Uno dei sistemi di sicurezza più importanti in una linea metropolitana in sotterraneo è il sistema di ventilazione. In generale, questo consiste nei pozzi di ventilazione deputati al controllo della ventilazione nei tratti di galleria (TVS) e negli eventuali sistemi meccanici di smaltimento fumi e calore in stazione.
Gli standard nazionali (DM 2015) e internazionali (NFPA 130) fissano dei requisiti per la progettazione di tali sistemi. La strategia di ventilazione consiste nel creare, in tutti i casi, un ambiente vivibile per i passeggeri perché possano abbandonare l’infrastruttura senza entrare in contatto con i prodotti della combustione.
Tipicamente, la progettazione si avvale di strumenti della fluidodinamica computazionale:
- simulazioni fluidodinamiche (1D) per determinare l’andamento nel tempo della portata d’aria da realizzare in galleria;
- simulazioni fluidodinamiche (CFD 3D) per monitorare le condizioni di vivibilità lungo i percorsi di esodo in stazione.
Prima della messa in esercizio dell’infrastruttura può essere necessario, in funzione delle richieste della Committenza, verificare sul campo che quanto realizzato ottenga gli obiettivi di sicurezza. La validazione può riguardare la sola parte in galleria o l’intera infrastruttura, inclusi i sistemi delle stazioni.
Le prove sono svolte in assenza dell’incendio in modo da non provocare danni all’infrastruttura. Proprio per questo motivo, vanno sotto il nome di cold flow test.
La validazione del TVS
Il TVS è costituito da vari componenti elettromeccanici come motori, ventilatori, serrande, condotti, attuatori, ecc.. Questi componenti lavorano insieme, utilizzando un sistema di controllo integrato, per realizzare la portata desiderata in galleria in varie condizioni operative.
Il criterio di dimensionamento del TVS in galleria si basa sul concetto di velocità critica. Il sistema di ventilazione deve essere in grado di realizzare in condizioni stazionarie, quando l’incendio ha raggiunto il valore massimo della potenza, la velocità dell’aria che consente di piegare il plume del fuoco a valle dell’incendio lasciando una via libera da fumi a monte. La validazione a freddo è svolta seguendo la procedura di seguito illustrata:
- si individuano dei punti specifici lungo alcune intertratte su cui effettuare la misura della velocità dell’aria in vena:
- la misura (cold flow test) in campo è svolta in modo sperimentale attraverso una specifica strumentazione descritta in dettaglio nel seguito;
- la misura è riprodotta utilizzando il modello fluidodinamico impiegato in fase di design ma sotto le stesse condizioni delle prove a freddo (cold flow simulations);
- i risultati ottenuti in via sperimentale e attraverso le simulazioni 1D sono messi a confronto. I test, eseguiti in assenza della forzante dovuta all’incendio, permettono di verificare la capacità del sistema di ventilazione di realizzare un certo valore di portata in vena tenendo conto delle perdite di carico di tutto il circuito aeraulico del sistema di ventilazione (serrande, curve, cambi di sezione, ecc.) e delle perdite di carico del sistema galleria.
La scelta dei punti di misura
Per individuare i punti in cui effettuare le misure lungo i tratti di tunnel, si fa riferimento ai risultati ottenuti mediante le simulazioni fluidodinamiche 1D di design considerando la sorgente termica del fuoco. Tipicamente, sono scelte le intertratte rappresentative ai fini del dimensionamento. Ad esempio, l’intertratta di lunghezza maggiore o quella caratterizzata dalla maggiore pendenza.
L’effetto di bloccaggio del treno
Le prove in campo possono essere svolte senza o con la presenza di un treno lungo l’intertratta per verificare se il sistema di ventilazione ha la capacità di vincere anche la caduta di pressione dovuta all’effetto di bloccaggio del treno.
Il sistema di misura
Il profilo di velocità dell’aria sulla sezione trasversale del tunnel ha una forma tipicamente parabolica. Al fine di realizzare una misurazione che riproduca accuratamente il profilo di velocità nella sezione della galleria corrispondente alla coordinata longitudinale scelta per la misura, è opportuno prevedere un sistema così articolato:
- una base mobile che può essere movimentata lungo i binari; la base ospita una struttura che può ospitare più punti di misura mediante tubi di Pitot;
- un sistema di acquisizione dati mediante datalogger.
Il posizionamento dei tubi di Pitot deve essere definito tenendo conto dell’effetto dell’attrito delle pareti e della caduta di velocità vicino alle pareti del tunnel (regola di Tchebycheff). Un riferimento è rappresentato dalle Linee Guida incluse in “ASHRAE Fundamentals Handbook, 2013, Chapter 36: Measurement and Instruments”.
