel´ y den. To je dáno hlavnˇe p´ıstov´ ym efektem automobil˚ u, jejichˇz vysoká intenzita v tomto u ´seku bˇehem dne v´ yraznˇe podpoˇr´ı podélnou rychlost proudˇen´ı v ˇzádaném smˇeru. Stejnˇe jako v pˇredchoz´ım scénáˇri uvedeme také situaci v u ´seku 24 severn´ıho tubusu, ve kterém se nacházej´ı senzory pro mˇeˇren´ı koncentrac´ı. Pr˚ ubˇehy fyzikáln´ıch veliˇcin bˇehem dne jsou vykresleny na grafu na obr. 6.8. Vid´ıme, ˇze bˇehem simulace dojde pˇri dopravn´ı ˇspiˇcce mezi osmou hodinou rann´ı a 16 hodinou odpoledn´ı k opakovanému pˇrekroˇcen´ı koncentrac´ı zplodin, avˇsak regulátor si dokáˇze s danou situac´ı poradit a bˇehem nˇekolika minut dojde k odvˇetrán´ı zplodin z daného u ´seku. V jiˇzn´ım tubusu nebylo bˇehem simulace dosaˇzeno limitn´ıch hodnot koncentrac´ı zplodin, proto zde tentokrát nen´ı graf pr˚ ubˇehu fyzikáln´ıch veliˇcin uveden. Odvˇetrat zplodiny pˇri druhém stupni ochrany je podstatnˇe nároˇcnˇejˇs´ı neˇz pˇri prvn´ım stupni ochrany nebo pˇri pˇrirozeném proudˇen´ı, a to jednak z toho d˚ uvodu, ˇze pˇri druhém stupni ochrany docház´ı vlivem brzdného u ´ˇcinku proudov´ ych ventilátor˚ u, které maj´ı pˇris´ Malovanka, k poklesu rychlosti proudˇen´ı za strojovnou pˇet k ochranˇe portál˚ u MUK Stˇreˇsovice a také z toho d˚ uvodu, ˇze je zabránˇeno v´ ynosu zplodin z v´ yjezdov´ ych ramp. Eliminace zplodin v tunelu je tedy dosahována pouze odvodn´ımi strojovnami Stˇreˇsovice a Letná a pˇrevodn´ı strojovnou Malovanka. Na grafu na obr. 6.9 je uveden pr˚ ubˇeh objemového pr˚ utoku odvodn´ıch strojoven Stˇreˇsovice a Letná. Pˇrevodn´ı strojovna Malovanka bˇeˇz´ı po celou dobu druhého stupnˇe ochrany provozn´ıho vˇetrán´ı, vyjma tˇrech ˇcasov´ ych interval˚ u, kdy optimalizátor uváˇzil, ˇze strojovnu nen´ı tˇreba spouˇstˇet. Poprvé nastala tato situace tˇesnˇe po ˇctvrté hodinˇe odpoledn´ı, podruhé pˇred ˇsestou hodinou veˇcern´ı a naposledy kolem p˚ ul osmé hodiny veˇcern´ı. Detail situace mezi ˇctvrtou hodinou odpoledn´ı a osmou hodinou veˇcern´ı, kdy docház´ı k vyp´ınán´ı strojovny Malovanka je uveden na obr. 6.11. Inkriminované momenty vypnut´ı


