Analisi aria per la gestione della ventilazione forzata nelle gallerie stradali

1. Analisi aria per la gestione della ventilazione forzata nelle gallerie stradali A curadiNegherbon Luca Anno 2012 www.galleriasicura.com

2. Postazioni Base • Nelle gallerie stradali superiori a 1 km di lunghezza è obbligatorio un impianto di ventilazione aria forzata • Il sistema automatico di ventilazione forzata prevede due fasi di funzionamento: • Ventilazione sanitaria • Ventilazione in allarme “Incendio” In questa presentazione viene analizzata solo la I° e principale fase di ventilazione sanitaria www.galleriasicura.com

3. Nel normale esercizio di una galleria stradale la ventilazione forzata interviene quando la qualità dell’aria raggiunge livelli di valore inquinamento stabiliti ( valori di soglia ). Il moderno parco veicolare produce in tutte le condizioni di traffico un livello d’inquinamento molto basso, il livello dei gas tossici prodotto dai nuovi motori è ormai a livelli di concentrazione irrilevanti, ben lontani dalle soglie d’intervento. www.galleriasicura.com

4. La gestione della ventilazione forzata è essenzialmente gestita da due parametri fisici fondamentali e determinanti per la sicurezza in galleria : Visibilità dell’aria : (analizzatore usato : Opacimetro ) • la diminuzione della visibilità comporta un immediato innalzamento del livello di rischio di incidenti . E’ quindi fondamentale controllare e garantire la trasparenza dell’aria . Velocità e direzione flusso aria : (analizzatore usato : Anemometro) • per pilotare correttamente la ventilazione è importante conoscere la velocità e direzione dell’ aria prima dell’ avvio dei ventilatori per evitare di spingere contro flusso • Controllo delle masse d’aria in movimento durante la fase “Incendio” E’ comunque previsto il monitoraggi dei Gas CO ed NO per gli allarmi di tossicità,e nelle ultime Linee Guida finalmente si indica anche l’analisi dell’anidride carbonica (CO2) . www.galleriasicura.com

5. Opacimetro : principio di funzionamento L’opacimetro misura l’assorbimento della luce tra il trasmettitore e il ricevitore. Un raggio di luce a intensità nota viene emesso da un trasmettitore (TX) e viene captato da un ricevitore (Rx). Il rapporto tra l’ energia luminosa trasmessa ( I0) e quella misurata dal ricevitore (In) determina il livello di trasmittanza. ( Trasmittanza = In/Io) La distanza di misura tra Trasmettitore e Ricevitore di un opacimetro (passo di misura) è importante per : • Significatività della misura ( maggiore distanza = maggiore volume d’aria monitorata direttamente) • Errore strumentale ( l’errore degli opacimetri commerciali è del ± 1% sul valore della trasmittanza = 0.01 di T) • Maggiore distanza = minore errore relativo nel calcolo del fattore K www.galleriasicura.com

6. Determinazione della visibilità Il livello di visibilità ha come grandezza di misura il fattore K , che viene determinato con la seguente formula : Fattore K = - LN (T)/d1 Tx-Rx fattore K = 0 - la visibilità è massima fattore K = 15 (x10-3m-1) – la visibilità è nulla ( fondo scala strumento ) • Dove: • LN = logaritmo in base naturale • T= In/I0 ( T = 1 = massimatrasparenza --- T = 0 = trasparenzanulla) • d1 = distanza in misura tra sorgente luminosa(TX) e ricevitore (RX) - in metri La Trasmittanza si misura con uno strumento ottico denominato commercialmente OPACIMETRO o più scientificamente TRASMISSIOMETRO. www.galleriasicura.com

7. Esempio di calcolo del fattore K La I° soglia intervento ventilatori è normalmente a valore K = 3 x 10-3 m-1 Rapporto Trasmittanza misurata dall’opacimetro = 0,74 Distanza TX-RX= 100 m Calcolo Fattore K = -LN (0,74)/100 metri = 0,3/100 metri = 0,003 x m-1 Si scrive così: fattore K = 3 x 10-3m-1 In pratica il I° livello di soglia per la partenza dei ventilatori per la diluizione dell’aria inquinata partirà con una decadenza di Trasmittanza di circa il 30 % su 100 metri. Una sorgente luminosa distante 100 metri dai nostri occhi verrà percepita con un intensità di 2/3 rispetto al livello di visibilità ottimale. Ecco quindi che l’opacimetro percepisce la caduta di livello di visibilità e comanda al sistema di ventilazione un intervento di pulizia per riportare l’aria ad una trasparenza accettabile ( T = 0,9 ) www.galleriasicura.com

