DET TEKNISK-NATURVITENSKAPELIGE FAKULTET
BACHELOROPPGAVE
Studieprogram/spesialisering:
Elektro Ingeniør
Studieretning industriell automatisering Vår semesteret, 2016 Åpen
Forfatter: Tommy Dolmen,
Knut-Eirik Lunden TOMMY DOLMEN, KNUT-EIRIK LUNDEN
(signatur forfatter)
Fagansvarlig: Arne Rettedal Veileder(e): Ståle Freyer
Tittel på bacheloroppgaven: Optimalisering av ventilasjonsstyring i Byhaugtunnelen
Engelsk tittel: Optimal ventilation controlling in Byhaugtunnelen
Studiepoeng:20
Emneord: Byhaugtunnelen, ventilasjon, styring, PLS, sikt, svevestøv
Sidetall: 38
+ vedlegg/annet: Zip-fil med 4 filer
Stavanger, 13.05.2016 dato/år
Ventilasjon og svevestøv i Byhaugtunnelen
Figur 1:https://www.sprell.no/produkt/tunnel-med-lyd-til-brio-togbane
Bacheloroppgave vår 2016 UIS
Tommy Dolmen & Knut-Eirik Lunden
Forord
Bacheloroppgaven er skrevet som avsluttende oppgave til bachelorstudiet Elektro ved Universitetet I Stavanger og representerer 15 studiepoeng.
Denne oppgaven er skrevet våren 2016
Arbeidet med denne oppgaven har vært en lærerik og krevende prosess hvor vi har gjort oss spennende og verdifulle erfaringer vi vil ta med oss videre.
Oppgaven ble gitt av Statens vegvesen grunnet problemer med svevestøv/sikt i Byhaugtunnelen.
Vi vil takke vår kontaktperson i Statens vegvesen, Gaute Lunde Dirdal som har vært til stor hjelp i løpet av denne prosessen og gitt oss den informasjonen og oppfølgingen vi har hatt bruk for til enhver tid.
Vi vil også takke våre veiledere på Fakultetet; Arne Rettedal og Ståle Freyer som har gitt oss konstruktive tilbakemeldinger og forslag til forbedringer.
1
Sammendrag
Det har blitt gjort svevestøvs målinger (PM10) i Byhaugtunnelen i perioden Desember 2015 til Januar 2016. Resultatene har blitt analysert med hensyn på værdata og dagens ventilasjonsstyring, for å kunne lage et antatt bedre styringsprogram for ventilering av svevestøv.
Det er flere usikkerheter rundt svevestøvs målingene på grunn av oppvirvling og forflytning av svevestøv på steder i tunnelen hvor det ikke blir gjort målinger. Det er kun ett
målingspunkt inne i tunnelen, men det har blitt satt opp en midlertidig støvmåler på utsiden av tunnelen for å kunne danne et bedre bilde av støvets bevegelse. Statens Vegvesen ønsker å ha en fast ventilasjonsretning mot Tasta, på grunn av brannsikkerhet.
Det har derfor ikke blitt tatt hensyn til trafikkbildet i ventilasjon styringen.
I det nye programmet er det fjernet en del tilfeldigheter som kan ha vært opphav til dårlig ventilering. De fire viftene vil bli kjørt parvis, og ikke i fire forskjellige trinn slik som det har blitt gjort til nå. Grenseverdiene for oppstart av ventilasjonen har blitt hevet for å redusere unødvendig oppstart av vifter, og forhåpentligvis også gi mer representative målinger ved siktsensoren. Etter ønske fra Statens Vegvesen har det blitt lagt inn en minimums driftstid på 30 minutter hver gang ventilasjonen starter. Implementeringen av det nye programmet vil bli gjort i sommerhalvåret 2016, og en vil på grunn av usammenlignbare forhold i årstidene ikke kunne teste for eventuelle forbedringer i ventilasjonen før vinteren 2016/2017.
