Optimalizace řízení provozního větrání tunelového komplexu Blanka

Abstract

Diplomová práce se zabývá vylepšením a optimalizací provozního větrání v tunelu s komplexní strukturu i systém větrání. Práci lze rozdělit na tři hlavní části. První část pojednává o matematickém modelování proudění vzduchu v silničních tunelech. Konkrétně se zaměřuje na odvození linearizovaného matematického modelu rychlosti proudění vzduchu. Výsledkem této části je zjednodušený simulační model tunelu, který obsahuje matematický model rychlosti proudění vzduchu založený na Kirchhoffových zákonech pro dynamiku tekutin. Tento model zahrnuje veškeré důležité faktory ovlivňující dynamiku proudění vzduchu v tunelu, jedná se o pístový efekt vozidel, tření vzduchu, vliv provozního větrání, a další. V druhé části práce je vysvětleno, jak lze odvodit model koncentrací znečisťujících látek v silničním tunelu. Jsou představeny dva typy tohoto modelu. Model koncentrací v ustáleném stavu, který je v praxi nejpoužívanějším modelem pro popis šíření znečisťujících látek v silničních tunelech a dynamický model koncentrací znečisťujících látek, který je založený na difúzní rovnici. Závěrečná část práce navrhuje možná zlepšení řízení provozního větrání v tunelu na základě matematické optimalizace. Cílem těchto zlepšení je snížit spotřebu energie při zachování stejných vlastností řídicího systému, protože provozní větrání v silničních tunelech představuje významnou část spotřeby elektrické energie tunelu. Tato část si klade za cíl najít vhodnější metodu pro řešení matematické optimalizace. Výsledky všech částí diplomové práce jsou ověřeny reálnými daty z největšího městského tunelu ve střední Evropě, kterým je tunelový komplex Blanka v Praze. Výsledky popisují, jak vylepšit řídící algoritmus v reálném provozu. Navíc, hodnoty vypočtené modelem koncentrací znečišťujících látek i hodnoty dané linearizovaným modelem rychlosti proudění vzduchu jsou porovnány s reálnými naměřenými hodnotami z tunelovém komplexu Blanka. Hlavní přínos diplomové práce je implementace zmíněných modelů, navržené vylepšení řízení provozního větrání tunelu a ověření dosažených výsledků využívající naměřená data.

The master thesis is concerned with improvement, refinement and optimization of the ventilation operation in a tunnel having complex both a structure and ventilation system. This thesis can be divided into three main parts. The first part deals with mathematical modeling of airflow dynamics in complex road tunnels. Namely, it focuses on derivation of a linearized mathematical model. The result of this part is a simplified simulation model of a tunnel containing mathematical model of airflow velocity based on Kirchhoff's laws for fluids dynamics, which includes all important factors influencing the airflow dynamics in a tunnel, i.e. piston effects of vehicles, air friction, effect of ventilation, etc. The second part of the thesis presents how to derive concentrations model in a road tunnel. Two types of such model are introduced. The steady-state model of pollutant concentrations, which is the most used model in practice to describe behaviour of pollutants in road tunnels, is developed as well as a dynamic model of pollutant concentration, which stands on convection-diffusion equation. The final part of the thesis suggests a possible improvement of the operational ventilation control of a tunnel based on mathematical optimization. The aim of these improvements is to reduce energy costs while keeping the control performance, since the ventilation in road tunnels forms a significant part of electricity costs. This objective is achieved by finding more convenient method how to solve an optimization problem. The results of all parts of the thesis are validated on the Blanka tunnel complex in Prague, which is the largest city tunnel in Central Europe consisting of several entrance and exit ramps. Achieved results depict how to improve the control algorithm in the real operation. A comparison between couple of models of pollutant concentration and real measured data is shown as well as the linearized model of airflow velocity. The developed models, suggested improvements for the operational ventilation control and experimental validation using measured data are the main contribution of the thesis.