8. Determinazione della velocità e direzione dell’aria L’ambiente delle gallerie stradali è caratterizzato da un flusso d’aria che per effetto “pistone” dei veicoli è soggetto a repentine e continue variazioni di velocità e direzione . Per questo motivo si utilizzano anemometri ultrasonici, privi di parti in movimento ( tipo mulinello a coppe rotanti ) che s0no soggetti a inerzie meccaniche che influiscono con errori di analisi piuttosto importanti . Principio di misura Il principio di funzionamento del sistema è basato sulla misura del tempo di transito necessario a un segnale ultrasuonico ad effettuare il percorso fra un trasduttore e l'altro. Il tempo di transito fra il trasduttore A verso il B è confrontato con quello inverso fra B verso A. La differenza dei due tempi determinerà la velocità e direzione del flusso d’aria. Sono utlilizzati due tipi di anemometri ultrasonici : • A Barriera : i due trasduttori sono montati sulle due pareti opposte della galleria con un inclinazione rispetto all’asse della strada di 45°. L’analisi avviene su un percorso di circa 11- 14 metri. • Puntiforme : i due trasduttori sono montati su un unico box compatto e l’analisi avviene nel breve percorso tra di essi ( L = circa 20 cm) schema anemometro a barriera Schema anemometro puntiforme www.galleriasicura.com

9. Ovviamente il I° sistema è più rappresentativo nella misura poiché analizza tutti i profili di velocità che compongono il flusso d’aria nella galleria. Il processo automatico della ventilazione è caratterizzato da tempistiche di intervento piuttosto lunghe, la reazione di inversione direzione e le varie fasi di ventilazione sono nell’ordine dei minuti ( da 5 a 15 minuti) e non prevedono fino ad ora delle regolazioni spinte , infatti si prevedono step a gruppi di ventilazioni. In pratica si è provato che entrambi gli anemometri forniscono un dato più che significativo e rappresentativo per il controllo di processo automatico di ventilazione forzata nelle gallerie. Nelle gallerie con morfologia complessa e variegata, con by pass e/o svincoli con tunnel laterali, disimpegni o aree di emergenza con sezioni particolarmente difformi dalla sezione principale della galleria si consiglia di utilizzare il sistema a barriera. Distribuzione delle velocità dell’aria (u) www.galleriasicura.com

10. Analisi Gas Tossici : CO - NO Negli ultimi 10 anni la tecnologia e l’innovazione hanno fatto passi da gigante. Nel trasporto su gomma l’evoluzione dei motori, ha portato sempre più all’ottimizzazione della combustione, con risparmio energetico e riduzione degli inquinanti nell’atmosfera. La concentrazione del gas CO, prodotto secondario della combustione, sia nei motori a benzina che diesel è stata ridotta drasticamente: un veicolo con motore di ultima generazione produce al massimo 1-2 gr/Km di CO, contro i 30-35 gr/Km prodotti dai vecchi motori precedenti agli anni 89’. Da un indagine approfondita in moltissime gallerie si è constatato che la ventilazione forzata viene attivata esclusivamente dal raggiungimento del livello di soglia fornito dall’opacimetro, poiché la concentrazione media del monossido di carbonio rimane sempre a valori molto al di sotto del livello di soglia. Si può concludere che oggi l’analisi della CO nelle gallerie stradali ha importanza per il controllo di ALLARME TOSSICITA’ ma è poco significativo per la gestione automatica della ventilazione forzata. Lo stesso discorso vale per NO, monossido di azoto. www.galleriasicura.com

11. Gas di Combustione (H2O - CO2) • La combustione è una reazione chimica esotermica tra un comburente e ossigeno, i prodotti base stechiometrici risultanti sono acqua (H2O) e anidride carbonica ( CO2). • Per quanto si ottimizzi una combustione è impossibile ridurre la quantità dei prodotti principali legati ai calcoli stechiometrici della reazione base di combustione . • Il tenore di anidride carbonica è quindi rappresentativo del livello di traffico veicolare in galleria, • indipendentemente dalla tipologia di motore è inoltre significativo in caso d’incendio, che produce ingenti quantità di gas. • Il campo di misura dell’anidride carbonica è da 0 a 5 % in volume di CO2. • La soglia utilizzata è definita di “malessere” negli ambienti industriali e del 0,25 % • Da prove effettuate si è dimostrato che il controllo del tenore di Anidride Carbonica è rappresentativo e proporzionale al traffico veicolare, infatti anche una utilitaria produce anidride carbonica nell’ordine di “etti” a chilometro . Molecola anidride carbonica Molecola dell’acqua www.galleriasicura.com

12. Disposizione dei sensori in galleria Sezione galleria www.galleriasicura.com