Сотрудники факультета вычислительной математики и кибернетики (ВМК) Московского государственного университета имени М. В. Ломоносова разработали математическую модель для управления вентиляционным режимом тоннелей московской подземки. Исследование поможет поддерживать комфортную температуру в тоннеле в течение года и оценить области с повышенной температурой, которые образуются в окружающем грунте.
Недавние исследования показали, что в окружающих тоннели метро грунтах накапливается тепловая энергия, выделяемая в процессе эксплуатации. Другими словами, происходит формирование тепловых резервуаров вокруг тоннелей. Тепло, запасенное в таком резервуаре, приводит к повышению температуры воздуха в тоннеле. Напрашивается очевидное решение — отводить накопленное тепло и использовать его, например, на обогрев зданий на поверхности. Современные технологии позволяют это осуществить. Однако для проектирования таких установок необходимо знать параметры тепловых резервуаров: их размеры и распределение температуры. Получить такие данные без математического моделирования затруднительно.
Другой способ уменьшения температуры в тоннеле в летний период — управление вентиляцией. Очевидно, что увеличение вентиляции в жаркое время не позволит понизить температуру воздуха в тоннеле. Необходимо осуществлять такой режим вентиляции в течение года, чтобы поддерживать комфортную для пассажиров температуру в любой сезон.
Для решения этих двух задач сотрудники лаборатории математического моделирования в физике факультета ВМК в содружестве с ОАО «Инсолар-Инвест» предложили оригинальную математическую модель, которая позволяет делать долговременный прогноз средней температуры воздуха в тоннелях метро и распределения температуры в окружающих грунтах. Модель испытали с использованием данных метрополитенов Москвы, Глазго и Гуанчжоу.
Она учитывает ряд важных факторов, влияющих на температуру воздуха в тоннеле: сезонные колебания температуры атмосферного воздуха, теплообмен между воздухом и грунтом на поверхности земли и стенке тоннеля, генерацию тепла в результате движения поездов и воздухообмен между тоннелем и атмосферой.
Расчеты, проведенные с использованием данных московского метро и климатических данных московского региона, позволили с хорошей точностью оценить размеры тепловых резервуаров, которые образуются вокруг пары параллельных тоннелей в результате многолетней эксплуатации линий метро.
«Важным преимуществом нашей модели является возможность управления вентиляционным режимом для достижения оптимальной температуры воздуха в тоннеле в летний и зимний период. Для этой цели был предложен алгоритм, который позволяет в режиме реального времени по известным значениям температуры окружающего воздуха и известной интенсивности движения поездов в тоннеле определять режим вентиляции, обеспечивающий комфортную температуру в тоннеле», — рассказал ведущий научный сотрудник лаборатории математического моделирования в физике факультета ВМК МГУ Николай Песков.
«Отметим, что такая возможность осуществлять управление в режиме реального времени обусловлена относительной вычислительной простотой нашей модели, которая тем не менее корректно учитывает все основные факторы, влияющие на изменение температуры воздуха в тоннеле», — добавила старший научный сотрудник лаборатории математического моделирования в физике факультета ВМК МГУ Татьяна Лысак.
Результаты моделирования показали, что предложенный алгоритм может существенно уменьшить амплитуду сезонных колебаний температуры воздуха в тоннеле метрополитена, приблизив ее значение к оптимальному.
Разработанная математическая модель помогла ОАО «Инсолар-Инвест» при проектировании теплонасосного оборудования для инфраструктуры Московского метрополитена.
Результаты исследований опубликованы в журнале International Journal of Thermal Sciences (Q1).
