Provozní větrání podzemní autobusové stanice

Stojíte-li před výzvou návrhu provozního větrání podzemní autobusové stanice, musíte upřímně konstatovat, že v platné legislativě [1] nenajdete oporu. A to jak po výpočtové, tak po metodické stránce. Jako jediné řešení přichází v úvahu tzv. inženýrský přístup. Touto cestou se chceme podělit o naši zkušenost z podobné výzvy, před kterou jsme stáli. Výstupy z teoretických výpočtů jsme si následně ověřili simulací CFD modelem.

Aktuálně platná slovenská legislativa v oblasti větrání garáží, která platí od roku 1987, je zaměřena na provozní větrání [1]. V paragrafu 72 písm. a) se uvádí, že škodlivinou je oxid uhelnatý (CO), avšak v paragrafu 73 písm. c) nám autoři normy odkazují, že průměrné množství CO u jiných než osobních vozidel je nutné experimentálně zjistit.

Obrátíme-li se na okolní země, německá norma VDI 2053 Part 1 v bodu 4.6 Table 1 [2] počítá s emisemi CO v g/m, ale u motorů osobních vozidel. Anglická BS 7346 Part 7 [7] nás odkazuje na šestinásobnou výměnu vzduchu. Z uvedeného je zřejmé, že tudy cesta nevede a jedinou možností je vlastní invence a výpočet. Pro motory uváděné na trh od září 2009 platí ustanovení emisních směrnic EURO 5 a EURO 6, které uvádějí následující skutečnosti.

•    EURO 5: Emisní norma platná od 1. 9. 2009 se zaměřila hlavně na snižování množství pevných částí PM, a to až na pětinu z původního množství (0,005 oproti 0,025 g/km). Nepatrně se snížily i hodnoty NO_x u benzinových (z 0,08 na 0,06 g/km) a dieselových motorů (z 0,25 na 0,18 g/km). V případě naftových motorů se snížilo HC + NOx z 0,30 na 0,23 g/km.
•    EURO 6: Tato emisní norma platí od září 2014. Týká se dieselových motorů, konkrétně jde o snížení hodnot NO_x z 0,18 na 0,08 g/km a HC + NO_x z 0,23 na 0,17 g/km.

Určení množství CO

Směrnice EURO 5 a 6 však hovoří jen o množství CO produkovaného v g/km za jízdy za předem přesně definovaných podmínek, zatímco nás zajímá hodnota CO vyjádřená v ppm. Platná norma zná jako krajní hodnotu C_p = 87 ppm (paragraf 88 písm. b) podle změny z roku 1989), resp. nejvyšší přípustná koncentrace je K_NP = 100 mg . m³ během 30 minut (paragraf 73 písm. d).

Na základě stručného přehledu aktuálního vozového parku, který nám poskytl provozovatel, jsme si definovali průměrný čtyřtaktní atmosférický motor bez turba. Motor má objem přibližně 10 l, při točivém momentu 800 ot./min, což představuje 60 800 ot./h.

Počítáme s průtokem vzduchu motorem při volnoběhu na úrovni asi 240 m³/h, z čehož při definované spotřebě (při volnoběhu motoru jsme počítali 5 l paliva) vyplývá, že motor produkuje CO přibližně v množství 50 g/h, tzn. koncentrace CO ve zplodinách je přibližně 208 mg/m³. Při samotném výpočtu jsme počítali s produkcí CO kolem 10 g/l paliva (VDI 2053 [2]). Po následném přepočtu na ppm počítáme s hodnotou produkce autobusu na úrovni asi 166 ppm/volnoběh.

Stále však zůstává otázka, jak se postavit k jízdě autobusu. Ve směrnici EURO 5 se počítá se dvěma testovacími cykly ESC/ELR s uvažovanou produkcí asi 1 500 mg CO/kWh, resp. s cyklem ETC s produkcí 4 000 mg CO/kWh. Počítá se přitom s výhřevností dieselového motoru kolem Hn = 12,6 kWh/kg paliva. Při spálení definovaného množství paliva se uvolní energie přibližně 53,235 kW/h. Vycházíme-li z cyklu ETC, teoreticky se vyprodukuje 213 g CO/h/autobus.

