Catturare le particelle fini in una stazione della metropolitana
In poche parole
EOLIOS ha condotto uno studio CFD in una stazione della metropolitana di Parigi per valutare l’efficacia dei sensori di particelle fini installati sulle piattaforme.
Catturare le particelle fini in una stazione della metropolitana
Anno
2023
Cliente
SNCF - TRAPAPART
Posizione
Francia/Parigi
Tipologia
Aria e vento
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Descrizione del progetto
Il pericolo di una cattiva qualità dell'aria negli spazi ferroviari sotterranei (stazioni Metro / RER)
Dall’inizio degli anni 2000, le misurazioni della qualità dell’aria hanno dimostrato che, in media, le concentrazioni di particelle sospese nell’aria nelle aree ferroviarie in Francia sono tre volte superiori a quelle dell’aria esterna urbana. La concentrazione di particelle misurata nell’aria è spesso espressa come PM10 e PM2,5.
Queste particelle penetrano nel sistema respiratorio e le più fini si depositano direttamente negli alveoli polmonari.
Inoltre, la composizione delle particelle fini osservate nell’ambiente ferroviario è molto diversa da quella dell’aria esterna, con alte concentrazioni di elementi metallici, in particolare ferro, oltre a carbonio elementare e organico.
Nello specifico dell’attività ferroviaria sotterranea, questo inquinamento è causato dall’usura dei materiali dovuta alla frenata dei treni, all’attrito tra ruote e rotaie e alla risospensione della polvere dovuta ai movimenti dei treni.
I dati epidemiologici e tossicologici suggeriscono che potrebbero esserci gravi impatti cardiorespiratori, viste le conseguenze biologiche osservate in termini di infiammazione, stress ossidativo e attività cardiovascolare nei lavoratori responsabili della manutenzione di questo tipo di infrastrutture.
Alla luce di queste osservazioni, l’ANSES conferma la necessità di ridurre l’inquinamento da polveri sottili nelle aree ferroviarie sotterranee e quindi di perseguire azioni in questa direzione, come lo studio e il miglioramento della ventilazione in questi ambienti.
Studio sull'inquinamento nel trasporto pubblico: focus sulle particelle generate dalle operazioni ferroviarie
La qualità dell’aria è oggi una delle principali preoccupazioni per la nostra salute su scala globale. Il trasporto pubblico viene spesso presentato come un’alternativa più ecologica, in quanto riduce le emissioni inquinanti per chilometro percorso. Tuttavia, non sono totalmente privi di inquinamento. L’usura dei componenti utilizzati nelle operazioni ferroviarie, come ruote, rotaie, massicciata, pantografi, sistemi di catenaria e freni, genera particelle inquinanti.
Queste particelle tendono ad accumularsi maggiormente nei recinti ferroviari sotterranei a causa dell’effetto di confinamento. Purtroppo gli studi sull’impatto di questo inquinamento sono ancora rari. Ecco perché Trapapart ha avviato una ricerca su questo tema.
Il problema delle particelle sottili
Livelli di inquinamento negli spazi ferroviari sotterranei: l'effetto confinamento e l'accumulo di inquinanti
I livelli di inquinamento negli spazi ferroviari sotterranei sono causati principalmente dal loro confinamento, che limita il ricambio d’aria necessario per eliminare gli inquinanti emessi dai treni in funzione. Di conseguenza, le stazioni più vecchie hanno maggiori probabilità di accumulare particelle di inquinamento all’interno.
L’impatto dell’inquinamento atmosferico esterno su quello delle stazioni della metropolitana non è chiaramente definito; dipende in gran parte dalle caratteristiche architettoniche specifiche di ogni sistema di trasporto sotterraneo. Fattori come il tipo di ventilazione (naturale, forzata, climatizzata), la profondità della stazione (le stazioni più profonde sono meno sensibili alle variazioni della qualità dell’aria esterna) e il numero di ingressi giocano un ruolo fondamentale.
