Для того чтобы лучше понять и оценить достижения сегодняшнего дня, стоит обратиться к прошлому. Взгляд в прошлое позволит обнаружить поразительную картину чрезвычайно динамичного развития техники оборудования метрополитена с момента ее создания в нашей стране.
Основной задачей, стоявшей перед проектировщиками такого оборудования первого в стране метрополитена, было создание максимально благоприятных, комфортных условий как для сотен тысяч пассажиров, кратковременно находящихся в закрытом многокилометровом пространстве, так и для обслуживающего персонала, находящегося под землей в течение рабочего дня. Прежде всего весьма благоприятной, соответствующей санитарным требованиям, должна быть воздушная среда в тоннелях, на станциях, в вестибюлях, в служебных помещениях. Это обеспечивается системами тоннельной и местной вентиляции, отоплением, водоснабжением и капализацией как технологического, так и хозяйственно-бытового и санитарного назначения.
Сотни тысяч людей, находящихся в тоннелях, расположенных на многометровой глубине, под значительным гидростатическим давлением грунтовых вод, должны быть надежно защищены от воздействия воды. Такая защита обеспечивается путем надежного водоотвода, дренажа и водоотлива в городскую систему ливневого стока.
Все основополагающие требования нужно было воплотить в реальные устройства, которые неограниченно долго поддерживали бы заданный эксплуатационный режим.
В 1932 г. проектированием сооружений и устройств метрополитена занимался технический отдел Метростроя, проектная часть которого в июне 1933 г. была преобразована в специализированную организацию Метропроект. Проектированием теплосантехнических устройств занималась группа из восьми человек, включая автора статьи. Возглавлял группу талантливый, опытный и инициативный инженер А. X. Поляков.
Подробной технической документацией по теплосантехническим устройствам зарубежных метрополитенов группа не располагала. И хотя в 1933 г. из США приехали консультанты, в числе которых было два специалиста в области теплосантехники — инженеры Г. Веллер и С. Ротбарт, необходимой практической помощи они не оказали. Климатические, гидрогеологические и технологические условия строительства Московского метрополитена существенно отличались от американских, и рекомендации специалистов в основном не соответствовали нашим техническим и социальным требованиям.
Термодинамические расчеты, полностью подтвердившиеся в процессе эксплуатации метрополитена, показали, что на 1 пог. м двухпутной трассы тоннелей метрополитена при максимальных размерах движения из электроэнергии, расходуемой на все виды эксплуатации, выделяется около 1000 ккал/ч тепла. Если не принимать эффективных мер по вентиляции, то это количество тепла, с учетом подогрева конструкций тоннелей и окружающих их грунтов, за 10 ч нагрело бы воздух в тоннелях до 40°С. Расчеты показали крайнюю важность системы тоннельной вентиляции также и для технологических целей.
К выявлению и исследованию основных принципов вентиляции метрополитена, а также к анализу рекомендаций консультантов из США был привлечен Центральный аэрогидродинамический институт (ЦАГИ), в числе сотрудников которого были ученики Н. Е. Жуковского профессор К. А. Ушаков и инженер И. О. Керстен. Вместе с ними было проработано несколько вариантов схем тоннельной вентиляции метрополитена, причем часть ее элементов была испытана в аэродинамической трубе. В результате этой работы, на основании проведенных оригинальных расчетов и экспериментальных исследований, впервые в мировой практике была разработана и принята к осуществлению основная система тоннельной вентиляции, объединенная между станциями и перегонными тоннелями,— система механического побуждения и реверсивного действия.
Согласно этой системе в теплый период года наружный воздух подается на станции, проходит по перегонным тоннелям и из них удаляется наружу. Проходя через тоннели метрополитена, наружный воздух поглощает часть выделяющегося в них тепла, захватывает вредные газы и пыль. Оставшаяся часть тепла поступает в грунты, окружающие тоннели, и в теплый период года нагревает их. В холодный период года система вентиляции реверсируется — изменяет направление действия, и наружный, холодный воздух подается в перегонные тоннели, охлаждает грунты, окружающие тоннели, до материковых — естественных — температур, поглощает выделяющееся в тоннелях тепло, вентилирует перегонные тоннели и станции и, подогретый поглощенным теплом, поступает на станции, откуда удаляется на поверхность.
Для этой системы предусматривались вентиляционные шахты на каждой станции и по одной на каждом перегоне между станциями. Как правило, в качестве вентиляционных используют шахты, через которые выполнялись горно-строительные работы при сооружении станций и тоннелей. На поверхности эти шахты оформляют вентиляционными киосками с жалюзийными решетками. Под землей перегонные шахты соединяются ветиляционными тоннелями с путевыми тоннелями, а станционные шахты — с подплатформенными вентиляционными каналами, которые в свою очередь соединены вертикальными вентиляционными каналами в пилонах станций с объемом станций. Воздух, подаваемый с поверхности в тоннели и удаляемый из тоннелей наружу, перемещается по станциям и тоннелям под совместным воздействием вентиляторов и поршневого эффекта движущихся поездов. Разработанная система тоннельной вентиляции была применена на участках глубокого заложения первой очереди Московского метрополитена.
