Wychwytywanie pyłu zawieszonego — Metro.

Poprawa jakości powietrza w podziemnych przestrzeniach pasażerskich

Zagrożenie złą jakością powietrza w podziemnych obiektach kolejowych (stacje metra / RER)

Od początku lat 2000 pomiary jakości powietrza pokazują, że średnie stężenia pyłu zawieszonego w strefach kolejowych we Francji są trzykrotnie wyższe niż w miejskim powietrzu zewnętrznym. Zmierzone stężenie pyłu w powietrzu wyraża się często jako PM10 i PM2,5.

Pył ten wnika w drogi oddechowe, a najdrobniejsze frakcje osadzają się wprost w pęcherzykach płucnych. Skład pyłu obserwowanego w środowisku kolejowym wyraźnie różni się od składu powietrza zewnętrznego: występują wysokie stężenia pierwiastków metalicznych , zwłaszcza żelaza, oraz węgla elementarnego i organicznego. To zanieczyszczenie, charakterystyczne dla podziemnego ruchu kolejowego, powstaje wskutek zużycia materiałów przy hamowaniu pociągów, tarcia koła o szynę oraz wtórnego unoszenia pyłu wywołanego ruchem składów.

Dane epidemiologiczne i toksykologiczne wskazują na możliwe poważne skutki krążeniowo-oddechowe, biorąc pod uwagę obserwowane skutki biologiczne w postaci stanów zapalnych, stresu oksydacyjnego i zmian w układzie krążenia u pracowników utrzymania tej infrastruktury. Wobec tych obserwacji ANSES potwierdza konieczność ograniczenia zanieczyszczenia pyłem zawieszonym w podziemnych strefach kolejowych, a więc dalszego badania i poprawy wentylacji w tych środowiskach.

Pył powstający w eksploatacji kolejowej

Jakość powietrza jest dziś jednym z głównych problemów zdrowotnych w skali świata. Transport publiczny przedstawia się często jako rozwiązanie bardziej ekologiczne, ponieważ ogranicza emisję zanieczyszczeń na przejechany kilometr. Nie jest jednak całkowicie wolny od zanieczyszczeń: zużycie elementów eksploatacyjnych, czyli kół, szyn, podsypki, pantografu, sieci trakcyjnej i hamulców, wytwarza pył zanieczyszczający.

Pył ten silniej gromadzi się w podziemnych obiektach kolejowych z powodu efektu zamknięcia przestrzeni. Badań nad skutkami tego zanieczyszczenia jest niewiele, dlatego TrapAparT rozpoczął prace badawcze w tym zakresie.

Problem pyłu zawieszonego w przestrzeniach zamkniętych

Efekt zamknięcia przestrzeni i kumulacja zanieczyszczeń

Poziomy zanieczyszczenia w podziemnych obiektach kolejowych wynikają głównie z ich zamknięcia, które ogranicza wymianę powietrza niezbędną do usunięcia zanieczyszczeń emitowanych przez eksploatowane pociągi. Najstarsze stacje są więc bardziej narażone na kumulację pyłu wewnątrz.

Wpływ zanieczyszczenia powietrza zewnętrznego na powietrze stacji podziemnych nie jest jednoznacznie określony; zależy w dużej mierze od cech architektonicznych właściwych każdemu systemowi transportu podziemnego. Kluczową rolę odgrywają czynniki takie jak rodzaj wentylacji (naturalna, mechaniczna, klimatyzacja), głębokość stacji — stacje głębsze są mniej wrażliwe na zmiany jakości powietrza zewnętrznego — oraz liczba wejść.

Sezonowe zmiany pogody również wydają się wpływać na poziomy zanieczyszczenia na peronach. Materiały użyte przy budowie stacji, infrastruktury kolejowej i taboru, podlegające zużyciu i ścieraniu, także mogą wpływać na zmienność pyłu zanieczyszczającego.

Analiza pasywnych układów wychwytu pyłu zawieszonego

Inicjatywa badawcza TrapAparT

Pułapki TrapAparT pozwalają ograniczyć narażenie ludzi na szkodliwy pył zawieszony, wyposażając wybrane miejsca — główne arterie miejskie i podziemne stacje kolejowe (metro) — w których poziomy zanieczyszczenia znacznie przekraczają progi zalecane przez WHO, a które skupiają wiele osób.

Opatentowane medium do wychwytu pyłu zawieszonego

Sercem urządzenia jest medium adsorpcyjne opatentowane przez TrapAparT, zdolne wychwytywać pył zawieszony przez samo zetknięcie, wykorzystując wyłącznie naturalne przepływy powietrza (wiatr i turbulencje wywołane ruchem pojazdów). Medium regeneruje się prostym przemywaniem wodą, w cyklu około miesięcznym; woda z przemywania jest odbierana, a zawarte w niej zanieczyszczenia usuwane.

Głównym celem analizy prowadzonej przez inżynierów EOLIOS jest przeanalizowanie prędkości i torów powietrza wewnątrz stacji, aby ustalić, czy urządzenia zamontowane na peronach skutecznie wychwytują pył zawieszony obecny w powietrzu. Projekt ma na celu opanowanie specyficznych zjawisk przepływowych zachodzących na peronie, w oparciu o modelowanie CFD, które pozwala szczegółowo zbadać przepływ powietrza wywołany przejazdem składów metra.