Anche levariazioni stagionali del tempo sembrano influenzare i livelli di inquinamento sulle banchine. È importante notare che i materiali utilizzati nella costruzione delle stazioni, delle infrastrutture ferroviarie e del materiale rotabile, soggetti a usura e abrasione, possono contribuire alla variabilità delle particelle inquinanti.
Studio di sistemi passivi per la cattura di particelle sottili
Ricerca sull'impatto dell'inquinamento sui trasporti pubblici: l'iniziativa Trapapart
Trappole TrapAparT Le trappole riducono l’esposizione delle persone alle polveri sottili dannose equipaggiando aree mirate, come le principali arterie urbane e le stazioni della metropolitana, con livelli di inquinamento ben al di sopra delle soglie raccomandate dall’OMS per i luoghi ad alta concentrazione di persone.
Dispositivi TrapAparT: un supporto brevettato per intrappolare le polveri sottili nelle aree urbane con alte concentrazioni umane
Il cuore del dispositivo è costituito daun supporto adsorbente per particelle fini brevettato da TrapAparTè in grado di intrappolare le particelle fini facendole entrare in contatto con l’aria utilizzando solo i flussi d’aria naturali (vento e turbolenze generate dai veicoli). Il supporto viene rigenerato semplicemente lavandolo con acqua con una frequenza di circa un mese. L’acqua di lavaggio viene recuperata e le sostanze inquinanti in essa contenute vengono eliminate.
L’obiettivo principale di questo studio, condotto dagli ingegneri di EOLIOS, è analizzare le velocità e le traiettorie dell’aria all’interno della stazione per determinare se i dispositivi installati sulle piattaforme sono efficaci nel catturare le particelle fini presenti nell’atmosfera. Questo progetto è di grande importanza, in quanto mira a controllare gli specifici fenomeni aeraulici che si verificano sulla piattaforma della stazione. A tal fine, lo studio si concentrerà sull’applicazione della modellazione CFD per esplorare in dettaglio i principi aeraulici inerenti al flusso d’aria generato dal passaggio dei treni sotterranei.
Audit in loco
Audit dei movimenti d'aria e della concentrazione di polveri sottili all'arrivo dei treni della metropolitana in stazione
L’obiettivo della verifica è quello di effettuare una serie di misurazioni per studiare i movimenti d’aria associati all’arrivo delle metropolitane nella stazione. Allo stesso tempo, mira a valutare la concentrazione di particelle sottili nell’aria. Queste indagini saranno effettuate esclusivamente sulle piattaforme e nell’area tecnica della piattaforma.
Analisi delle velocità del flusso d'aria nelle stazioni della metropolitana: studio dell'effetto dei treni in transito sul flusso d'aria
Gli ingegneri di EOLIOS hanno osservato che le velocità della corrente d’aria variano in base alla direzione del treno, con ampiezze massime più basse quando il treno viaggia sul binario opposto. Queste velocità sono influenzate da fattori come il tempo di frenata e la potenza del treno. Inoltre, la riduzione della velocità dell’aria al passaggio del treno dipende dalla direzione in cui il treno si muove (arrivo o partenza dal binario) e dalla durata del passaggio. Va notato che le misurazioni, effettuate in prossimità dei binari nella zona di intervento, hanno comportato un significativo rallentamento dei treni per motivi di sicurezza, con conseguenti differenze rispetto alle normali condizioni di traffico.
Simulazioni CFD
Modellazione CFD della stazione della metropolitana e dei treni
La fluidodinamica computazionale (CFD) è un metodo numerico utilizzato per studiare i flussi di fluidi in determinati ambienti. Consente di risolvere numericamente le complesse equazioni che governano questi flussi, poiché non possono essere risolte analiticamente. Applicando la CFD agli edifici, possiamo ottenere le seguenti informazioni sulle velocità, le pressioni e le temperature dell’aria all’interno e intorno agli spazi di costruzione. Questo aiuta i progettisti a ottimizzare la ventilazione e la climatizzazione, tenendo conto di fattori quali la struttura dell’edificio, i guadagni di calore interni e i sistemi di climatizzazione, per garantire un comfort ottimale.