На участках мелкого заложения, учитывая близкое расположение их тоннелей к поверхности, в целях сокращения капитальных и эксплуатационных затрат для станций применили самостоятельную реверсивную систему вентиляции с механическим побуждением, а для перегонных тоннелей — систему вентиляции с естественным побуждением и использованием поршневого эффекта движущихся поездов. Для этого на поверхности вдоль трассы перегонных тоннелей через 100—150 м расположили вентиляционные киоски, соединенные вентиляционными каналами с путевыми тоннелями. Однако опыт эксплуатации показал крайнюю сложность и несовершенство такой системы, и в дальнейшем на линиях мелкого заложения применялась та же система вентиляции, что и на участках глубокого заложения, полностью оправдавшая себя в том и в другом случаях.
Одними из ответственных вопросов были выбор наиболее целесообразного типа вентиляторов и определение их количества для каждой вентиляционной камеры. Технико-экономический анализ, основанный на учете специфических аэродинамических свойств системы тоннельной вентиляции, связанной с поршневым действием движущихся по тоннелям поездов, показал, что вентиляторы должны иметь сравнительно большую производительность — 75 тыс.— 200 тыс. м3/ч, а количество вентиляторов, параллельно работающих в каждой камере, как правило, следует принимать равным двум. Вентиляторы должны быть малогабаритными, с высоким КПД и давать возможность обеспечивать реверсирование потока воздуха. В зарубежных метрополитенах в то время применялись в основном центробежные вентиляторы, устанавливаемые по два — четыре в каждой вентиляционной камере. Тщательная проработка вопроса совместно с сотрудниками ЦАГИ показала, что зарубежный опыт недостаточно обоснован и для заданных условий эксплуатации больше всего подходят вентиляторы осевого типа.
Отечественная промышленность подобных вентиляторов не изготовляла. Вместе с сотрудниками ЦАГИ мы разработали новый тип осевого двухступенчатого вентилятора с направляющими аппаратами трех моделей. Применение таких вентиляторов для метрополитена полностью оправдало себя в эксплуатации. На основании нашего опыта в зарубежных метрополитенах также начали применять данный тип вентиляторов. В процессе проектирования новых линий метрополитенов осевые вентиляторы постоянно совершенствовались, в связи с чем на линиях второй — пятой очередей Московского метрополитена были внедрены еще три конструкции осевых вентиляторов. Постоянно повышался КПД вентиляторов. В последней конструкции он достиг значения 0,81.
Общим недостатком были особенности конструкции, не позволявшие осуществить переход на дистанционное управление вентиляторами. Совместно с ЦАГИ были разработаны новая аэродинамическая схема и конструкция унифицированного осевого реверсивного двухступенчатого вентилятора типа ВОМД-24, обеспечивающего реверсирование потока воздуха и возможность перекрытия сечения вентилятора дистанционно, без применения дополнительных клапанов, что сокращает размеры вентиляционной камеры и дает максимальный КПД — 0,84. С 1970 г. отечественная промышленность изготовляет такие вентиляторы и поставляет их всем метрополитенам Советского Союза. В конструкции вентилятора был воплощен целый ряд новых идей, в том числе из области аэродинамики.
Местная вентиляция, т. е. вентиляция отдельных помещений и сооружений, осуществлялась на первой очереди Московского метрополитена путем забора воздуха центробежными или осевыми вентиляторами, как правило, из объема станций или перегонных тоннелей, очистки этого воздуха от пыли на фильтрах и подачи его в эти помещения или сооружения по распределительным воздуховодам. В случае отсутствия в помещениях тепловыделения и при необходимости подогрева воздуха выше температуры окружающих грунтов воздух подогревался на электрокалориферах.
На последующих очередях строительства метрополитена местная система вентиляции усовершенствовалась. Для охлаждения воздуха в помещениях, где было большое тепловыделение, помимо приточно-вытяжной начали применять рециркуляционную систему вентиляции с охлаждением воздуха на поверхностных воздухоохладителях артезианской водой или автономными кондиционерами.
Для отопления отдельных подземных помещений и сооружений было решено использовать электропечи и электрорадиаторы промышленного производства, а для отопления наземных вестибюлей и подземных помещений — водяное отопление. Так как к моменту проектирования и строительства первой очереди Московского метрополитена городских и районных теплосетей в Москве было очень мало, то основным источником тепла стали местные котельные при вестибюлях. В дальнейшем, после развития в Москве городских и районных теплосетей, местные котельные были ликвидированы, и системы водяного отопления вестибюлей были присоединены к общим сетям. Для предотвращения в холодное время года охлаждения вестибюлей из-за поступления в них через двери наружных потоков воздуха в тамбурах было установлено оборудование для создания воздушно-тепловых завес, эксплуатация которого полностью себя оправдала.
