Система вентиляции метрополитена

Системы вентиляции: влияние качества воздуха и метеорологических факторов на самочувствие людей и сохранность оборудования

Состояние воздушной среды влияет на самочувствие пассажиров метрополитена, на здоровье и работоспособность обслуживающего персонала, а также на сохранность технологического оборудования.

Чистый атмосферный воздух приземного слоя состоит в основном из смеси азота, кислорода, небольшого количества водяных паров (до 5% по весу) и ничтожного количества инертных газов. Основные физические константы атмосферного воздуха и входящих в его состав газов приведены в табл. 1.11.

Таблица 1.11.

* Для промышленных центров от 0,04 до 0,14.

Воздух может быть загрязнен рядом других газов и паров, не свойственных чистому атмосферному воздуху, а также микроорга­низмами вследствие деятельности различных производств и жизне­деятельности животных организмов.

Технология различных производств, а также климатическая особенность отдельных районов, связанная с большими испаре­ниями влаги или с сильными ветрами и соответствующим состоянием почвы (например, лёссовые почвы Средней Азии, сухие степи в районе Волгограда и Магнитогорска), могут привести также к загрязнению воздуха жидкими и твердыми частицами аэрозолей в виде туманов, облаков пыли и дыма неорганического и органического происхо­ждения.

Аэрозолями или аэродисперсными системами называются дисперс­ные системы с газообразной средой и с твердой или жидкой дисперс­ной фазой.

Как правило, приведенный в табл. 1.Н состав газовых компо­нентов воздуха бывает постоянным, и требуется значительное его изменение, чтобы он стал опасным для здоровья или в какой-то мере сказывался на самочувствии людей, что практически бывает редко.

Например, на самочувствии людей может заметно сказаться изменение содержания кислорода в воздухе по объему менее 17% и более 23%, а углекислого газа (СО2) — более 1% при длительном нахождении в такой атмосфере.

При больших содержаниях углекислого газа в воздухе замкнутых помещений может наступить потеря сознания у людей, что иллю­стрируется нижеприведенными опытными данными, полученными во Франции:

Концентрация СО2 в воздухе помещения (% по объему) ... 2 3 5 5,2 5,5 6 10 и более

Человек теряет созна­ние через.... .6—7 дней 72 ч 36 ч 24 ч 8 ч 40 мин 4—1 мин

Иное значение имеет загрязнение воздуха посторонними, не свойственными его нормальному составу газами, парами и аэро­золями. Отрицательное влияние их на здоровье человека может сказываться при весьма незначительном их содержании в воздухе.

Некоторые дурно пахнущие вещества находятся в воздухе в таких ничтожных количествах, что не могут быть определены химическими анализами, однако они крайне неблагоприятно влияют на самочувствие людей.

О пригодности воздуха как среды, вдыхаемой организмом, для закрытых жилых и общественных помещений судят по процентному (к объему) содержанию в воздухе двуокиси углерода — углекислого газа (СО2). Объясняется это тем, что хотя углекислый газ, выделя­емый организмом в результате его жизнедеятельности, сам лишь косвенно отрицательно влияет на организм и то при довольно зна­чительном содержании его в воздухе, он сигнализирует уже и при небольшом проценте его содержания о наличии в воздухе других всегда ему сопутствующих вредных примесей, выделяемых живыми организмами в количествах, приводящих к негодности воздуха для его вдыхания.

Кроме того, установление процентного содержания углекислого газа в воздухе не требует сложной аппаратуры, вследствие чего его определение гораздо проще, чем других вредных примесей, содержащихся в воздухе.

На самочувствие, здоровье и работоспособность людей также влияют температура, относительная влажность, барометрическое давление и скорость движения воздуха, совместно называемые метеорологическими факторами.

В результате окисления пищи, поглощаемой человеком, обра­зуется тепло, поддерживающее температуру тела человека почти на постоянном уровне, при этом количество тепла, выделяемого организмом, зависит от величины выполняемой им физической работы и психической нагрузки.

Передача тепла человеческим организмом в окружающую среду может происходить теплопроводностью, конвекцией, излучением (радиацией), а также испарением пота с поверхности тела и влаги с поверхности легких.

Благодаря идеальной терморегуляции человеческого организма и его защитным реакциям в зависимости от состояния внешней среды, приведенные виды передачи тепла при сохранении суммар­ного количества тепла, передаваемого организмом во внешнюю среду, количественно изменяются между собой.

При температуре воздуха, равной или выше нормальной темпе­ратуры человеческого тела (около 36° С), и относительной влаж­ности воздуха, близкой к 100%, исключается нормальная передача тепла человеческим организмом.

В качестве защитной реакции организм человека повышает тем­пературу тела для возможности восстановления передачи тепла теплопроводностью и конвекцией, что может привести к тепловому удару.