Per risolvere le equazioni differenziali parziali, dobbiamo definire le condizioni al contorno per il calcolo. Questi vengono stabiliti sulla base delle misurazioni in loco e delle informazioni fornite dal responsabile del progetto. Le condizioni al contorno determinano, in particolare, il tipo di pareti, i flussi (unidirezionali in entrata o in uscita), i parametri di velocità, portata o pressione statica media, nonché i coefficienti di superficie, se necessari per simulare il trasferimento di calore.
La maglia del modello, composta da circa 10 milioni di elementi fluidi strutturati ortogonali con affinamento nelle aree chiave, è essenziale per l’accuratezza dello studio, ma può comportare lunghi tempi di calcolo.
Il modello 3D della stazione è stato creato utilizzando i piani forniti e mostra la geometria semplificata del sito e dei suoi dintorni. Per garantire l’accuratezza delle misurazioni, i tunnel ai lati della stazione sono stati inclusi nella modellazione con una lunghezza sufficiente a evitare qualsiasi influenza delle condizioni al contorno del modello.
Inoltre, per studiare l’impatto del passaggio della metropolitana sulla termoaerodinamica della stazione, è stato creato un modello 3D specifico del treno della metropolitana. Questo approccio permette di esplorare in profondità le interazioni tra il treno e l’ambiente della stazione, contribuendo così a una migliore comprensione dei fenomeni termici e aeraulici in questo spazio.
Studio CFD dei movimenti d'aria nella stazione della metropolitana
Il passaggio del treno genera un disturbo duraturo nella sua scia. Questi disturbi mostrano che la velocità dell’aria segue una traiettoria tangente ai supporti, il che può essere vantaggioso date le loro caratteristiche.
In movimento, il carrello di atterraggio induce una resistenza aerodinamica nella parte posteriore. Quando un treno si muove, crea un’area di pressione in eccesso nella parte anteriore e un’area di pressione ridotta nella parte posteriore. Questo fa sì che l’aria fluisca dai lati del treno verso la parte posteriore per compensare la pressione negativa, aumentando la velocità dell’aria nella parte posteriore rispetto all’aria statica.
I piani di pressione illustrano la propagazione dell’onda di pressione causata dal treno in avvicinamento. Il flusso iniziale è da sinistra a destra, poi si inverte una volta che il treno è in stazione, soprattutto in testa al treno. La differenza di pressione alla testa del treno provoca un flusso d’aria attraverso il mezzo, anche se questo delta di pressione è di breve durata.
Modellazione CFD delle velocità dell'aria per un treno che entra in una stazione
La vorticità è un campo pseudo-vettoriale che descrive il moto rotatorio locale di un mezzo. Ci permette di identificare visivamente le aree di intensa turbolenza. I diagrammi di vorticità mostrano che le regioni vicine ai mezzi di comunicazione sono perturbate, soprattutto dopo il passaggio del treno.
Modellazione CFD degli effetti di vorticità per un treno che entra in una stazione
Ulteriori studi hanno permesso di definire con precisione i livelli di prestazione dei sistemi di cattura. Soluzioni di ottimizzazione, come lo sviluppo di deflettori ha migliorato la cattura delle particelle fini.
EOLIOS è quindi in grado di lavorare su casi di rilascio di particelle fini e di supportare i produttori nell’ ottimizzazione dei loro impianti e nella progettazione di prototipi.
Modellazione CFD degli effetti di vorticità nell'area del bacino idrografico
Ulteriori studi hanno permesso di definire con precisione i livelli di prestazione dei sistemi di cattura. Soluzioni di ottimizzazione, come lo sviluppo di deflettori ha migliorato la cattura delle particelle fini.
EOLIOS è quindi in grado di lavorare su casi di rilascio di particelle fini e di supportare i produttori nell’ ottimizzazione dei loro impianti e nella progettazione di prototipi.
Ulteriori lavori sulla dispersione di particelle fini nelle stazioni della metropolitana:
- Per approfondire l’argomento, si consiglia la lettura della tesi “Dispersion des particules issues du freinage des trains en stations souterraines” di Antoine Durand.
Video riassuntivo dello studio
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