Учитывая возможность, даже при самом тщательном выполнении гидроизоляционных работ, проникновения в тоннели грунтовых вод, аварийных вод различного происхождения, а также необходимость мытья тоннелей, было предусмотрено создание на станциях, в перегонных тоннелях ,и в отдельных сооружениях системы водоотвода. Она была осуществлена путем устройства специальных открытых лотков или труб с приемными колодцами. Трасса тоннелей прокладывалась е минимальным уклоном 3% о. В пониженных точках трассы были сооружены водоотливные установки с насосами для приема в водосборники сточных вод и выкачивания их на поверхность, в городскую дождевую канализацию. В основных и местных водоотливных установках было предусмотрено использование горизонтальных и самозаливных вертикальных насосов. В то время отечественная промышленность не изготовляла вертикальных насосов. Мы разработали технические задания, по которым заводы изготовили насосы для Метростроя.
Для удаления сточной жидкости от санитарных узлов и медпунктов наиболее совершенной с медико-санитарной точки зрения была признана пневматическая система, полностью автоматизированная. Эта система была использована на станциях первой очереди строительства.
Однако из-за необходимости применения резервуаров с давлением сжатого воздуха от 3 до 7 атм установки не удовлетворяли условиям техники безопасности, поэтому на следующих очередях строительства от них пришлось отказаться. Были запроектированы высоконапорные насосы для сточных вод, откачиваемых из специальных баков в городскую сточную канализацию. Этими насосами сейчас оборудуются все отечественные метрополитены.
Противопожарное, технологическое и хозяйственно-бытовое водоснабжение осуществляется на основе схемы, согласно которой от городского водопровода прокладывается ввод на станцию через лестничные сходы или эскалаторные тоннели, а размещенные под платформой станции трубы водопровода подводятся ко всем потребителям. На первой очереди строительства каждая станция имела самостоятельный водопровод. В дальнейшем в метрополитене Москвы и других городов Советского Союза было предусмотрено соединение водопроводов всех станций. В каждом перегонном тоннеле прокладывались трубы водоснабжения. Их подсоединяли к станционным водопроводам. К настоящему времени решена проблема снабжения медпунктов, санитарных узлов, душевых, расположенных при станциях, горячей водой от специально созданных электробойлерных или от систем теплоснабжения вестибюлей.
Итак, за короткий промежуток времени — между началом 1932 г. и концом 1934 г.— сравнительно небольшой коллектив инженеров-проектировщиков освоил совершенно новую специальность — специальность теплосантехника метрополитенов, разработал оригинальное оборудование, составил соответствующие рабочие чертежи и выдал технические задания промышленности, а также разработал принципы систем применения сжатого воздуха и замораживания грунтов, используемых при производстве проходческих работ. Инженеры и техники с большим творческим подъемом и энтузиазмом решали встающие перед ними задачи.
В 1950 г. Метропроект был реорганизован в институт Метрогипротранс. На основе накопленного богатейшего опыта решались новые сложные задачи, разрабатывалась документация по теплосантехнике следующих линий как Московского, так и других метрополитенов страны.
Учитывая климатические условия Харькова и Ташкента, в тоннельной вентиляции метрополитенов этих городов была предусмотрена система адиабатического охлаждения воздуха, поступающего с поверхности. В Харьковском метрополитене система должна вступить в действие к наращиванию максимальных размеров движения. В Ташкентском метрополитене она начала действовать с первых дней его пуска в эксплуатацию. Система позволяет значительно (на 10—12° С) снизить температуру подаваемого в тоннели наружного воздуха за счет испарения влаги при рециркуляции воды, с добавлением небольшого количества воды из наружных источников. Такая система является первой в мировой практике устройства тоннельной вентиляции метрополитенов. Ее применение в Ташкентском метрополитене полностью оправдало себя.
К новым интересным идеям, осуществленным в оборудовании метрополитенов, относятся выполняемые из пористого бетона глушители шума, возникающего при работе тоннельных вентиляторов; устройство для эжекции внутритоннельного воздуха на соединительных ветках между линиями метрополитенов, что дало возможность отказаться от сооружения вентиляционного шахтного ствола и обеспечить надежную вентиляцию тоннеля; использование наклонного эскалаторного тоннеля для вентиляции станций и др. Помимо повышения эффективности вентиляции это позволило достичь значительной экономии капитальных затрат на строительство метрополитена, упростить его эксплуатацию.
Кроме проектных работ институтом Метрогипротранс выполнено большое количество уникальных исследований в области теплосантехнических устройств. В их числе экспериментальное определение в натурных условиях впервые в мировой практике аэродинамического коэффициента трения в тоннелях с тюбинговой обделкой; изучение в натурных условиях явления совмещения работы вентиляторов тоннельной вентиляции и поршневого действия движущихся поездов; установление в тех же условиях аэродинамической и тепловой характеристики воздушно-тепловых завес на входах и выходах вестибюлей станций метрополитенов.
Большой теоретический, исследовательский, проектный и производственный опыт позволил специалистам института в области теплосантехнических устройств написать ряд специальных книг, широко используемых как в производственных, так и в учебных целях.