При таком состоянии воздушной среды, но при наличии близко расположенных холодных поверхностей (экранов) передача тепла человеческим организмом без нарушения его нормальной деятель­ности (вследствие лучепрозрачности воздуха) осуществляется ра­диацией.

О значении радиации для организма можно судить по величине передаваемого тепла этим видом теплопередачи, составляющим от 43,8 до 59,1% общих теплопотерь для обычных комфортных усло­вий воздушной среды.

Большое влияние холодных поверхностей на ощущение человека оказывает так называемая обратная радиация, что доказано экспе­риментами, при которых поддерживалась на поверхности огражде­ния температура +10° С, а температура воздуха резко повышалась до +40° С и состояние людей, находящихся в покое, было удовле­творительным. Лучший охлаждающий эффект обследованных людей, находившихся в состоянии покоя при температуре воздуха в опытной камере +40° С, оказался для варианта с температурой на поверх­ности ограждения +14° С.

Примерное распределение потерь тепла телом человека, не производящего физической работы, показано на рис. 1.11, из которого видно, что при низких температурах потеря тепла происходит главным образом теплопроводностью, конвекцией и излучением, а при температурах выше 30° С — испаре­нием.

Влияние холодных поверхностей на самочувствие человека приобретает особое значение в подземных сооружениях — метро­политенах.

Стенки тоннеля, соприкасающиеся с грунтом, как правило, имеют более низкую температуру, чем наружные стены сооруже­ний, расположенных на поверхности. Поэтому длительное пребывание обслуживающего персонала вблизи холодных поверхностей тоннелей при недостаточно высоких температурах воздуха вызы­вает усиленное теплоизлучение организма, создает неприятное ощущение и может привести к простудным заболеваниям. Если не принимать специальных мер по утеплению стен, гранича­щих с грунтом, условиям комфорта в помещениях подземных сооружений будут соответствовать более высокие температуры воздуха, чем на поверхности. Подвижность воздуха поверхности тела интенсифицирует теплопередачу и испарение влаги с кожной поверх­ности, значительно облегчая самочувствие человека при высокой температуре и высо­кой относительной влажности воздуха. Чем больше скорость движе­ния воздуха у поверхности кожи при соответствующих сочетаниях температуры и относительной влажности воздуха, тем больше уве­личивается ощущение прохлады человеком, а при определенных условиях наступает уже ощущение холода или озноба.

Опытами установлено, что даже при высокой температуре и вы­сокой относительной влажности воздуха его подвижность более 4 м/сек не желательна, а выше 5 м/сек действует раздражающе на человека.

Изложенное показывает, что одному и тому же ощущению тепла и холода может соответствовать неограниченное число комбинаций температуры, относительной влажности и скорости движения воз­духа в помещениях, а также температуры поверхностей (экранов), способствующих передаче тепла лучеиспусканием. Наиболее благо­приятные для человека условия в каждом отдельном случае при различных значениях трех факторов — температуры, относитель­ной влажности и скорости движения воздуха — можно оценить приблизительно по известному графику эквивалентно-эффективной температуры воздуха, составленному на основе наблюдений, про­веденных над нормально одетыми людьми, находящимися в состо­янии покоя.

Системы вентиляции: ионизация воздуха

Помимо химических и метеорологических факторов, определя­ющих качество воздуха, установлено, что на качество воздуха существенное влияние оказывает также и его ионный состав.

В атмосферном воздухе содержатся отрицательные и положитель­ные аэроионы, по своей подвижности разделяющиеся на легкие, средние и тяжелые. По виду они разделяются на ионы из единичных газовых молекул, ионы из комплекса нескольких молекул и взве­шенные в воздухе материальные частицы (аэрозоли) с осевшими на них ионами.

Предполагают, что аэроионы отрицательной полярности в воз­духе — это аэроионы кислорода воздуха. Процесс ионизации воздуха заключается в отрыве от атома любого элемента одного или нескольких периферийных электронов с последующей группи­ровкой вокруг такого электрона нейтральных атомов, что приводит к образованию отрицательных ионов. Положительные ионы обра­зуются из атома, лишенного электрона, присоединившего к себе нейтральные атомы.

Источниками ионизации атмосферы, под воздействием которых происходит отрыв электронов от атомов, являются: радиоактивные вещества, находящиеся в земной коре, воде и воздухе; космические лучи, нейтронные потоки и ультрафиолетовые лучи солнца (в верх­них слоях атмосферы), фотоэлектрический эффект Гальвакса — Столетова, баллоэлектрический эффект (ионообразование при раз­брызгивании воды), электрические разряды в атмосфере (молнии, разряды на вершинах гор и т. п.), трение частиц о твердую поверх­ность вследствие пылевых и снежных бурь, разнообразные химиче­ские реакции и металлургические процессы.