60

pˇrevodn´ı strojovny Malovanka jsou na grafech oznaˇceny ˇcervenou barvou. Vypnut´ı strojovny mˇelo za následek prudk´ y nár˚ ust rychlosti proudˇen´ı v u ´seku 28 severn´ıho tubusu a v rampˇe R1 jiˇzn´ıho tubusu. Zjednoduˇsen´ y lineárn´ı model, na kterém se provád´ı optimalizace, v dan´ ych okaˇzic´ıch uváˇzil, ˇze smˇer proudˇen´ı na v´ yjezdov´ ych portálech Malovanka staˇc´ı otoˇcit pouze brzdn´ ym u ´ˇcinkem proudov´ ych ventilátor˚ uvu ´seku 21 a rampy R5, coˇz se v pˇr´ıpadˇe v´ yjezdové rampy R5 povedlo a v pˇr´ıpadˇe u ´seku 28 nikoli. Zpˇetnovazebn´ı regulace vˇsak na tuto událost po nˇekolika minutách vˇzdy správnˇe zareaguje a strojovnu Malovanka znovu spust´ı. ´ Malovanka pˇri Ukazuje se, jak sloˇzité je splnit poˇzadavek ochrany v oblasti MUK souˇcasné ochranˇe v´ yjezdov´ ych ramp U Vorl´ık˚ u a na Praˇsném mostˇe. Brˇzdˇen´ı proudu vzduchu proti jedouc´ım vozidl˚ um znamená velk´ y zásah proti pˇrirozené fyzice tunelu a to se odráˇz´ı i na v´ ysledc´ıch optimalizace, kdy regulátor nemus´ı naj´ıt optimáln´ı ˇreˇsen´ı ale pouze suboptimáln´ı, kdy nedokáˇze dodrˇzet nˇekterá omezen´ı na smˇer rychlosti proudˇen´ı v dan´ ych u ´sec´ıch tunelu. Patrn´ y je i vliv proudov´ ych ventilátor˚ u na rychlost proudˇen´ı v dan´ ych u ´sec´ıch. Jako pˇr´ıklad spouˇstˇen´ı proudov´ ych ventilátor˚ u bˇehem dne jsem vybral ventilátory na v´ yjezdov´ ych i pˇr´ıjezdov´ ych rampách. Jejich spouˇstˇen´ı je vykresleno na grafu na obr. 6.10. Lze vidˇet, ˇze na v´ yjezdov´ ych rampách regulátor správnˇe zapne dan´ y poˇcet ventilátor˚ u v reversn´ım chodu, aby bylo dosaˇzeno brˇzdˇen´ı proudu vzduchu. Na závˇer ukáˇzeme jeˇstˇe vliv uzav´ırateln´ ych pˇrevodn´ıch klapek mezi tubusy BV-SU 0.1 a BV-SU 0.2, které maj´ı za u ´kol pˇrevádˇet zneˇciˇstˇen´ y vzduch ze severn´ıho do jiˇzn´ıho tubusu. Pr˚ ubˇeh rychlosti proudˇen´ı obˇema pˇrevodn´ımi klapkami je uveden na grafu na obr. 6.5.

´ SCEN ´ A ´R ˇ 6.2. DRUHY

61

2 BV−SU 0.1 BV−SU 0.2

air velocity [m/s]

1

0

−1

−2

−3

−4

0

4

8

12 time [h]

16

20

24

ˇ Obrázek 6.5: Casov´ y pr˚ ubˇeh rychlosti proudˇen´ı v pˇrevodn´ıch klapkách BV-SU 0.1 a BV-SU 0.2.

Z grafu lze vidˇet, ˇze klapka BV-SU 0.1 je otevˇrena mezi tˇret´ı aˇz ˇsestou hodinou rann´ı a mezi osmou a desátou hodinou veˇcern´ı pˇri spuˇstˇen´ı prvn´ıho stupnˇe ochrany a klapka BV-SU 0.2 je otevˇrena od ˇsesti do dvaceti hodin pˇri druhém stupni ochrany. Zat´ımco klapkou BV-SU 0.1 proud´ı vzduch poˇzadovan´ ym smˇerem, tedy ze severn´ıho do jiˇzn´ıho tubusu (rychlost proudˇen´ı je kladná), a t´ım docház´ı k pˇrevodu zneˇciˇstˇeného vzduchu do jiˇzn´ıho tubusu, klapka BV-SU 0.2 vycház´ı z tohoto hlediska podle simulace kontraproduktivn´ı, nebot’ rychlost proudˇen´ı je záporná a vzduch se naopak pˇrevád´ı z jiˇzn´ıho do severn´ıho tubusu a to je neˇzádouc´ı.