Selv om den subjektive opplevelsen av å kjøre igjennom Byhaugtunnelen har resultert i flere klager på dårlig sikt, er det nyttig å merke seg at de registrerte støvverdiene ved siktsensoren sjelden har gått over grensene som objektivt regnes som dårlig sikt.
2
Innholdsfortegnelse
Forord Sidetall
Sammendrag ______________________________________________________________________________ 1 1 Innledning___________________________________________________________________________ 3
1.1.1 Tunnelen____________________________________________________________________ 4 1.1.2 Viftene_______________________________________________________________________ 5 1.1.3 Siktsensor___________________________________________________________________ 6 1.2 Definisjoner ________________________________________________________________________ 8 1.3 Teori ________________________________________________________________________________ 9 1.3.1 Hva er svevestøv? _________________________________________________________ 9 1.3.2 Styrende parametere for ventilasjon i tunnel___________________________ 13 1.3.3 Støvdempende tiltak ______________________________________________________ 15
2 Forsøk og analyser_________________________________________________________________ 17 2.1.1 Værdataanalyse ___________________________________________________________ 18 2.1.2 Ventilasjonstest med ballonger __________________________________________ 21 2.1.3 Målinger fra portabel sensor______________________________________________ 26 2.1.4 Svevestøvskonsentrasjoner ved sprang i ventilasjon___________________ 28 2.2.1 Nytt PLS-program _________________________________________________________ 30 3 Resultater __________________________________________________________________________ 34 4 Konklusjon__________________________________________________________________________ 36 5 Vedlegg______________________________________________________________________________ 38 5.1.1 Referanseliste______________________________________________________________ 38
3
Figur 2:https://www.google.no/maps/@58.9739409,5.6965799,761m/data=!3m1!1e3?hl=en&hl=en
1 Innledning
Statens Vegvesen har både før og etter installasjonen av en siktmåler i Byhaugtunnelen mottatt klager på dårlig sikt. Den dårlige sikten er grunnet svevestøv som
ventilasjonsanlegget med nåværende innstillinger ikke klarer å håndtere.
Ventilasjonssystemet i tunnelen består av fire vifter, en CO-måler, og en siktmåler som er koblet opp mot en PLS for automatisk og/eller ekstern styring.
CO-sensoren er i praksis ubrukelig da det stort sett aldri er høye nok CO målinger til at ventilasjonsanlegget starter på grunn av den. CO utslipp fra biler er såpass godt regulert at det ikke lenger er en parameter som det blir tatt hensyn til ifølge Statens Vegvesens egen rapport: Etatsprogrammet moderne veitunneler 2008 – 2011 [4]
Siktmåleren er plassert ca. midt i tunnelen og ved hjelp av Vegvokteren (se definisjoner) er det mulig å ha en kontinuerlig overvåkning og loggføring av verdiene som blir målt. Det er i dag bare ett målepunkt i tunnelen og det er derfor vanskelig å vite om svevestøvet blir blåst helt ut eller om det bare forflytter seg oppover i tunnelen etter at ventilasjonen blir aktivert.
Det har for denne oppgaven blitt satt opp en portabel støvmåler ved tunnelmunningen på Tasta-siden for å se om det er mulig å få et tydeligere svar på dette. Det er også blitt gjort en test på ventilasjonens hastighet/kraft ved bruk av ballonger fylt med helium. Det er
ønskelig at det nye styringsprogrammet for ventilasjonen fjerner svevestøvet bedre og er mer energiøkonomisk.
4
1.1.1 Tunnelen
Byhaugtunnelen er en 638 meter lang tunnel som ligger på E39 på strekningen mellom Stavanger og Mortavika. Tunnelen har ett løp med to kjørebaner på 3,5 m, og en fri høyde på 4,6 m. Fra Stavanger går tunnelen med største stigning på 3,66%.
Tunnelen ble åpnet for trafikk 1. Oktober 1994 og hadde i 2014 - 2015 en årlig
trafikkmengde på 24000 i ÅDT (årsdøgntrafikk). Den ble planlagt og bygd etter datidens forskrifter, noe som innebærer at ikke alle krav til dagens sikkerhetsutrustning er
tilfredsstilt. Blant annet ville tunnelen etter dagens krav hatt to separate løp, noe som ville gjort ventilasjonsstyringen enklere .