Основной характеристикой иона является его заряд. Наимень­шая величина заряда, соответствующая заряду электрона, соста­вляет 4,803-10"10 электростатических единиц.

Масса носителей электричества обусловливает их подвижность — приобретенную скорость передвижения в электрическом поле при градиенте потенциала 1 в см.

По указанной скорости различаются легкие, средние и тяжелые ионы.

Легкие ионы характеризуются подвижностью 1—2 см2/сек-в и состоят из группы молекул, несущих один элементарный заряд.

Средние ионы характеризуются подвижностью 0,01—0,1 см2/сек-в. Природа их и воздействие на организм еще не выяснена. Поэтому ионный состав воздуха принято пока характеризовать наличием легких и тяжелых ионов.

Тяжелые ионы характеризуются подвижностью в пределах 0,0003—0,001 м2/сек-в и представляют собой комплексы большого количества молекул также с одним элементарным зарядом. Они образуются в результате оседания легких ионов на различные материальные частички: пылинки, капли тумана и т. п.

Наблюдения, проведенные медиками-гигиенистами, пока­зывают весьма благоприятное влияние на жизнедеятельность чело­веческого организма легких, в особенности отрицательных ионов.

На основании наблюдений установлено, что в подземных соору­жениях при неограниченно большом количестве воздуха, подааемого на одного человека, и его безукоризненном качестве по газовому составу и метеорологическим показателям, но при отсут­ствии в воздухе или малом количестве легких аэроионов отрицатель­ной полярности, наблюдается более быстрая утомляемость практи­чески здоровых людей при длительном их пребывании в этой атмо­сфере, чем людей, находящихся на поверхности в условиях наличия в воздухе достаточного количества легких аэроионов отрицательной полярности.

В промышленных городах, помещениях с большим скоплением людей, что характерно для транспортных предприятий, на вокзалах, станциях, в вагонах и особенно в атмосфере, загрязненной табачным дымом, резко уменьшается концентрация легких аэроионов и уве­личивается число тяжелых, что сопровождается соответственным ухудшением самочувствия людей.

В качестве примера в табл. 2.II приведены данные о содержании числа легких аэроионов в 1 см3 воздуха для разных местностей.

Наряду с естественным ионообразованием в атмосфере происхо­дят процессы ионоуничтожения, что уравновешивает число ионов в атмосфере.

К процессам ионоуничтожения относится воссоединение (реком­бинация) ионов, заключающееся в том, что противоположно заря­женные ионы, притягиваясь друг к другу, образуют нейтральную систему, не влияющую на электропроводность воздуха.

К процессам ионоуничтожения также относится диффузия ионов, заключающаяся в перетекании ионов из мест их большой кон­центрации к местам менее ионизированным, и адсорбция ионов, заключающаяся в оседании ионов на твердых или жидких аэрозолях, находящихся в воздухе. Поэтому в городах, на промышленных пред­приятиях и в помещениях с загрязненными различными аэрозолями воздухом происходит процесс быстрого сокращения легких аэро­ионов., Для повышения содержания их в воздухе в настоящее время разработаны аппараты, вырабатывающие искусственным путем лег­кие отрицательные и положительные ионы. Эти аппараты успешно используют для лечебных целей, и в зависимости от принципа, положенного в основу их работы, они вырабатывают аэроионы (радиоактивные и электрические аэроионизаторы) и гидроаэроионы (гидроаэроионизаторы), копирующие естественный баллоэлектри-ческий эффект получения гидроаэроионов.

Действие ионизации на человеческий организм в лечебных целях хорошо изучено, однако в гигиенических целях эти вопросы еще изучены недостаточно.

Следует иметь в виду указание ряда исследователей о положи­тельном действии легких аэроионов отрицательной полярности на очистку воздуха от пыли и бактериальной загрязненности.

Ионизация воздуха в гигиенических целях может быть применена только после выработки режимов и создания соответствующих нормативов, регламентирующих условия ее использования.

Экспериментами определено, что вентиляционные установки влияют следующим образом на состав и количество ионов в воз­духе:

ватные и бумажные фильтры полностью задерживают аэроионы положительной и отрицательной полярности;

при прохождении воздуха через металлические водяные калори­феры теряется 20—25% легких ионов;

при нагревании воздуха электрическими калориферами с тем­пературой на поверхности не более 100° С наблюдается увеличение концентрации легких ионов;

значительное увеличение концентрации легких ионов, в основ­ном отрицательной полярности, наблюдается при пропуске воздуха через водяные форсуночные камеры кондиционеров, работающих с проточной водой, и положительной полярности — в форсуночных камерах, работающих с рециркуляционной водой.

Попытки устройства искусственной ионизации воздуха в центра­лизованных установках с распределением его по помещениям до настоящего времени были неудачными из-за сильного поглощения легких ионов распределительными воздуховодами, в особенности металлическими. При длине металлического воздуховода 3 м про­исходит полная деионизация воздуха.