Pokud by tato situace nastávala i bˇehem reálného provozu, bylo by v´ yhodnˇejˇs´ı klapku BV-SU 0.2 pˇri druhém stupni ochrany uzavˇr´ıt a zneˇciˇstˇen´ y vzduch pˇrevádˇet pouze strojovnou Malovanka.

U Vorl´ık˚ u a na Praˇsném mostˇe.

air velocity [m/s]

air velocity [m/s]

8

12 time [h]

16

20

12 time [h]

16

20

24

−0.5

0

0.5

1

1.5

−2

−1.5

8

24

−1.5

4

South tunnel tube, R2 − Prasny most

4

−1

0

0

−1

0

1

2

−1

−0.5

0

0.5

1

1.5

−2.5

−2

−1.5

−1

−0.5

0

0.5

North tunnel tube, R1 − U Vorliku

air velocity [m/s] air velocity [m/s]

1

0

0

8

12 time [h]

16

20

4

8

12 time [h]

16

20

South tunnel tube, R4 − U Vorliku

4

North tunnel tube, R3 − Prasny most

24

24

62 ´ KAPITOLA 6. VYSLEDKY SIMULACÍ

ˇ Obrázek 6.6: Casov´ y pr˚ ubˇeh rychlosti proudˇen´ı na v´ yjezdov´ ych rampách

air velocity [m/s]

0

1

2

12 time [h]

16

12 time [h]

16

20

20

24

24

0

1

2

3

−3

−2

8

South tunnel tube, section 1

8

0

4

4

−2

−1

0

1

2

−1

0

0

North tunnel tube, section 28

air velocity [m/s]

1

2

3

4

5

−3

−2

−1

air velocity [m/s]

vanka. air velocity [m/s]

3

0

0

4

4

12 time [h]

16

8

12 time [h]

16

South tunnel tube, R1

8

North tunnel tube, R5

20

20

24

24

´ SCEN ´ A ´R ˇ 6.2. DRUHY 63

ˇ ´ MaloObrázek 6.7: Casov´ y pr˚ ubˇeh rychlosti proudˇen´ı na portálech MUK

tubusu pˇri automatické regulaci.

0

5

10

15

20

−0.5

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

0

0

4

4

12 time [h]

16

8

12 time [h]

16

NOx concentration

8

Air velocity

20

20

24

24

concentration [ppm] opacity [1/m]

air velocity [m/s]


0

2.5

5

7.5

0

5

10

15

20

−3

0

x 10

0

4

4

8

8

12 time [h]

Opacity

12 time [h]

16

16

CO concentration

20

20

24

24


ˇ Obrázek 6.8: Casov´ y pr˚ ubˇeh fyzikáln´ıch veliˇcin v u ´seku 24 severn´ıho

v severn´ım tunelu.

volumetric flow [m3/s]


0

50

100

150

200

250

0

50

100

150

200

6

6

10

12 14 16 time [h]

18

8

10

12 14 16 time [h]

18

Stresovice south − V1

8

20

20

volumetric flow [m3/s] volumetric flow [m3/s]

Letna north − V1

0

50

100

150

0

50

100

150

200

250

300

6

6

8

8

12 14 16 time [h]

10

12 14 16 time [h]

Letna south − V3

10

18

18

Stresovice north − V3

20

20

volumetric flow [m3/s] 0

10

20

30

40

50

0

50

100

150

200


250

6

6

8

8

12 14 16 time [h]

10

12 14 16 time [h]

Troja south − V5

10

Malovanka

18

18

20

20


ˇ Obrázek 6.9: Casov´ y pr˚ ubˇeh spouˇstˇen´ı vzduchotechnick´ ych strojoven

chod, ˇcervenˇe oznaˇcen reversn´ı chod.

