Erfassung von Feinstaub in einer U-Bahn-Station
In wenigen Worten
EOLIOS führte eine CFD-Studie in einem Metro-Bahnhof in Paris durch, um die Wirksamkeit von Feinstaubsensoren auf den Bahnsteigen zu bewerten.
Erfassung von Feinstaub in einer U-Bahn-Station
Jahr
2023
Kunde
SNCF - TRAPAPART
Lokalisierung
Frankreich/Paris
Typologie
Luft & Wind
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Beschreibung des Projekts
Die Gefahr einer schlechten Luftqualität in unterirdischen Bahnhöfen (Metro- und S-Bahn-Stationen)
Seit den frühen 2000er Jahren haben Luftqualitätsmessungen gezeigt, dass die Konzentration von Schwebstoffen in der Luft in Eisenbahngebieten in Frankreich im Durchschnitt dreimal so hoch ist wie in der städtischen Außenluft.
Die gemessene Partikelkonzentration in der Luft wird häufig als PM10 und PM2,5 ausgedrückt.
Diese Partikel gelangen in die Atemwege, wobei sich die feinsten Partikel direkt in den Lungenbläschen ablagern.
Darüber hinaus unterscheidet sich die Zusammensetzung der Feinstaubpartikel im Eisenbahnbereich deutlich von der der Außenluft, mit hohen Konzentrationen an metallischen Elementen, insbesondere Eisen, sowie elementarem und organischem Kohlenstoff.
Diese Verschmutzung ist spezifisch für den unterirdischen Eisenbahnbetrieb und wird durch den Materialverschleiß beim Bremsen der Züge, durch die Reibung zwischen Rädern und Schienen und durch die Aufwirbelung von Staub bei der Zugfahrt verursacht.
Epidemiologische und toxikologische Daten deuten darauf hin, dass es zu schwerwiegenden kardiorespiratorischen Auswirkungen kommen könnte, angesichts der beobachteten biologischen Folgen in Form von Entzündungen, oxidativem Stress und kardiovaskulärer Aktivität bei Arbeitern, die für die Wartung dieser Art von Infrastruktur verantwortlich sind.
In Anbetracht dieser Beobachtungen bestätigt ANSES die Notwendigkeit, die Feinstaubbelastung in unterirdischen Eisenbahnbereichen zu reduzieren und daher die diesbezüglichen Aktionen fortzusetzen, insbesondere die Untersuchung und Verbesserung der Belüftung in diesen Bereichen.
Studie zur Umweltverschmutzung im öffentlichen Verkehr: Fokus auf Partikel, die durch den Bahnbetrieb entstehen
Daher ist die Luftqualität heute weltweit ein wichtiges Thema für unsere Gesundheit. Öffentliche Verkehrsmittel werden oft als umweltfreundlichere Alternative dargestellt, da sie den Schadstoffausstoß pro gefahrenen Kilometer reduzieren. Allerdings sind sie nicht völlig frei von Umweltverschmutzung. Denn durch den Verschleiß der im Eisenbahnbetrieb verwendeten Komponenten wie Räder, Schienen, Schotter, Stromabnehmer, Oberleitung oder Bremsen entstehen umweltschädliche Partikel.
Diese Partikel neigen dazu, sich aufgrund des Einschlusseffekts in unterirdischen Bahnhöfen stärker anzusammeln. Leider gibt es noch kaum Studien über die Auswirkungen dieser Verschmutzung. Aus diesem Grund hat Trapapart eine Recherche zu diesem Thema gestartet.
Problematik im Zusammenhang mit Feinstaub
Verschmutzungsniveaus in unterirdischen Eisenbahnräumen: der Einschließungseffekt und die Ansammlung von Schadstoffen
Die Verschmutzung in unterirdischen Eisenbahnbereichen wird hauptsächlich durch die Enge verursacht, die den Luftaustausch einschränkt, der notwendig ist, um die von den Zügen im Betrieb ausgestoßenen Schadstoffe zu beseitigen. Daher ist es bei älteren Stationen wahrscheinlicher, dass sich Schmutzpartikel in ihrem Inneren ansammeln.
Der Einfluss der Außenluftverschmutzung auf die Luftverschmutzung in unterirdischen Bahnhöfen ist nicht klar definiert und hängt weitgehend von den spezifischen architektonischen Merkmalen jedes unterirdischen Verkehrssystems ab. So spielen Faktoren wie die Art der Belüftung (natürliche Belüftung, Zwangsbelüftung, Klimaanlage), die Tiefe des Bahnhofs (tiefere Bahnhöfe sind weniger empfindlich gegenüber Schwankungen der Außenluftqualität) und die Anzahl der Zugänge eine wesentliche Rolle.