Подземные сооружения (метрополитены), значительно удален­ные от внешней атмосферы, а следовательно, от источников есте­ственного образования полезных легких, в особенности отрица­тельной полярности аэроионов, нуждаются в обогащении ими воздуха главным образом для улучшения условий труда обслу­живающего персонала.

Для этого институтом Метрогипротранс под руководством акад. А. А. Микулина был разработан гидроаэроионизатор АМ-1 (рис. 2.II) для обогащения легкими ионами отрицательной поляр­ности воздуха, подаваемого на станции метрополитена.

В этом гидроаэроионизаторе использован принцип получения ионов путем раздробления воды, поступающей под действием цен­тробежной силы на диск и отбрасываемой на отражатель. Для обес­печения чистоты воды, что важно при выработке легких отрица­тельных ионов, вода в гидроаэроионизаторе постоянно сменяется, поступая из водопровода, и сливается в водосточную систему стан­ции. Диск приводится в движение электродвигателем мощностью 1 кет. Гидроаэроионизатор рассчитан для установки в системе вентиляции производительностью 150 000—200 000 м3/ч и обогаще­ния указанного количества воздуха легкими ионами, для чего он должен вырабатывать и подавать в воздушный поток 15-Ю9 легких ионов.

Гидроаэроионизатор АМ-1 был испытан на станции глубокого заложения московского метрополитена в апреле 1960 г. в подплат-форменном канале станции непосредственно у приточной вентиля­ционной камеры (рис. 3.II).

Для испытания воздух в количестве 153 000 ма/ч подавали только на одну половину станции (по продольной оси) при работе одного вентилятора. Обогащенный ионами воздух поступал по под платформенному вентиляционному каналу и через вертикальные каналы в пилонах станции и жалюзийные решетки, установленные в них, выпускался на станцию. Испытания проводили ночью при отсутствии движения поездов. Результаты замеров приведены в табл. З.П.

Испытания показали очень низкое содержание легких ионов на улице перед вестибюлем и отсутствие легких ионов отрицательной полярности на станции. При включении гидроаэроионизатора на станции очень быстро увеличилась концентрация легких ионов и стабильно поддерживалась во все время работы гидроиониза­тора. Гидроаэроионизатор АМ-1 устойчиво вырабатывал легкие гидроаэроионы преимущественно отрицательной полярности.

Место установки гидроаэроионизатора АМ-1 при его испытании на станции пиленного типа:

1 — эскалаторный наклонный тоннель; 2 — вентиляционный отсек; з__осевой венти­лятор; 4 — временная (на период испытания) перегородка; s — подплатформенный венти­ляционный канал; в — гидроаэроионизатор АМ-1; 7 — вертикальные вентиляционные каналы с жалюзийными решетками; 8 — путевые тоннели (стрелками показаны направления потоков вентиляционного воздуха при испытаниях)

При прохождении ионизированного воздуха вдоль бетонного подплатформенного вентиляционного канала от точки А до точки Г на рассто­янии около 100 м концентрация легких отрицательных ионов умень­шилась в два раза. При работе гидроаэроионизатора относительная влажность воздуха сохранялась постоянной — около 60%.

Проведенные испытания подтвердили возможность поддержания гидроаэроионизатором конструкции А. А. Микулина устойчивой концентрации легких гидроаэроионов отрицательной полярности, значительно превосходящей концентрацию аэроионов в наружном воздухе.

Однако следует иметь в виду, что при реверсивной системе тон­нельной вентиляции, когда приточный воздух на станцию подается только в теплое время года, а в холодное время года — на перегон, ионизация воздуха централизованной установкой на станции может быть применена только в теплое время года.

Таблица З.11

Еще не установлена целесообразность ионизации воздуха для пас­сажиров, учитывая незначительное время пребывания их на станции (3—5 мин) и предполагаемое резкое падение (до первоначального уличного) содержания ионов в воздухе перегонных тоннелей и в вагонах. Обслуживающий персонал на платформе станции малочислен, он больше находится на рабочих местах в различных служебных помещениях метрополитена и в кабинах машинистов поездов. Поэтому, возможно, целесообразнее будет устанавливать ионизаторы меньшей производительности непосредственно в поме­щениях и местах длительного пребывания обслуживающего персо­нала для более эффективного (без потерь) воздействия ионизации на людей.

Таким образом, целесообразность применения систем искусствен­ной ионизации воздуха в метрополитене — как централизованной, так и местной — может быть решена окончательно после дополнительных исследований на нескольких станциях одного радиуса при движении поездов с проверкой концентрации аэроионов в перегонных тоннелях и в вагонах, а главным образом после выработки медиками-гигиенистами норм, регламентирующих условия и режим искусственной ионизации воздуха помещений.

Источник: ЗАО «Метросвязь»