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

6

6

8

8

10

10

12 14 16 time [h]

Section R2 south

12 14 16 time [h]

18

18

20

20

number of running fans number of running fans

Section R1 north

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

6

6

8

8

10

10

12 14 16 time [h]

Section R4 south

12 14 16 time [h]

Section R2 north

18

18

20

20

number of running fans number of running fans

number of running fans


0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

6

6

8

8

10

10

12 14 16 time [h]

Section R5 south

12 14 16 time [h]

Section R5 north

18

18

20

20


ˇ Obrázek 6.10: Casov´ y pr˚ ubˇeh spouˇstˇen´ı ventilátor˚ u na rampách v sever-

n´ım a jiˇzn´ım tunelovém tubusu. Modˇre oznaˇcen normáln´ı

0 16

1

2

3

−2 16

0

2

4

−2 16

0

2

18 time [h]

19

17

17

18 time [h]

18 time [h] Section 21

19

19


17


20

20

20

air velocity [m/s] air velocity [m/s]

air velocity [m/s]

air velocity [m/s]


k vyp´ınán´ı strojovny Malovanka.

0

2

0 16

1

2

3

−2 16

0

2

4

−4 16

−2


4

17

17

17

18 time [h]

18 time [h] Section R5

South tunnel tube, R1

18 time [h]

North tunnel tube, R5

19

19

19

20

20

20


Obrázek 6.11: Detailn´ı situace mezi 16. a 20. hodinou, kdy docház´ı

68


Kapitola 7 Z´ avˇ er C´ılem diplomové práce bylo naprogramovat simulátor vzduchotechniky tunelu Blanka. Simulátor byl vytvoˇren ve dvou verz´ıch - statické a dynamické. Základem obou verz´ı simulátoru je aerodynamické schéma, tedy soustava algebraick´ ych rovnic, která popisuje chován´ı proudˇen´ı v tunelu pˇri r˚ uzn´ ych dopravn´ıch scénáˇr´ıch. Aerodynamické schéma lze s v´ yhodou pouˇz´ıt pˇri modelován´ı proudˇen´ı vzduchu za provozu a lze ho téˇz vyuˇz´ıt pro tvorbu simulaˇcn´ıho trenaˇzéru systému vˇetrán´ı pro modelován´ı neoˇcekávan´ ych situac´ı a jejich následného ˇreˇsen´ı v praxi. Simulac´ı byly zjiˇstˇeny hodnoty podélné rychlosti proudˇen´ı a pr˚ umˇerné hodnoty koncentrac´ı v tunelu pˇri r˚ uzn´ ych intenzitách dopravy, z ˇcehoˇz vyplynulo, ˇze hodnoty koncentrac´ı CO nedosahuj´ı zdaleka takov´ ych hodnot, které by mohly pˇrekroˇcit povolenou limitn´ı hodnotu. Naopak hodnoty koncentrac´ı NOx nebo opacity mohou v nˇekter´ ych pˇr´ıpadech, pˇredevˇs´ım pak bˇehem ˇspiˇckového provozu, v´ yraznˇe pˇresáhnout povolené hodnoty. Také byl zjiˇstˇen vliv u ´ˇcinku proudov´ ych ventilátor˚ u a pˇr´ıˇcnˇe napojen´ ych vzduchotechnick´ ych strojoven na podélnou rychlost proudˇen´ı v tunelu. Simulátor dále poslouˇzil k návrhu zpˇetnovazebn´ı regulace, která prob´ıhá formou optimalizace. T´ım bylo moˇzno otestovat automatickou regulaci, kdy se bˇehem dne dynamicky mˇen´ı intenzita a skladba dopravy podle pˇredpokládan´ ych pr˚ ubˇeh˚ u a kdy se mˇen´ı stupeˇ n ochrany provozn´ıho vˇetrán´ı, coˇz bude odpov´ıdat reálné situaci bˇehem provozu. Simulac´ı byla ovˇeˇrena funkˇcnost navrˇzené regulace. Systém regulace provozn´ıho vˇetrán´ı navrˇzen´ y v rámci této diplomové práce bude skuteˇcnˇe nasazen bˇehem reálného provozu. Po uveden´ı tunelu Blanka do provozu, s ˇc´ımˇz je poˇc´ıtáno v roce 2014, bude spuˇstˇen rok zkuˇsebn´ıho provozu, pˇri kterém se mimo jiné detailnˇe systém ˇr´ızen´ı ventilace nalad´ı. Momentálnˇe prob´ıhaj´ı jednán´ı s firmou Eltodo EG, a.s., která bude realizovat systém 69

