Větrací systém tunelu Blanka
datum: 16. 4. 2012
médium: Stavebnictví, Jiří Zápařka
Příspěvek se zabývá problematikou návrhu, realizace a uvedení do provozu u systému větrání tunelu Blanka. Popisuje základní požadavky, popis funkce systému a jeho částí, představuje závěry studie o využití filtrace odváděného vzduchu pomocí elektrostatických odlučovačů. Závěrem jsou zmíněny zkoušky větracího systému a jeho prvků před uvedením do provozu.
Funkce a výběr systému větrání
Silniční tunely jsou vybavovány větracím systémem ze dvou základních důvodů: * při všech dopravních stavech musí zabránit akumulaci výfukových zplodin v prostoru tunelu;
* musí zabránit šíření tepla, kouře a výparů při požáru nebo jiných mimořádných událostech, osobám v tunelu pak musí během této události zajistit cestu do bezpečí bez kouře a výparů.
Pro dosažení těchto cílů existují dvě základní koncepce větrání:
* podélné větrání, kdy je proudění vzduchu v tunelu zajištěno podélně s osou tunelu;
* příčné větrání, kdy je čerstvý vzduch přiváděn zvláštním kanálem vedeným paralelně s tunelem a je zaústěn po určitých vzdálenostech do tunelu. Vzduch provětrává tunel příčně k ose tunelu a je odváděn do paralelního odvodního kanálu.
O výběru systému větrání rozhoduje řada dalších okolností:
* zda se jedná o tunel jednosměrný, nebo obousměrný; městský, nebo dálniční; bez sklonu, nebo s velkým podélným sklonem;
* předpokládaná intenzita provozu, podíl těžkých nákladních vozidel z celkového počtu, výskyt dopravní kongesce, doprava nebezpečných nákladů tunelem;
* místní požadavky na životní prostředí, které určují, zda je možné vypouštět znečištěný vzduch přímo z portálu, nebo ne;
* zvláštní požadavky provozovatele nebo jiných dotčených orgánů;
* místní meteorologické podmínky (vítr, teplota, tlak na portály tunelu);
* výběr větracího systému ovlivňuje řadu dalších aspektů souvisejících úzce s projektem tunelu (strojovny, výdechy pro přívod a odvod vzduchu na povrchu, příčný řez, únikové cesty, elektrický příkon silového napájení). Větrací systém tunelu Blanka
Tunel Blanka se délkou 5,5 km řadí k dlouhým tunelům. Kromě vjezdových a výjezdových portálů má také ve dvou místech obou tunelových těles, u křižovatky U Vorlíků a Na Prašném mostě, výjezd a nájezd. Předpokládaná intenzita dopravy je 30-50 000 vozů za 24 hodin, podíl osobní dopravy činí 95 % a podíl těžkých nákladních vozidel méně než 2 %.
Koncepce větrání tunelu Blanka vznikala od druhé poloviny 90. let. V roce 1998 byla vybrána trasa varianty Blanka (další dvě posuzované varianty byly Hana přes Holešovice a Dana přes Dejvice) a stanovila se poloha strojoven Střešovice, Letná a Trója.
Provozní větrání
Provozní větrání musí zajistit dostatečný přívod čerstvého vzduchu a odvod výfukových zplodin. Motorová vozidla vypouštějí celou řadu polutantů, které škodí lidskému zdraví a životnímu prostředí, jako je oxid uhelnatý CO, oxidy dusíku NOx - skládající se z oxidu dusnatého NO a oxidu dusičitého NO2 - dále potom pevné částice PM1-10, uhlovodíky včetně benzenu, olovo a příspěvek k fotochemickému smogu, jehož hlavní součást tvoří ozon a sekundární aerosoly.
U tunelu Blanka, vzhledem k jednosměrnosti, během plynulého provozu projíždějící vozidla nasají vjezdovým portálem vlivem pístového efektu dostatečné množství čerstvého vzduchu. Za posledních 10-15 let se kvalita motorových vozidel na základě EURO 1-5 zlepšila na takovou úroveň, že by během plynulého provozu z hlediska vnitřního prostředí tunelu nebylo třeba nucené větrání vůbec provozovat. Výjimkou je dopravní stav kongesce, kdy se situace prudce změní, koncentrace znečištění začnou prudce narůstat a čerstvý vzduch je třeba přivádět nuceně. Ochrana portálu
Požadavkem Odboru životního prostředí hl. města Prahy bylo minimalizovat výnos znečištěného vzduchu z tunelu do předportálí křižovatky Malovanka. Při tomto režimu se ukazuje energeticky výhodné pomocí proudových ventilátorů snižovat průtok tunelem (za podmínky nepřekročení limitní koncentrace uvnitř tunelu) a tím snížit objem vzduchu, s nímž musí strojovny pracovat, vzhledem k energetické náročnosti režimu ochrany portálu. Minimalizace výnosu z výjezdového portálu probíhá v prvním stupni odvodem a přívodem čerstvého vzduchu strojovnou Střešovice.