Saisonale Wetterschwankungen scheinen auch die Schadstoffwerte auf den Bahnsteigen zu beeinflussen. Es ist wichtig zu beachten, dass die beim Bau von Bahnhöfen, Eisenbahninfrastruktur und Fahrzeugen verwendeten Materialien, die Verschleiß und Abrieb ausgesetzt sind, zur Variabilität der Schadstoffpartikel beitragen können.
Untersuchung passiver Systeme, die das Auffangen von Feinstaub ermöglichen
Forschungsarbeiten über die Auswirkungen der Umweltverschmutzung in öffentlichen Verkehrsmitteln: die Initiative von Trapapart
Die Fallen TrapAparT können die Belastung der Bevölkerung mit schädlichen Feinstaubpartikeln reduzieren, indem sie gezielt in Gebieten wie Hauptverkehrsstraßen und U-Bahnhöfen eingesetzt werden.
TrapAparT-Geräte: ein patentiertes Medium zum Abfangen von Feinstaub in städtischen Gebieten mit hoher Konzentration an Menschen
Das Herzstück des Gerätes besteht aus einemeinem von TrapAparT patentierten, Feinstaub adsorbierenden Medium.Die Partikel werden allein durch die natürlichen Luftströme (Wind und Turbulenzen durch Fahrzeuge) gebunden. Das Medium wird durch einfaches Waschen mit Wasser in einem Abstand von etwa einem Monat regeneriert. Das Waschwasser wird aufgefangen und die enthaltenen Schadstoffe werden entfernt.
Das Hauptziel dieser von EOLIOS Ingenieuren durchgeführten Studie ist es, die Luftgeschwindigkeiten und -wege im Bahnhof zu analysieren, um festzustellen, ob die auf den Bahnsteigen installierten Geräte die Feinstaubpartikel in der Atmosphäre wirksam einfangen können. Dieses Projekt ist von großer Bedeutung, da es darauf abzielt, die spezifischen Luftströmungsphänomene, die auf dem Bahnsteig des Bahnhofs auftreten, zu kontrollieren. Zu diesem Zweck wird sich die Studie auf die Anwendung von CFD-Modellen konzentrieren, um die dem Luftstrom, der durch vorbeifahrende U-Bahnen erzeugt wird, innewohnenden lufttechnischen Prinzipien im Detail zu erforschen.
Audit vor Ort
Audit der Luftbewegungen und der Feinstaubkonzentration bei der Ankunft der U-Bahn im Bahnhof
Ziel der Prüfung ist es, eine Reihe von Messungen durchzuführen, um die Luftbewegungen zu untersuchen, die mit der Ankunft der U-Bahnen im Bahnhof verbunden sind. Parallel dazu soll die Konzentration von Feinstaub in der Luft bewertet werden. Diese Vermessungen werden ausschließlich auf den Bahnsteigen und im technischen Bereich des Bahnsteigs durchgeführt.
Analyse der Luftströmungsgeschwindigkeiten in unterirdischen Bahnhöfen: Studie über die Auswirkungen von vorbeifahrenden Zügen auf die Luftströmung
Die EOLIOS-Ingenieure beobachteten, dass sich die Luftstromgeschwindigkeiten je nach Zugrichtung ändern, wobei die maximalen Amplituden geringer sind, wenn der Zug auf dem gegenüberliegenden Bahnsteig fährt. Diese Geschwindigkeiten werden von Faktoren wie der Bremszeit und der Zugleistung beeinflusst. Außerdem hängt die Verringerung der Luftgeschwindigkeit bei der Zugdurchfahrt von der Bewegungsrichtung des Zuges (Ankunft oder Abfahrt vom Bahnsteig) und der Dauer der Durchfahrt ab. Stellte fest, dass die Messungen, die in der Nähe des Bahnsteigs im Einsatzgebiet durchgeführt wurden, dazu führten, dass die Züge aus Sicherheitsgründen deutlich langsamer fuhren und so Unterschiede zu den üblichen Verkehrsbedingungen verursachten.
CFD-Simulationen
CFD-Modellierung der U-Bahn-Station und der Züge
Die numerische Strömungsmechanik (NFM) oder Computational Fluid Dynamics (CFD) ist eine numerische Methode, die zur Untersuchung von Flüssigkeitsströmungen in gegebenen Umgebungen verwendet wird. Sie ermöglicht es, komplexe Gleichungen, die diese Strömungen regeln, numerisch zu lösen, da sie analytisch nicht lösbar sind. Durch die Anwendung von CFD auf Gebäude können Informationen gewonnen werden über Luftgeschwindigkeiten, Druck und Temperaturen in und um den Baubereich. Dies hilft den Planern, die Belüftung und Klimatisierung unter Berücksichtigung von Faktoren wie der Gebäudestruktur, internen Wärmegewinnen und Klimaanlagen zu optimieren, um einen optimalen Komfort zu gewährleisten.