Audyt na obiekcie: pomiar prędkości powietrza i pyłu zawieszonego

Ruch powietrza i stężenie pyłu przy wjeździe składów metra

Audyt polega na wykonaniu serii pomiarów, aby zbadać ruch powietrza towarzyszący wjazdowi składów metra na stację oraz ocenić stężenie pyłu zawieszonego w powietrzu. Pomiary prowadzi się wyłącznie na peronach i w strefie technicznej peronu.

Analiza prędkości prądu powietrza: skutek przejazdu pociągów

Inżynierowie EOLIOS zaobserwowali, że prędkości prądu powietrza zmieniają się zależnie od kierunku jazdy pociągu, a maksymalne amplitudy są mniejsze, gdy pociąg jedzie po stronie przeciwnego peronu. Na prędkości te wpływają czynniki takie jak czas hamowania i moc pociągu. Spadek prędkości powietrza przy przejeździe zależy ponadto od kierunku ruchu (wjazd na peron lub odjazd) i czasu trwania przejazdu. Warto zaznaczyć, że pomiary, wykonywane blisko peronu w strefie prac, wymagały znacznego ograniczenia prędkości pociągów z powodów bezpieczeństwa, co powodowało odstępstwa od zwykłych warunków ruchu.

Symulacja CFD pociągów wjeżdżających na stację

Modelowanie CFD stacji metra i pociągów

Numeryczna mechanika płynów, czyli Computational Fluid Dynamics (CFD), to metoda numeryczna służąca do badania przepływu płynów w danym środowisku. Rozwiązuje numerycznie złożone równania opisujące te przepływy, których nie da się rozwiązać analitycznie. Zastosowana do budynków, dostarcza kluczowych informacji o prędkościach powietrza, ciśnieniach i temperaturach wewnątrz i wokół obiektów oraz pomaga projektantom optymalizować wentylację i klimatyzację.

Aby rozwiązać te równania różniczkowe cząstkowe, trzeba określić warunki brzegowe obliczeń. Ustala się je na podstawie pomiarów na obiekcie i informacji przekazanych przez zespół projektowy: rodzaj przegród, przepływy (jednokierunkowy wlot lub wylot), parametry prędkości, strumień lub średnie ciśnienie statyczne oraz współczynniki powierzchniowe, gdy trzeba symulować wymianę ciepła.

Siatka obliczeniowa modelu, złożona z około 10 milionów strukturalnych ortogonalnych elementów płynu z zagęszczeniem w strefach kluczowych, decyduje o dokładności analizy, ale może wydłużyć czas obliczeń.

Model 3D stacji opracowano na podstawie dostarczonych rysunków; odwzorowuje uproszczoną geometrię obiektu i jego otoczenia. Aby zapewnić dokładność wyników, w modelu uwzględniono tunele po obu stronach stacji o długości wystarczającej, by wykluczyć wpływ warunków brzegowych modelu.

Aby zbadać wpływ przejazdu metra na termikę i przepływy w stacji, utworzono również odrębny model 3D pociągu. Takie podejście pozwala dogłębnie zbadać oddziaływanie między pociągiem a otoczeniem stacji i lepiej zrozumieć zjawiska termiczne i przepływowe w tej przestrzeni.

Analiza CFD ruchu powietrza na stacji

Przejazd pociągu wywołuje długotrwałe zaburzenia w jego śladzie aerodynamicznym. Zaburzenia te pokazują, że prędkość powietrza układa się stycznie do mediów wychwytujących, co przy ich właściwościach może być korzystne.

W ruchu pociąg wywołuje opór z tyłu: tworzy strefę nadciśnienia z przodu i strefę podciśnienia z tyłu. Powstaje wtedy przepływ powietrza od boków pociągu ku tyłowi, wyrównujący podciśnienie i zwiększający prędkość powietrza z tyłu w porównaniu z powietrzem nieruchomym.

Przekroje ciśnienia ilustrują propagację fali ciśnienia związaną ze zbliżaniem się pociągu. Przepływ początkowo biegnie od lewej do prawej, a po wjeździe pociągu na stację odwraca się, zwłaszcza przy jego czole. Ta różnica ciśnienia wywołuje przepływ powietrza przez media wychwytujące, choć utrzymuje się krótko.

Wirowość to pole pseudowektorowe opisujące lokalny ruch obrotowy środowiska. Pozwala wzrokowo wskazać obszary intensywnej turbulencji. Obrazy wirowości pokazują, że obszary w pobliżu mediów wychwytujących doświadczają zaburzeń, szczególnie po przejeździe pociągu.

Analizy uzupełniające pozwoliły precyzyjnie określić poziomy skuteczności układów wychwytu. Rozwiązania optymalizacyjne, takie jak opracowanie kierownice, pozwoliły poprawić skuteczność wychwytu pyłu zawieszonego.

EOLIOS potrafi więc analizować przypadki emisji pyłu zawieszonego i wspierać przemysł w optymalizacji instalacji oraz w Wymiarowanie prototypów.

Więcej o rozprzestrzenianiu pyłu zawieszonego na stacjach podziemnych

Aby pogłębić temat, polecamy lekturę pracy doktorskiej « Dispersion des particules issues du freinage des trains en stations souterraines », Antoine Durand.