Figur 3:Oversiktsbilde over oppbyggingen av Byhaugtunnelen.
5
1.1.2 Viftene
Figur 4: Viftetype VST 1000-9-4-TR
Fire impulsvifter av typen “VST 1000-9-4-TR” er installert i taket i tunnelen . Prinsippet for en impulsvifte er at den skyver inntilliggende luft mot avtrekket, i dette tilfellet
tunnelmunningen. Viften består av innløpstrakt, viftehjul, el. motor og viftehus med ledeskovler og montasjeføtter. (se datablad)
Hver enkelt vifte har en utblåsningshastighet på 20,6 m/s og skyvekraft på 650 N. Selve motoren har en ytelse på 18,5 kW og et turtall på 1450 o/min under drift. Viftene er symmetriske og blåseretning kan vendes. Å vende blåseretningen tar omtrent 10 – 15 minutter, så med tanke på brannsikkerhet må blåseretningen gå mot Tasta. Ved utrykning vil brannvesenet komme fra Stokka-siden av Byhaugtunnelen.
6
Figur Måleprinsipp
1.1.3 Siktsensor
Siktsensoren er laget av “SIGRIST Process- Photometer” og er av typen “VisGuard In-situ”
som trekker inn prøver av luften rundt. Ved hjelp av en lyskilde måler den intensiteten på det lyset som reflekteres av støvet i luftprøven.
Dette gjøres ved å måle forholdet mellom lysspredningen ved en 30o vinkel og det direkte overførte lyset. Denne metoden eliminerer effektene av mulige svingninger fra lyskilden og temperaturpåvirkninger på elektronikken.
Sensoren kan monteres direkte der hvor målingen skal foretas, såkalt In-situ. Man har også muligheten for å montere sensoren eksternt ved å legge rør ut til tunnelen som trekker inn prøver fra tunnelluften. Med denne eksterne metoden kan man også samle prøver
fra opptil 8 forskjellige steder i tunnelen. I Byhaugtunnelen er sensoren montert direkte på tunnelveggen i en vedlikeholds-nisje og tar alle målingene fra dette punktet.
Figur 5: Siktsensoren i tunnelen.
Figur 6: Måleprinsipp for siktsensoren.
7
Svekkelseskoeffisienten “K” er det vanligste målet for sikt ved tunnelventilasjon. Verdier for normal drift ligger typisk på Klim = 0,005 m-1 eller 5mE/m (miliextinction per metre) Ved en sikt på 12mE/m må tunnelen stenges av sikkerhetsmessige hensyn.
Siktsensoren i byhaugtunnelen gir verdier på hvor høy konsentrasjonen av støv er, i µg/m3, og dette tallet må derfor konverteres for å finne sammenhengen mellom de forskjellige grensene. Ut fra informasjon mottatt fra entreprenøren som har installert siktsensoren benyttes forholdet: 0 - 2 mg/m3 mot 0 - 15 mE/m.
E/m 0,003 0,007 0,009 0,012
Betydning Klar sikt Disig Tåkete Ukomfortabelt
µg/m3 400 930 1200 1600
[7]
(verdier for E/m er hentet fra PIARC, omregning til µg/m3 er gjort i.h.h til informasjon fra entreprenør.)
8
1.2 Definisjoner
- PM: Particulate matter. generell definisjon på partikler som svever i luften.
- PM10: Partikler med diameter på mindre enn 10 µm (svekker sikt) - PM2,5: Partikler med diameter på mindre enn 2,5 µm
- PIARC: World Road Association
- PLS: “programmerbar logisk styring” datamaskin brukt i industrien for å automatisere oppgaver som ventilasjon, nivåstyring etc.
- Vegvokteren: Internt program i Statens Vegvesen der man kan overvåke og styre blant annet tunneler
- ÅDT: Årsdøgntrafikk. Den totale trafikken i et snitt eller på en trafikklenke iløpet av et kalenderår dividert med antall dager i året.
