Die Luftqualität ist heute weltweit ein wichtiges Anliegen für unsere Gesundheit. Öffentliche Verkehrsmittel werden oft als umweltfreundlichere Alternative dargestellt, da sie den Schadstoffausstoß pro gefahrenem 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 Containment-Effekts stärker in unterirdischen Eisenbahnumschließungen 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

Die Schadstoffwerte in unterirdischen Eisenbahnräumen werden hauptsächlich durch ihre Abgeschlossenheit verursacht, die den Luftaustausch einschränkt, der notwendig ist, um die von den in Betrieb befindlichen Zügen ausgestoßenen Schadstoffe zu beseitigen. Daher ist es bei älteren Stationen wahrscheinlicher, dass sich Schmutzpartikel in ihrem Inneren ansammeln.

Die Auswirkungen der Außenluftverschmutzung auf die Luftverschmutzung in unterirdischen Bahnhöfen sind nicht klar definiert; sie hängen weitgehend von den spezifischen architektonischen Merkmalen der einzelnen unterirdischen Verkehrssysteme 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.

Auch jahreszeitliche Wetterschwankungen scheinen 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

TrapAparT-Fallen reduzieren die Belastung der Bevölkerung mit schädlichen Feinstaubpartikeln, indem sie gezielt Bereiche wie Hauptverkehrsstraßen und unterirdische Bahnhöfe (U-Bahn) ausstatten, in denen die Schadstoffbelastung weit über den von der WHO empfohlenen Grenzwerten für Orte mit hoher Menschenkonzentration liegt.

Das Herzstück der Vorrichtung besteht aus
einem von TrapAparT patentierten, Feinstaub adsorbierenden Medium.
Die Feinstaubpartikel werden allein durch die natürlichen Luftströme (Wind und Turbulenzen von Fahrzeugen) eingefangen. 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 den EOLIOS-Ingenieuren durchgeführten Studie ist es, die Geschwindigkeiten und Flugbahnen der Luft im Bahnhof zu analysieren, um festzustellen, ob die auf den Bahnsteigen installierten Geräte die in der Atmosphäre vorhandenen Feinstaubpartikel wirksam einfangen können. Dieses Projekt ist von großer Bedeutung, da es darauf abzielt, die spezifischen lufttechnischen Phänomene, die auf dem Bahnsteig des Bahnhofs auftreten, zu beherrschen. 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

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 es die Konzentration von Feinstaub in der Luft bewerten. Diese Vermessungen werden ausschließlich auf den Bahnsteigen und im technischen Bereich des Bahnsteigs durchgeführt.

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 partielle Differentialgleichungen zu lösen, müssen Sie die Randbedingungen für die Berechnung festlegen. 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 einer Verfeinerung in Schlüsselbereichen besteht, ist für die Genauigkeit der Studie entscheidend, kann aber zu langen Rechenzeiten führen.

Das 3D-Modell des Bahnhofs wurde unter Verwendung der bereitgestellten Pläne erstellt. Es enthält die vereinfachte Geometrie des Standorts und seiner Umgebung. 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 und trägt so zu einem besseren Verständnis der thermischen und lufttechnischen Phänomene in diesem Raum bei.

CFD-Studie der Luftbewegungen in der U-Bahn-Station

Die Durchfahrt des Zuges erzeugt in seinem Gefolge nachhaltige Störungen. Diese Störungen zeigen, dass die Luftgeschwindigkeit einem Pfad folgt, der tangential zu den Medien verläuft, was angesichts ihrer Eigenschaften von Vorteil 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 entsteht. 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.

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CFD-Modellierung der Luftgeschwindigkeiten für einen in einen Bahnhof einfahrenden Zug

Die Vorticity ist ein Feld von Pseudovektoren, das die lokale Drehbewegung 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.

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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.

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CFD-Modellierung von Wirbelstromeffekten Einzugsgebiet

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.