70

´ ER ˇ KAPITOLA 7. ZAV

provozn´ıho vˇetrán´ı z hlediska hardwarové ˇcásti a s firmou Satra, spol. s r.o., která systém vˇetrán´ı tunelu projektuje.

Literatura [1] Datov´ y archiv firmy Satra, spol. s r.o. [2] Smˇernice Evropského parlamentu a Rady 2004/54/EC ze dne 29.dubna 2004 o minim´ aln´ıch bezpeˇcnostn´ıch poˇzadavc´ıch na tunely transevropské silniˇcn´ı s´ıtˇe. Brussels, Duben 2004. [3] Analyzers and Process Instrumentation. Listopad 2005, prezentace firmy Sick. [4] Analyzers and Process Instrumentation, Vicotec 320. Bˇrezen 2006, prezentace firmy Sick. [5] CETU: Dossier pilote des tunnels équipements. , ˇc. 4.1, Listopad 2003. [6] Eltodo EG, a.s.: Technické vybaven´ı tunel˚ u pozemn´ıch komunikac´ı. Praha, 2004. ˇ e [7] Ferkl, L.: Simulation and Control of Ventilation in Tunnels. Dizertaˇcn´ı práce, Cesk´ ´ vysoké uˇcen´ı technické v Praze, Unor 2007. [8] Hemzal, K.: Vˇetrán´ı tunelu Mrázovka - VTT. Technická zpráva, Praha, Listopad 2000. [9] Hemzal, K.: Souˇcinitel tˇren´ı pˇri proudˇen´ı tekutin – komparace vztah˚ u. Vytápˇen´ı, vˇetrán´ı, instalace, roˇcn´ık 12, ˇc. 1, Praha 2003: s. 30–32. [10] Idelchick: Handbook Of Hydraulic Resistance. Begell House, tˇret´ı vydán´ı, 2001. ˇ [11] Jeˇzek, Váradiová, Adamec: Mechanika tekutin. Praha: Vydavatelstv´ı CVUT, 2000. [12] Martin Treiber: stránky dopravn´ıho mikromodelu [online]: The Lane Changing Model MOBIL. [cit. 2011-10-20]. Dostupné na www: . 71

LITERATURA [13] Meidinger: Längsl¨ uftung von Autotunneln mit Strahlgebläsen. Schveizerische Bauzeitung, roˇcn´ık 82, ˇc. 28, 1964: s. 489–504. [14] PIARC: Pollution par le dioxyde dzote dans les tunnels routiers. , ˇc. 4.1, Záˇr´ı 2000. [15] Poˇr´ızek, J.: Navrˇzen´ y zp˚ usob vˇetrán´ı v tunelu Blanka. 2010: str. 2. [16] Projekt CL [online]: Vyuˇzit´ı chemiluminiscence. [cit. 2012-04-05]. Dostupné na www: . [17] Stránky firmy ZVVZ a.s. [online]: Katalogové listy. [cit. 2012-04-02]. Dostupné na . [18] stránky serveru Wikipedia [online]: Intelligent driver model. [cit. 2011-10-08]. Dostupné na . [19] Tunelov´ y komplex Blanka [online]: Informace o projektu. [cit. 2012-03-31]. Dostupné na www: . ˇ ˇ e [20] Sulc, J.: Simulace a ˇr´ızen´ı ventilace dálniˇcn´ıch tunel˚ u. Bakaláˇrská práce, Cesk´ vysoké uˇcen´ı technické v Praze, Kvˇeten 2010. [21] US EPA: Compilation of Air Pollutant Emission Factors. , ˇc. 13.2.1, Listopad 2006: s. 1–15, dostupné na .