Převedeno na množství uvolněného CO formou spalných plynů je to potom asi 887,5 mg/m³, což je asi 710 ppm.
Následně jsme provedli srovnání s TRGS 554 [5] (Abgassen von Dieselmotoren), které nám potvrdilo, že směr, který jsme si vytyčili, je správný.

Z hlediska výpočtu odváděného vzduchu lze brát v úvahu i dostupnou literaturu, např. v [2] se počítá u tunelového větrání s hodnotou přibližně 600 m³/h/nákladní vozidlo. Provoz podzemní autobusové stanice však není během celého dne týž. Provozovatel počítá se dvěma výkyvy během dvou špičkových hodin, které jsou totožné s příchodem cestujících do práce a následně s jejich odchodem domů.

Během jedné hodiny se odhaduje maximální počet autobusů na šedesát. Běžně se v současnosti počítá se čtyřiceti třemi autobusy. Počet cestujících, průměrná obsazenost ani počet lidí na nástupištích nejsou definovány.
Protože výpočtová metodika pro autobusy není jednoznačně dána, zvažovali jsme několik možností. Nejvhodnější se nám zdála cesta přes výpočet odvětrání produkované škodliviny [7], kterou v tomto případě představuje CO z autobusových výfuků. Vstupní podmínky jsou dány takto:

–    vnější koncentrace CO: 5 ppm (6,17 mg/m³ při MCO = 28 g/mol),
–    maximální dovolená koncentrace: 60 ppm (61,7 mg/m³ při MCO = 28 g/mol),
–    množství produkované škodliviny: 13,88 g/s (tj. 50 000 mg/h na volnoběh); k této hodnotě jsme se přiklonili vzhledem k současné situaci.

Vypočítané množství vzduchu vztažené na jeden autobus je přibližně 900 m³/hod. S přihlédnutím ke špičkovému provozu odhadovaných šedesáti autobusů bylo množství odsávaného vzduchu stanoveno na hodnotu 54 000 m³/h. Navrhuje se přívod vzduchu nuceně přes velkoplošné vyústky s cílem zabezpečit pohodu cestujícím na nástupištích a výstupištích. Rychlost přiváděného vzduchu v pocitové oblasti je do 0,2 m/s.

Odvod do sběrných šachet se stejně řeší přes velkoplošné žaluzie. Při návrhu se počítalo se dvěma provozními stavy – letním provozem s filtrací vnějšího vzduchu a adiabatickým chlazením (eliminace zátěže citelným teplem) a zimním provozem, kde se uvažuje dohřev vzduchu.

Systém je navržen jako přetlakový, aby se škodliviny vytěsnily do prostoru jízdních drah. Výsledné hodnoty odsávaného vzduchu se upraví na základě experimentálních měření. Vzhledem ke konstrukční výšce autobusové stanice jsme navrhli podávací JET ventilátory, které jsou vhodnější u vyšších konstrukčních výšek.

Vstupy pro výpočet

Letní provoz
•    parametry vnějšího vzduchu [8, 9]: teplota vnějšího vzduchu θ_e = 30 °C, entalpie vnějšího vzduchu h_e = 54,5 kJ/kg_sv
•    parametry vnitřního vzduchu: teplota vnitřního vzduchu θ_i = 25 °C, relativní vlhkost vnitřního vzduchu = 75 %
•    objemový průtok vnějšího vzduchu: V_e = V_hyg = 54 000 m³/h, což odpovídá definovanému průtoku vzduchu na základě výpočtu
•    objemový průtok přiváděného vzduchu: je totožný s objemovým průtokem vnějšího vzduchu, V_p = V_e = 54 000 m³/h
•    objemový průtok odváděného vzduchu: je totožný s objemovým průtokem odpadního vzduchu, V_o = V_od =  54 000 m³/h
•    uvažovaná tepelná zátěž: jen tepelná zátěž z vnějšího vzduchu Φ_e = V_e . c .ρ_e . (θ_e – θ_i)
•    uvažovaná úprava vzduchu: adiabatické chlazení spojené s navlhčením vzduchu
•    výpočet chladicího výkonu adiabatického chladiče: θ_ch = V_e . ρ_e . (h_e – h_i)