Ve druhém stupni je systém schopen zajistit nasávání všemi portály. Strojovna Střešovice odvádí znečištěný vzduch jako v předchozím případě, čerstvý vzduch přivádí pouze v množství potřebném pro Severní troubu a před výjezdovým portálem se znečištěný vzduch převádí do Jižní trouby a je odsáván strojovnou Střešovice z Jižní trouby. Pro převod slouží převodní strojovna Malovanka a převodní klapky mezi tunely.
Řízení provozního větrání
Při dosažení spínací hodnoty v tunelu NOx = 10 mg, CO(počítaná) = 70 ppm, OP = 5.10-3/m bude zvýšen průtok v tunelu. Systém větrání je řešen jako podélný, s odsáváním. Mimo tunel, v oblasti křižovatky Malovanka, budou probíhat dvě kontinuální měření koncentrací NOx; NO; NO2. Na základě těchto měření bude řízena úroveň ochrany podle zákona o ochraně ovzduší, konkrétně NV 597/2006 Sb. Ten udává limitní koncentrace NO2: roční 40 mikro g/m3 a denní 200 mikro g/m3.
Vzhledem ke komplikovanosti tunelu s vjezdovými a výjezdovými rampami, odvodními, přívodními a převodními strojovnami bylo třeba vypracovat model řízení, jenž hledá vždy energeticky nejméně náročné řešení, při kterém jsou splněny požadované podmínky. Byl také vytvořen model tunelu, na kterém budou algoritmy řízení prověřeny, než dojde k implementaci na skutečném díle.
Posouzení využití filtrace
Elektrostatické odlučovače se užívají přes devadesát let v různých průmyslových podobách. Jejich funkce spočívá ve třech základních krocích. Nejprve se pevné částice pomocí vysokého napětí ionizují. Tím se elektricky neutrální částice polarizují. Následně jsou zachyceny na opačně nabité elektrodě a odstraněny do zásobníku. V tunelech se začaly používat kvůli zlepšení viditelnosti. Odlučovače umístěné v by-passu paralelně s tunelem vracejí očištěný vzduch do tunelu. Následně začaly probíhat pokusy s využitím odlučovačů kvůli snížení imisního zatížení mimo tunel po způsobu spaloven. Oproti spalovnám se však filtruje vzduch o koncentraci o mnoho řádů nižší (musí splňovat PEL-přípustné expoziční limity v tunelu), což se ve výsledku projevuje nízkým efektem i přes vysokou účinnost vlastního odlučovače. U elektrostatických odlučovačů prachu se uvádí katalogová účinnost 85-95 %, zachycují částice PM 0,3-10 mikro m. Součástí studie se stalo nezávislé posouzení dopadu na imisní situaci PM10 v okolí výdechu Octárna (strojovna Střešovice) předepsanou metodikou SYMOS (2007-2008) s filtry a bez nich. Při dopravní špičce došlo při použití odlučovačů k poklesu o 2-3 ng/m3 (tj. o 2-3 tisíciny mikro g/m3) primárního prachu oproti situaci bez odlučovačů prachu (ulice Sibeliova).
Při započítání všech mobilních zdrojů znečištění (veškerá povrchová doprava) dosahuje koncentrace znečištění ve stejné oblasti 5 mikro g/m3 primárního prachu. Použitím odlučovačů prachu čtrnáct hodin denně, 261 dní v roce, lze snížit negativní dopad na imisní koncentraci řádově o tisícinu, což je méně než chyba měření.
Na celkové prašnosti se z větší míry podílí sekundární prašnost (až 90 %). Studie ve výsledku upřednostňuje oproti filtraci investice do údržby komunikací a častějšího mytí silnic a tunelů.
Závěry týkající se pokusů s využitím filtrace pro snížení koncentrace mimo tunel potvrzuje Norská veřejná správa silnic ve své hodnoticí zprávě. Podle ní při krátkodobých zkouškách v optimálních podmínkách vykazují elektrostatické odlučovače slibné výsledky. Měření před a za sběrnými deskami ukázala snížení podílu pevných částic o 80-95 %. Praktický efekt filtrace ovšem oproti těmto zkouškám, které vykazují garantovaný standardní výkon, není poznatelný ve střednědobém nebo dlouhodobém výhledu (1).