Pˇ r´ıloha A

Parametry u ´ sek˚ u tunelu Blanka

I

u ´ sek

d´ elka [m]

hydraulick´ y pr˚ umˇ er [m]

pr˚ uˇ rez [m2 ]

poˇ cet pruh˚ u

stoup´ an´ı [%]

senzory

1

52

60

7,41

2

-2,76

–

2

16

60

7,41

2

-2,76

–

3

85

111,3

9,89

3

-2,76

–

4

31

88,7

8,87

3

-2,76

–

5

129

88,7

8,87

3

-2,76

–

6

37

94

9,79

3

-2,76

–

7

141

94

9,79

3

-5

RP

8

48

101,6

9,79

3

-5

–

9

282

88,6

9,33

3

-5

RP

10

301

88,6

9,33

3

-0,5

OP

11

312

63,6

7,85

2

-0,5

–

12

274

63,6

7,85

2

-3,62

RP, OP

13

142

86

8,71

3

-3,62

–

14

633

86

8,71

3

-0,31

RP, OP

15

52

69,4

7,75

2

-0,31

–

16

52

69,4

7,75

2

-4,88

–

17

91

84,8

8,65

3

-4,88

–

18

443

94,6

9,83

3

-4,88

RP, NOX, OP

19

98

94,6

9,83

2

-4,88

–

20

447

64,5

8,40

2

-4,88

–

21

870

64,5

8,40

2

-0,5

OP

22

366

64,5

8,40

2

3,41

RP, NOX, OP –

23

48

61

7,70

2

3,41

24

138

101,3

10,34

2

3,41

–

25

224

61,6

7,80

2

4,56

RP

26

155

61,6

7,80

2

1,30

–

R1

78

75,1

8,03

1

-2

RP

R2

115

62,6

7,56

2

4

RP

R3

110

59

7,64

1

-4

RP

R4

177

62,6

7,56

2

4

RP

R5

210

62,2

7,80

1

-4

RP

R6

80

73,8

8,36

2

4

–

Tabulka A.1: Parametry u ´sek˚ u jiˇzn´ıho tunelového tubusu

u ´ sek

d´ elka [m]

hydraulick´ y pr˚ umˇ er [m]

pr˚ uˇ rez [m2 ]

poˇ cet pruh˚ u

stoup´ an´ı [%]