L’analisi comparativa
I valori di velocità ottenuti mediante simulazioni 1D a freddo sono messi a confronto con la velocità media determinata sulla base del profilo di velocità misurato in campo.
L’assenza della spinta di galleggiamento dei fumi caldi opposta alla direzione di ventilazione, fa sì che i valori di velocità rilevati nelle prove a freddo siano più alti dei valori ottenuti in fase di design dalle simulazioni 1D con incendio.
Quello che conta è però che i valori ottenuti sperimentalmente e quelli ottenuti a calcolo a freddo siano consistenti, ovvero che differiscano di una percentuale molto contenuta (5-10%).
Se questo si verifica, significa che il dimensionamento è stato sviluppato correttamente e che il sistema di ventilazione è in grado di realizzare le prestazioni di progetto.
La validazione del sistema di ventilazione di stazione
La validazione consiste nel verificare che il sistema di ventilazione di stazione riesca a mantenere i percorsi di esodo degli utenti liberi da fumi. I test sono condotti impiegando fumo bianco (fumo di scena) riscaldato con appositi bruciatori per conferire un’appropriata spinta di galleggiamento. La procedura di validazione segue dal punto di vista metodologico e concettuale quanto descritto a proposito della parte in galleria, con alcune precisazioni.
Per la parte in galleria, dove il criterio di accettabilità si basa sulla velocità dell’aria, l’esecuzione delle prove in campo a freddo non presenta delle limitazioni ai fini della verifica prestazionale del sistema.
Per le stazioni, invece, dal momento che è necessario impiegare fumi riscaldati, occorre tenere presente le difficoltà legate alla riproduzione della spinta di galleggiamento. Il limite realizzativo è costituito dall’esigenza di non esporre gli allestimenti della stazione ad alte temperature dei gas dei bruciatori.
La prestazione che viene monitorata è lo strato libero da fumi sui percorsi di esodo mentre tutti i sistemi che fanno parte integrante della strategia antincendio sono in funzione in accordo alla cronologia degli eventi prevista.
La validazione è svolta seguendo la procedura di seguito illustrata:
- si individuano dei punti specifici lungo la banchina dove posizionare la sorgente di fumo:
- la misura in campo (cold smoke test) è svolta in modo sperimentale attraverso una specifica strumentazione descritta in dettaglio nel seguito;
- la misura è riprodotta utilizzando il modello fluidodinamico CFD 3D impiegato in fase di design sotto le stesse condizioni di prova (cold smoke simulations);
- i risultati ottenuti in via sperimentale e attraverso le simulazioni CFD 3D sono messi a confronto.
Il sistema di misura
Il sistema di misura si compone di:
- un generatore di fumi freddi;
- un bruciatore per scaldare i fumi;
- una rete di termocoppie installate in prossimità delle superfici esposte ai fumi riscaldati al fine di monitorarne l’andamento di temperatura e mantenerle entro soglie di sicurezza definite;
- sistemi di videoregistrazione collocati in modo da restituire l’andamento nel tempo della diffusione dei fumi nell’ambiente.
Il sistema di misura va calibrato in campo al fine di individuare il valore massimo di potenza termica realizzabile senza che i valori di temperatura dei fumi siano tali da poter danneggiare gli arredi e gli allestimenti della stazione.
I dati messi a punto durante la fase di calibrazione costituiscono i valori di input per le cold flow simulations.
L’analisi comparativa
Mettendo a confronto i patterns dei fumi ottenuti dalle videoregistrazioni con quelli registrati attraverso le simulazioni CFD è possibile avere delle utili indicazioni sul comportamento complessivo del sistema con particolare riferimento alla strategia di sicurezza.
L’aspetto importante, al netto delle limitazioni di carattere fisico, è che tali prove permettono di testare il complesso della strategia a partire dal sistema di rilevazione, i transitori di attivazione del sistema di ventilazione e l’intera catena di sistemi che compongono il sistema di estrazione fumi (serrande, canali, ecc.).
Conclusioni
La metodica illustrata per la parte in gallerie può ritenersi consolidata. Chi scrive ha partecipato a numerosi progetti internazionali in cui essa è stata impiegata. Come già detto sopra, i cold flow test in stazione sono affetti da forti limitazioni e costituiscono ad oggi un ambito di ricerca e non possono essere pertanto ritenuti una metodica consolidata.
Costituiscono, però, lo stato dell’arte e possono fornire comunque delle indicazioni preziose per meglio comprendere il comportamento del sistema prima della messa in esercizio.
Chi scrive ha partecipato a prove di questo tipo sia in Italia che all’estero all’interno di team multidisciplinari fatti da specialisti nello spirito di fornire alla Committenza contributi comunque rigorosi.
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