Požární větrání
Tunel je součástí Městského okruhu a během provozu je nutné počítat s výskytem dopravní kongesce. Tento stav klade zvláštní požadavky na větrací systém v požárním režimu. Pokud by za takového dopravního stavu nastal požár, pak by běžně používaný způsob podélného odvětrání kouře pomocí proudových ventilátorů, který je použit v dálničních tunelech jako Panenská, Klimkovice, Cholupice nebo Lochkov, ohrozil osoby ve vozidlech za požárem ve směru jízdy. Při přirozeném proudění v tunelu 2-3 m/s a tím i šíření kouře hrozí při rychlosti vozidel pod 10 km/hod riziko, že budou zasažena kouřem.
První návrh vycházel z příčného odvodu kouře kanálem po celé délce tunelu. V hloubených úsecích se však tato koncepce ukázala jako neprůchodná z důvodu křížení s inženýrskými sítěmi a trasou metra A. Náhradní variantou bylo doplnění dvou strojoven: Špejchar a Prašný most, výlučně pro odvod kouře tak, aby mezi místy odvodu byla doporučovaná vzdálenost 400-600 m. V ražených úsecích, vzhledem k technické chodbě pod vozovkou, je spodní klenba, vyklenuta tak, že v ní vznikl prostor na kanál pro odvod kouře.
Oproti kanálu v klenbě tunelu má toto řešení výhody v tom, že nezmenšuje volný příčný řez tunelu, jenž hraje velkou roli v prvních minutách požáru. Větší prostor představuje nižší výchozí rychlost při požáru, protože ve větším profilu se projevuje pístový efekt méně. To je při požáru pozitivní jev, protože kouř, kromě toho, že má více prostoru, bude mít při nižších rychlostech větší pravděpodobnost šíření pod klenbou tunelu. U vozovky tak během prvních minut zůstane nezakouřená vrstva, jež umožní osobám opustit vozidla a utéci přes propojky do vedlejšího tunelu. Propojky se nacházejí každých přibližně 200-250 m a jsou značeny příčným zeleným pruhem.
Tunelové propojky budou využívány pro únik osob z tunelové trouby, kde hoří, do tunelové nezasažené trouby. Výměna je navržena tak, aby se přetlak v propojce vůči tunelu, kde hoří, pohyboval mezi 30-50 Pa. K tomu slouží přetlakové klapky umístěné nad dveřmi.
Řízení požárního větrání
U městských tunelů je nutné zvolit způsob odvětrání kouře, který prodlouží čas k evakuaci i osobám, za požárem, ve směru podélného proudění vzduchu v tunelu. Toho lze dosáhnout udržováním nízké rychlosti proudění, ale pouze za cenu snížení úrovně bezpečí pro osoby na straně před požárem, protože při nízkých rychlostech se kouř šíří proti směru jízdy nad zablokovaná vozidla. Kouřová vlečka se šíří pod stropem tunelu oběma směry. Při rychlostech podélného proudění v tunelu obvykle do 2 m/s se kouř často šíří u stropu ve vrstvě, jasně oddělené od čistého, nezakouřeného prostoru u vozovky. Režim požárního větrání se proto dělí do dvou fází. V první fázi je cílem vytvořit v zasaženém tunelu optimální podmínky pro stratifikaci, a to po co nejdelší dobu, pomocí udržování rychlosti podélného proudění 1,2 m/s. V nezasaženém tunelu se zajistí proudění ve stejném směru jako v zasaženém tunelu, aby se zabránilo nasátí kouře do nezasaženého tunelu.
Kouř je stropem tunelu se vzrůstající vzdáleností od požáru více a více ochlazován, až se vlivem ztráty vztlaku začne míchat do čistého vzduchu nasávaného směrem k požáru a následně zakouří celý profil. Tomu je možné zabránit zvýšením rychlosti proudění na tzv. kritickou rychlost ukrit. Tu je pak třeba udržovat, aby se kouř šířil od požáru pouze jedním směrem.
Zkoušky
Ventilátory budou svým provedením, výkonnostními a kvalitativními parametry před montáží a po ní v souladu dle požadavků a předpisů: ČSN EN 12101-3 Zařízení pro usměrňování pohybu kouře a tepla. Všechna zařízení, jež jsou součástí systému větrání, musí splňovat požadavky podle funkce v rámci systému (hlavní ventilátory, proudové ventilátory, klapky, uzávěry, napájení). Po instalaci a zapojení jednotlivých zařízení probíhají individuální zkoušky. Po funkčních zkouškách a zprovoznění řídicího systému lze přistoupit ke komplexním zkouškám návazností s dalšími soubory.
Zkoušky požárního režimu je nutné provést před otevřením tunelu do provozu. Provozní režim však lze plně odzkoušet až po zprovoznění, během zkušebního provozu. * Použitá literatura: (1) Henning, J. E.: The Efficiency of Particle Cleaning in Norwegian Tunnels, June 1997, Roads and Traffics Authority of New South Wales, Australia (Silniční a dopravní úřad Nového Jižního Walesu v Norsku), aurotizovala Norwegian Public Roads Administration (Norská veřejná správa silnic).
