Energeticky úsporné větrání dálničních tunelů

zdroj: 3pod, 17.3.2007

Trendem dnešního silničního stavitelství je svádět dopravu – zvláště v městských aglomeracích – pod zem. Důvodem je především vyšší kvalita životního prostředí. V průmyslově vyspělých státech se dokonce dodatečně přikrývají frekventované dálnice, které územím s hustým osídlením procházejí.
Problematika větrání dálničních tunelů

Počítačový model tunelu Blanka
Obr1: Počítačový model tunelu Blanka, úsek Špejchar – Pelc-Tyrolka.

Provoz tunelů v aglomeracích však s sebou přináší nový problém. Zatímco v dálničních tunelech ve volné krajině dochází k přirozené cirkulaci vzduchu, které je občas třeba pomoci instalovanými ventilátory, v městských tunelech je situace poněkud odlišná. Za určitých podmínek – například při zhoršených rozptylových podmínkách a během stavu smogu – je totiž nežádoucí, aby z portálů tunelů proudil vzduch, který je znečištěný automobilovými emisemi. Má se totiž za to, že výhodnější je znečištěný vzduch odčerpávat vzduchotechnickými centrálami, odvádět jej ventilačními komíny a pod tlakem rozptylovat do atmosféry. Tomuto stavu se říká „režim plné ochrany“. Ovšem situace, kdy musí vzduch všemi portály tunelu proudit směrem dovnitř, není přirozená, a proto je potřeba zapojit ventilační systém ve větším rozsahu, než je tomu u dálničních tunelů ve volné krajině.

Ukazuje se, že úloha větrání v režimu plné ochrany není vůbec jednoduchá. Dálniční tunely v aglomeracích mají typicky poměrně složitou topologii, různě se větví, sbíhají, mají více vzduchotechnických centrál, kterými je možno znečištěný vzduch odvádět. Dosavadní řešení spočívalo v nalezení řídicího algoritmu heuristickými metodami, kdy se postupně uvažovaly všechny pravděpodobné stavy a určovalo se, jak se má který ventilátor chovat. Tento způsob řešení však není spolehlivý – například tunel Mrázovka, což není nijak zvlášť komplikovaný tunel, je možno rozdělit na 16 řídicích sekcí, tzn. za předpokladu, že v každé sekci se mohou ventilátory nacházet ve třech stavech (zapnuto, vypnuto, revers), existuje celkem 316 variant sepnutí ventilátorů. Je jasné, že tak velký stavový prostor není možné heuristicky prozkoumat. Navíc heuristické přístupy, které se pro tunely dosud používaly, vůbec neřešily energetickou náročnost provozu vzduchotechnických systémů.
Vývoj algoritmu

Na jaře roku 2004 tedy přišly společnosti Satra a Kybertec s myšlenkou vyvinout energeticky optimální systém řízení, který měl být primárně navržen pro tunel Blanka (v Praze, bude navazovat na Strahovský tunel a ústit bude v Tróji; dokončen má být v r. 2011). V rámci řešení měla být samozřejmě vytvořena i simulace pro ověření navrhovaného algoritmu.

Počítačová simulace navrhovaného algoritmu
Obr2: Počítačová simulace navrhovaného algoritmu energeticky optimálního řízení znázorněná na příkladu tunelu Mrázovka. Znázorněny jsou příkony ventilátorů v jednotlivých sekcích, barvami jsou odlišené dvě metody regulace – optimalizace 1-normy (lineární program) a 2-normy (kvadratický program).

V krátkosti ještě nastíníme vztahy, které během projektu panují. Společnost Satra je projektantskou kanceláří, která se dlouhodobě tunelovými stavbami zabývá. Kybertec je firma specializovaná na automatizaci, která pro ni dodává především řídicí systémy. Pro účely popisovaného projektu se obrátila na mne a kolegu Lukáše Kurku, zdali bychom byli ochotni v rámci našich disertačních prací algoritmus řízení vzduchotechniky dálničních tunelů vyvinout. Oba jsme souhlasili, ovšem Lukáš Kurka projekt po půl roce opustil. Já jsem v něm pokračoval, během jeho řešení mi velmi výrazně pomohla půlroční stáž na univerzitě Twente v Nizozemí, kde se mi za pomoci profesora Gjerrita Meinsmy z katedry aplikované matematiky podařilo základní nástin algoritmu vytvořit.

Během řešení se po půl roce manipulací se vzorci na jaře 2005 podařilo problém naformulovat striktně matematicky, takže bylo možné použít známé algoritmy – lineární a kvadratické programování. Jedná se o optimalizační metody, které jsou již dlouho známy a používají se již od první poloviny 20. století, především v ekonomice a automatizaci.

Mají několik zásadních výhod:

* Jsou spolehlivé a vyzkoušené.
* Jedná se o konvexní optimalizace – pokud řešení existuje, algoritmus jej najde, pokud neexistuje, algoritmus to poměrně rychle zjistí.
* Umožňují do optimalizace zahrnout různé omezující podmínky.
* Kromě energetické optimalizace jsou schopné zajistit i šetrný provoz z hlediska životnosti zařízení.

Testování, která jsme provedli na simulačních modelech, ukázala, že nalezené řešení dosahuje zadaných regulačních cílů, je energeticky šetrné a především je vysoce stabilní.
Použití v praxi

Přestože prvotní motivací projektu byl vývoj řídicího algoritmu, prvního uplatnění se dočkala simulace, která měla být původně vlastně jen podpůrným prostředkem. Na podzim 2004 tak byla provedena předběžná analýza dopravy, proudění vzduchu a šíření emisí v tunelu Blanka. V roce 2005 dostal příležitost i řídicí systém – i když zatím jen jeho dílčí část. V listopadu 2005 bylo na tunelu Mrázovka spuštěno automatické řízení vzduchotechnické centrály řešené vícerozměrným zpětnovazebním regulátorem. Tento regulátor se osvědčil – vykazoval podstatně lepší vlastnosti než dosavadní regulace – a byl tedy uveden do ostrého provozu.

Tunel Blanka
Obr3: Mapka se zakreslenou trasou tunelu Blanka.

Na jaře 2006 jsme byli společně s firmami Kybertec a Satra osloveni, abychom navrhli řízení vzduchotechniky tunelů Panenská a Libouchec na dálnici D8 z Prahy do Drážďan. Pro ověření byla kromě dosavadního dynamického modelu použita i stochastická simulace, pomocí níž bylo možno ověřit chování systému i za podmínek, které se výrazně liší od těch předpokládaných (nominálních). Navržený řídicí systém byl uveden do provozu zároveň s oběma tunely v prosinci 2006.

V současné době se jedná o použití řídicího systému na tunel Blanka. Jeho dokončení se plánuje na rok 2011, proto se očekává, že samotný návrh nezačne dříve než za rok či za dva. Mezitím se očekává jeho nasazení na dalších tunelech, v závěrečné fázi jsou nyní jednání o tunelu Sitina v Bratislavě.

http://www.3pod.cz/Article.aspx?aid=68