Zimní provoz
•    parametry vnějšího vzduchu [8, 9]: teplota vnějšího vzduchu θ_e = -11 °C, entalpie vnějšího vzduchu h_e= -8 kJ/kg_sv
•    parametry přiváděného vzduchu: teplota vnitřního vzduchu θ_i = 6 °C, relativní vlhkost je bez úpravy
•    objemový průtok vnějšího vzduchu: V_e = V_hyg = 54 000 m³/h, což odpovídá definovanému průtoku vzduchu na základě výpočtu
•    objemový průtok přiváděného vzduchu: je totožný s objemovým průtokem vnějšího vzduchu, V_p = V_e = 54 000 m³/h
•    objemový průtok odváděného vzduchu: je totožný s objemovým průtokem odpadního vzduchu, V_o = V_od = 54 000 m³/h
•    uvažovaná úprava: jen ohřev přiváděného vzduchu na požadovanou teplotu
•    výpočet tepelného výkonu ohřívače: θ_oh = V_e . c .ρ_e . (θ_e – θ_i)

Model CFD

Po definování vstupů jsme přikročili k samotnému modelu CFD. Pro modelování byl zvolen CFD systém knihoven a solverů OpenFoam^®. Tato platforma poskytuje nejen state-of-the-art CFD modelovací prostředí, ale zároveň, protože je v Open Source [10], i možnost přizpůsobit si jednotlivé softwarové součásti podle potřeby. To bylo při výpočtu i využito, a to zahrnutím transportní rovnice pasivního skaláru s objemovým zdrojovým členem pro potřeby modelování vývoje koncentrace CO.

Samotný solver řeší soustavu parciálních diferenciálních rovnic pro stlačitelné turbulentní proudění. (Stlačitelná formulace pro samotný transport CO není nutná. Pro výpočet požárního větrání je však třeba počítat se změnami hustoty proudícího média ve značném rozsahu a tento solver byl přizpůsoben tak, aby s ním bylo možné počítat i simulaci požáru.)

Pro výpočet byla použita prostorová diskretizace druhého řádu a diskretizace času prvního řádu u nestacionárních simulací. Modelování turbulence se řešilo pomocí realizable k- knihovny. Výpočtovou síť tvořilo přibližně 4,5 mil. buněk. Tento poměrně vysoký počet byl způsoben jednak vysokou mírou zachycených detailů (sloupy různých tvarů, průvlaky, vzduchotechnická potrubí a zařízení), ale zároveň i poměrně velkými rozměry modelovaného prostoru (obr. 1)Závěr

Z pohledu autorů je těžké zhodnotit a posoudit celkový přínos k předmětnému tématu. Problematika větrání vícepodlažních podzemních parkovacích domů je legislativně dobře rozebraná a je o co se opřít. V případě větrání autobusových stanic je však projektant odkázán spíše na sebe samého a na vlastní invenci. Podobných projektů je na Slovensku málo a nabýt projekčních zkušeností není kde. Výpočtové postupy jsme proto konzultovali s kolegy ze zahraničí. V článku jsme se pokusili přinést svůj pohled na tuto problematiku využitím metodiky CFD, kterou jsme výsledky ověřili.

Literatura
1.    STN 73 6058 Hromadné garáže. Základní ustanovení: 1987.
2.    VDI 2053 Car parks, Ventilation Code of practice: 2005.
3.    STN EN 13 779 Větrání nebytových budov: 2007.
4.    BS 7346-7 Components for smoke and heat control systems – Part 7: 2013.
5.    TRGS 554 Abgasse von Dieselmotoren: 2008 Berichtigt GMBI Nr. 28 S. 604 – 605.
6.    ČSN 73 6058 Jednotlivé řadové a hromadné garáže: 2011.
7.    Technická zařízení budov: část 7/6.1.3: 2006.
8.    STRAKOVÁ, Z. – HOJER, O.: Priemyselná vzduchotechnika – prednášky. 1. časť. Bratislava: STU 2016.
9.    KRAJČÍK, M. – STRAKOVÁ, Z. – FŰRI, B: Metódy výskumu vo vetraniu, klimatizácii a chladení – cvičenia. Bratislava: STU 2017.
10.    www.openfoam.org.
11.    Chyský, J. – Hemzal, K. a kol.: Větrání a klimatizace, BOLIT-B press, Brno: 1993.

Text: Mgr. Jozef Vojtaššák, Ing. Peter Beňovský
        Jozef Vojtaššák působí ve společnosti Colt International, s. r. o., Peter Beňovský působí ve společnosti Compen, s. r. o.

Článek byl uveřejněn v časopisu TZB Haustechnik 4/2016.