אוורור וסינון אוויר במנהרות תחבורה

מערכות אוורור וסינון אוויר במנהרות תחבורה (רכבת וכביש) הן מרכיב הנדסי קריטי וחיוני, המשרת שתי מטרות ראשיות: בקרת איכות אוויר יומיומית והבטחת פינוי עשן ותנאי שהייה סבירים במצבי חירום. תכנון מערכות אלה דורש גישה רב-תחומית המשלבת עקרונות תרמודינמיים, הידרודינמיים ואוטומציה, תוך עמידה בתקנים בינלאומיים מחמירים הממוקדים בבטיחות אש ובהיגיינה תעשייתית.

1. הצורך ההנדסי והאתגרים הסביבתיים

מנהרה היא מרחב סגור שבו נפלטת כמות משמעותית של מזהמי אוויר (Pollutants) ונוצר עומס חום (Heat Load). במנהרות כביש, המקור העיקרי לזיהום הוא מנועי רכב, הפולטים גזים כגון פחמן חד-חמצני ($CO$), תחמוצות חנקן ($NO_x$) וחלקיקים מרחפים ($PM$). במנהרות רכבת, העומס נובע בעיקר מפליטת חום מהקטרים (במערכות דיזל), מהחיכוך של הרכבת עם המסילה ומהרכיבים החשמליים.

האתגרים המרכזיים:

פרסום

• בקרת זיהום: שמירה על ריכוזי מזהמים מתחת לרמה המותרת (Threshold Limit Values – TLV) כדי למנוע סכנות בריאותיות לנוסעים ולצוותי תחזוקה.
• ניהול עשן: במקרה של שריפה, המערכת חייבת לשלוט בזרימת העשן (Smoke Control) כך שינותב הרחק מנתיבי המילוט (Egress Paths) ויאפשר לכוחות החירום לפעול.
• אורך המנהרה וחתך רוחב: פרמטרים אלו מכתיבים את סוג מערכת האוורור ואת הספיקות הנדרשות. ככל שהמנהרה ארוכה יותר, כך גדל הצורך בפתרונות אוורור מורכבים יותר.

2. טכנולוגיות אוורור עיקריות

תכנון מערכת אוורור מותאם לכל מנהרה על בסיס ניתוח דינמי של נוזלים חישוביים (Computational Fluid Dynamics – CFD), המדמה תרחישי זרימה, פיזור מזהמים והתפתחות עשן.

א. אוורור יומיומי (Quality Air Ventilation)

ב. סינון אוויר מתקדם (Air Filtration)

במנהרות עם עומסי תנועה גבוהים או בקרבת אזורים רגישים, נדרשת התקנת תחנות סינון חלקיקים וגזים. פתרונות אלו כוללים:

1. מסנני חלקיקים ($PM$): שימוש במסננים אלקטרוסטטיים או מסנני סיבים בעלי יעילות גבוהה (HEPA או דומים) להפחתת חלקיקים נשימים.
2. מסנני גזים: שימוש בפחם פעיל או מצעי ספיחה כימיים לסילוק $NO_x$ ו-$CO$ לפני פליטת האוויר לסביבה החיצונית דרך ארובות גבוהות.

3. היבטי בטיחות אש ותקנים מחייבים

תפקידה הקריטי של מערכת האוורור הוא לשמור על תנאי שהייה סבירים (Tenability) במהלך אירוע אש, כך שניתן יהיה לבצע פינוי בטוח.

א. תקנים בינלאומיים מרכזיים:

• NFPA 130 (Standard for Fixed Guideway Transit and Passenger Rail Systems): תקן אמריקאי המתמקד במערכות רכבת. הוא קובע דרישות קפדניות למערכות אוורור חירום ברכבות תחתיות ובמנהרות נוסעים, כולל דרישות לגבי אזורי אוורור (Ventilation Zones) וספיקות האוויר הנדרשות לשליטה בעשן.
• NFPA 502 (Standard for Road Tunnels, Bridges, and Other Limited Access Highways): תקן אמריקאי מקביל המתמקד במנהרות כביש.
• PIARC (World Road Association): מספקת הנחיות גלובליות לתכנון וחישוב מערכות אוורור במנהרות כביש.

פרסום

ב. ניהול עשן בחירום:

בזמן שריפה, מערכת האוורור מופעלת במצב אוורור חירום (Emergency Ventilation), שבו המפוחים פועלים בעוצמה גבוהה כדי ליצור "משיכה" או "דחיפה" של העשן. הגישה הרווחת היא ליצור זרימת אוויר מכוונת (Directional Airflow) המבודדת את מוקד האש ושומרת על נתיבי המילוט נקיים מעשן ומהחום.

• מפוחים דו-כיווניים (Reversible Fans): מאפשרים לשנות את כיוון זרימת האוויר במהירות, בהתאם למיקום האירוע ולשיקול דעת מפקד האירוע (Incident Commander).

4. בקרה ואוטומציה (SCADA)

הפעלת מערכות האוורור והסינון מתבצעת באמצעות מערכות בקרה ממוחשבות מרכזיות (SCADA – Supervisory Control and Data Acquisition). מערכות אלו מקבלות נתונים בזמן אמת מ:

• חיישני גזים: למדידת ריכוזי $CO$ ו-$NO_x$.
• חיישני אופטיקה: לניטור עשן ועכירות (Visibility).
• חיישני חום ומהירות רוח: לחישוב זרימת האוויר והטמפרטורה.

הנתונים משמשים להפעלת המפוחים והדמפרים באופן אוטומטי ודינמי, כדי לשמור על איכות האוויר הנדרשת בשגרה, או לעבור למודל חירום מוגדר מראש תוך שניות בודדות.

תכנון אוורור וסינון אוויר במנהרות תחבורה הוא דיסציפלינה הנדסית מתקדמת המשלבת טכנולוגיות מתחום האווירודינמיקה, הנדסת כיבוי אש ומערכות בקרה חכמות. היכולת לשלוט בזרימת האוויר, לפנות מזהמים ולנהל עשן ביעילות היא קריטית לשמירה על שלומם של הנוסעים והעובדים, ומבטיחה את ההמשכיות התפעולית של התשתית. העתיד בתחום צפוי לכלול אינטגרציה עמוקה יותר עם מערכות IoT ובינה מלאכותית, לשיפור יכולות הניבוי והתגובה של מערכות האוורור.