Um die partiellen Differentialgleichungen zu lösen, müssen Sie die Randbedingungen der Berechnung definieren. Diese werden auf der Grundlage von Messungen vor Ort und Informationen des Bauherrn erstellt. Die Randbedingungen bestimmen unter anderem die Art der Wände, die Strömungen (unidirektionaler Ein- oder Auslass), die Parameter Geschwindigkeit, Durchfluss oder mittlerer statischer Druck sowie die Oberflächenkoeffizienten, falls diese für die Simulation der Wärmeübertragung erforderlich sind.
Die Vernetzung des Modells, das aus etwa 10 Millionen orthogonal strukturierten Fluidelementen mit Verfeinerung in Schlüsselbereichen besteht, ist für die Genauigkeit der Studie von entscheidender Bedeutung, kann aber zu langen Rechenzeiten führen.
Das 3D-Modell des Bahnhofs wurde unter Verwendung der zur Verfügung gestellten Pläne erstellt und gibt die vereinfachte Geometrie des Standorts und seiner Umgebung wieder. Um die Genauigkeit der Messungen zu gewährleisten, wurden die Tunnel auf beiden Seiten des Bahnhofs mit einer ausreichenden Länge in die Modellierung einbezogen, um einen Einfluss auf die Randbedingungen des Modells zu vermeiden.
Um die Auswirkungen der vorbeifahrenden U-Bahn auf die Thermik im Bahnhof zu untersuchen, wurde außerdem ein spezielles 3D-Modell des U-Bahn-Zuges erstellt. Dieser Ansatz ermöglicht es, die Wechselwirkungen zwischen dem Zug und der Umgebung des Bahnhofs gründlich zu erforschen, was zu einem besseren Verständnis der thermischen und lufttechnischen Phänomene in diesem Raum beiträgt.
CFD-Studie der Luftbewegungen in der U-Bahn-Station
Die Durchfahrt des Zuges führt zu dauerhaften Störungen in seinem Gefolge. Diese Störungen zeigen, dass die Luftgeschwindigkeit einen tangentialen Pfad zu den Medien verfolgt, was angesichts der Eigenschaften der Medien vorteilhaft sein kann.
Bei Bewegung induziert der Zug einen Luftwiderstand am Heck. Wenn sich ein Zug bewegt, erzeugt er vorne eine Überdruckzone und hinten eine Unterdruckzone. Dies führt zu einem Luftstrom von den Seiten des Zuges nach hinten, um den Unterdruck auszugleichen, wodurch die Luftgeschwindigkeit hinten im Vergleich zu statischer Luft erhöht wird.
Die Druckpläne veranschaulichen die Ausbreitung der Druckwelle, die durch den herannahenden Zug verursacht wird. Der anfängliche Fluss verläuft von links nach rechts und kehrt sich um, sobald der Zug im Bahnhof ist, insbesondere an der Spitze des Zuges. Der Druckunterschied an der Spitze des Zuges führt zu einem Luftstrom durch die Medien, auch wenn dieses Druckdelta nur von kurzer Dauer ist.
CFD-Modellierung der Luftgeschwindigkeiten für einen in einen Bahnhof einfahrenden Zug
Die Vorticity ist ein Feld von Pseudovektoren, das die lokale Rotationsbewegung eines Mediums beschreibt. Sie ermöglicht es uns, visuell zu erkennen, in welchen Bereichen intensive Turbulenzen herrschen. Die Vorticity-Muster zeigen, dass es in den mediennahen Regionen zu Störungen kommt, insbesondere nach der Durchfahrt des Zuges.
CFD-Modellierung der Verwirbelungseffekte für einen in einen Bahnhof einfahrenden Zug
In weiteren Studien wurden die Leistungsniveaus der Aufnahmesysteme genau definiert. Optimierungslösungen, wie z. B. die Entwicklung von Deflektoren haben diese Leistung beim Auffangen von Feinstaub verbessert.
EOLIOS ist somit in der Lage, Fälle von Feinstaubfreisetzung zu bearbeiten und Industrieunternehmen bei der Optimierung ihrer Anlagen und der Dimensionierung von Prototypen zu unterstützen.
CFD-Modellierung von Wirbelstromeffekten Einzugsgebiet
In weiteren Studien wurden die Leistungsniveaus der Aufnahmesysteme genau definiert. Optimierungslösungen, wie z. B. die Entwicklung von Deflektoren haben diese Leistung beim Auffangen von Feinstaub verbessert.
EOLIOS ist somit in der Lage, Fälle von Feinstaubfreisetzung zu bearbeiten und Industrieunternehmen bei der Optimierung ihrer Anlagen und der Dimensionierung von Prototypen zu unterstützen.
Feinstaubausbreitung in unterirdischen Bahnhöfen fortsetzen :
- Für weitere Informationen zu diesem Thema empfehlen wir die Lektüre der Dissertation „Dispersion des particules issues du freinage des trains en stations souterraines“ von Antoine Durand.
Videozusammenfassung der Studie
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