senzory

1

159

83,7

8,61

3

-1,3

RP

2

224

83,7

8,61

3

-4,56

–

3

137

100

10,23

3

-3,41

–

4

47

59,4

7,57

2

-3,41

–

5

370

62,7

8,22

2

-3,41

–

6

900

62,7

8,22

2

0,5

OP

7

380

62,7

8,22

2

5

RP

8

190

94,6

9,83

3

5

NOX, OP

9

150

94,6

9,83

3

5

–

10

242

94,6

9,83

3

5

–

11

121

85,5

8,70

3

5

RP

12

40

75,7

8,34

2

5

–

13

129

75,7

8,34

2

0,3

RP

14

486

86

8,71

3

0,3

RP, OP

15

161

86

8,71

3

3,62

–

16

304

64,5

7,91

2

3,62

RP

17

334

64,5

7,91

2

0,5

OP

18

278

94,7

9,81

3

0,5

–

19

303

94,7

9,81

3

5

RP, NOX, OP

20

50

94,4

9,32

3

5

–

21

115

93,6

9,78

3

5

–

22

65

93,6

9,78

3

2,80

–

23

128

90,6

8,99

3

2,80

–

24

82

90,6

8,99

3

2,80

RP, NOX, OP

25

47

123,8

10,23

3

2,80

–

26

10

123,8

10,23

2

2,80

–

27

20

60,1

7,42

2

2,80

–

28

37

60,1

7,42

2

2,80

RP

R1

108

70,2

8,26

2

6

RP

R2

83

62

7,85

1

-6

RP

R3

50

61,5

7,66

1

4

RP

R4

75

61,5

7,66

1

-4

RP

R5

143

58,3

7,36

1

4

RP

Tabulka A.2: Parametry u ´sek˚ u severn´ıho tunelového tubusu

Pozn´ amka: RP znaˇc´ı mˇeˇren´ı rychlosti proudˇen´ı, NOX znamená mˇeˇren´ı koncentrace oxid˚ u dus´ıku a OP je mˇeˇren´ı opacity.

Pˇ r´ıloha B

Um´ıstˇ en´ı proudov´ ych ventil´ ator˚ u v tunelu Blanka

II

u ´ sek

soft-start

frekvenˇ cn´ım mˇ eniˇ c

typ

3

2

0

APWR 1250

4

0

0

APWR 1250

5

0

0

APWR 1250

6

0

0

APWR 1250

7

1

1

APWR 1250

8

0

0

–

9

3

0

APWR 1250

10

1

1

APWR 1250

11

2

0

APWR 1250

12

1

1

APWR 1250

13

2

0

APWR 1250

14

3

1

APWR 1250

15

0

0

–

16

2

1

APWR 1000

17

0

0

–

18

3

1

APWR 1250

19

0

0

–

20

2

1

APWR 1250

21

0

0

–

22

2

1

APWR 1250

23

0

0

–

24

1

1

APWR 1250

25

0

0

–

26

2

1

APWR 1250

R1

0

0

–

R2

0

1

APWR 1250

R3

0

0

–

R4

1

1

APWR 1250

R5

1

1

APWR 1250

Tabulka B.1: Um´ıstˇen´ı proudov´ ych ventilátor˚ u v jiˇzn´ım tunelovém tubusu

u ´ sek

soft–start

frekvenˇ cn´ı mˇ eniˇ c

typ

1

3

0

APWR 1250

2

0

0

–

3

1

1

APWR 1250

4

0

0

–

5

2

1

APWR 1250

6

0

0

–

7

0

0

–

8

2

1

APWR 1250

9

2

0

APWR 1250

10

2

1

APWR 1250

11

0

0

–

12

0

0

–

13

2

1

APWR 1250

14

3

1

APWR 1250

15

0

0

–

16

1

1

APWR 1250

17

2

0

APWR 1250

18

2

0

APWR 1250

19

1

1

APWR 1250

20

0

0

–

21

4

0

APWR 1250

22

0

0

–

23

0

0

–

24

0

0

–

25

2

1

APWR 1250

26

0

0

–

27

0

0

–

28

0

0

–

R1

1

1

APWR 1250

R2

1

1

APWR 1250

R3

0

0

–

R4

0

0

–

R5

3

1

APWR 600

Tabulka B.2: Um´ıstˇen´ı proudov´ ych ventilátor˚ u v severn´ım tunelovém tubusu

Pˇ r´ıloha C

Sch´ ematick´ e zn´ azornˇ en´ı provozn´ıho vˇ etr´ an´ı

III

Obrázek C.1: Schématické znázornˇen´ı provozn´ıho vˇetrán´ı pˇri pˇrirozeném ˇ proudˇen´ı vzduchu. Sipky oznaˇcuj´ı poˇzadovan´ y smˇer proudˇen´ı vzduchu. Nen´ı-li ˇsipka ve vzduchotechnickém u ´seku nakreslena, poˇzadovan´ y smˇer proudˇen´ı vzduchu je stejn´ y jako smˇer j´ızdy vozidel.

Obrázek C.2: Schématické znázornˇen´ı provozn´ıho vˇetrán´ı pˇri I. stupni ˇ ochrany. Sipky oznaˇcuj´ı poˇzadovan´ y smˇer proudˇen´ı vzduchu. Nen´ı-li ˇsipka ve vzduchotechnickém u ´seku nakreslena, poˇzadovan´ y smˇer proudˇen´ı vzduchu je stejn´ y jako smˇer j´ızdy vozidel.

Obrázek C.3: Schématické znázornˇen´ı provozn´ıho vˇetrán´ı pˇri II. stupni ˇ ochrany. Sipky oznaˇcuj´ı poˇzadovan´ y smˇer proudˇen´ı vzduchu. Nen´ı-li ˇsipka ve vzduchotechnickém u ´seku nakreslena, poˇzadovan´ y smˇer proudˇen´ı vzduchu je stejn´ y jako smˇer j´ızdy vozidel.

Pˇ r´ıloha D Pˇ redpokl´ adan´ a denn´ı pr˚ ujezdnost vozidel

Osobní automobily 7

Procent (100% = 0−24 h)

6

5

4

3

2

1

0

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 Hodina

Obrázek D.1: Pˇredpokládaná denn´ı variance osobn´ıch automobil˚ u v tunelu Blanka pro rok 2010.

IV

Nákladní automobily 9 8

Procent (100% = 0−24 h)

7 6 5 4 3 2 1 0

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 Hodina

Obrázek D.2: Pˇredpokládaná denn´ı variance nákladn´ıch automobil˚ u v tunelu Blanka pro rok 2010.

Pˇredpokládané celkové denn´ı pr˚ ujezdnosti vozidel na portálech tunelu Blanka jsou uvedeny v tabulce D.1 a D.2.

port´ al

celkov´ a denn´ı pr˚ ujezdnost

vjezd Trója

18 644

v´ yjezd R1 U Vorl´ık˚ u

3 100

vjezd R2 U vorl´ık˚ u

6 500

v´ yjezd R3 Praˇsn´ y most

5 520

vjezd R4 Praˇsn´ y most

4 084

v´ yjezd R5 Malovanka

4 203

Tabulka D.1: Pˇredpokládané denn´ı pr˚ ujezdnosti vozidel na portálech severn´ıho tubusu.

port´ al

celkov´ a denn´ı pr˚ ujezdnost

vjezd Malovanka

18 836

vjezd R1 Malovanka

3 058

v´ yjezd R2 Praˇsn´ y most

5 552

vjezd R3 Praˇsn´ y most

14 220

v´ yjezd R4 U Vorl´ık˚ u

3 840

vjezd R5 U Vorl´ık˚ u

1 092

v´ yjezd R6 Trója

1 218

Tabulka D.2: Pˇredpokládané denn´ı pr˚ ujezdnosti vozidel na portálech jiˇzn´ıho tubusu.

Pˇ r´ıloha E

Pod´ıl automobil˚ u v jednotliv´ ych kategori´ıch emisn´ı normy EURO

V

Obrázek E.1: Pˇredpokládan´ y pod´ıl automobil˚ u v jednotliv´ ych kategori´ıch emisn´ı normy EURO na Mˇestském okruhu v Praze pro rok 2010

Pˇ r´ıloha F Obsah pˇ riloˇ zen´ eho CD

• elektronická podoba této práce ve formátu pdf (diplomova prace.pdf) • návod k pouˇzit´ı uˇzivatelské aplikace (manual.pdf)

VI

Fakulta elektrotechnická. Řízení ventilace tunelu Blanka

Recommend Documents