9
1.3 Teori
1.3.1 Hva er svevestøv?
Figur 7: Sedimentert svevestøv i byhaugtunnelen
Svevestøv er en betegnelse på svært små partikler med diameter under 10µm. Disse er en blanding av forbrenningspartikler, mineralpartikler og partikler som dannes ved at bildekk sliter veibanen ved bremsing eller dersom bilen har piggdekk.
Svevestøv deles inn i to kategorier: PM10 (de «største» partiklene) og PM2,5. Tallet bak “PM”
angir størrelsen av partikler i mikrometer
Veitrafikk er den viktigste kilden til svevestøv i norske byer og tettsteder.
Hvor mye svevestøv et kjøretøy slipper ut, varierer med type drivstoff og motorteknologi.
Gamle biler uten katalysator og dieselbiler uten filter slipper generelt ut langt mer partikler enn nyere biler. Tradisjonelle dieselbiler slipper ut 100 – 1000 ganger så mange partikler som bensinbiler. I Norge er konsentrasjonen av svevestøv høyest om vinteren.
10 Helseeffekter
En rekke undersøkelser har vist sammenheng mellom nivået av svevestøv og forekomst av ugunstige helseeffekter både i luftveiene og i hjerte-karsystemet. Både fine og grove
partikler kan gi helseskader.
Dieselmotorer slipper ut store mengder fine partikler sammen med en rekke helseskadelige stoffer, og er dermed en viktig kilde til forurensningen i byene. Fine partikler er assosiert med økt dødelighet, samt forverring av flere sykdomstilstander.
Personer med astma og andre luftveisproblemer er spesielt utsatt, og kan få sin sykdom betydelig forverret av denne typen forurensing. Også personer med hjerte-karsykdommer er følsomme for høye nivåer av svevestøv.
Partiklene fra veislitasje består først og fremst av grove mineralpartikler. En bil med piggdekk produserer opp til 100 ganger mer støv enn en tilsvarende bil med piggfrie dekk fordi piggene sliter opp veidekket.
I tillegg til størrelse har også form, overflateegenskaper, kjemisk sammensetning og PH- verdi betydning for svevestøvspartiklenes innvirkning på helsen.
Støv fra asfalt og annet vegdekke er for det meste sammensatt av forskjellige mineraler mens forbrenningspartikler består av sot eller karbonkjerner.
Svevestøvet kan binde seg til andre komponenter som for eksempel:
● Metaller: jern, krom, kopper, nikkel, sink, arsen og vanadium
● Organiske stoff fra forbrenning, særlig PAH (polyaromatiske hydrokarboner)
● Biologiske komponenter, blant annet allergifremkallende pollen, i tillegg til bakterier og soppsporer.
Forurensingsforskriften stiller minimumskrav til kvaliteten på utendørsluft i Norge.
Minimumskravet (grenseverdien) for PM10 er satt til 25 µg/m3 for årsmiddel og 50µg/m3 for døgnmiddel. Døgnmiddelet må ikke overskrides mer enn 30 ganger per kalenderår.
(Nye reviderte grenseverdier per 01.01-2016)
11 Hvor kommer støvet fra?
Svevestøv er en blanding av støv fra ulike kilder.
● Forbrenningspartikler blir dannet ved ufullstendig forbrenning. De mest aktuelle partiklene er diesel- og bensineksospartikler, i tillegg til vedfyringspartikler.
● Slitasjepartikler fra vegdekke blir produsert i store mengder når biler med piggdekk kjører på veger som ikke er dekket av snø og is. I rushtiden, spesielt på tørre
vinterdager, blir støvet virvlet opp. Strøing av vegene kan også bidra til dette støvet som i tillegg kan inneholde partikler fra dekk og bremser.
● Langtransporterte partikler finnes i luften over hele Europa. For det meste er dette sulfat, nitrat og langtransporterte forbrenningspartikler som hører inn under PM2.5- støvet. I Norge utgjør dette støvet ca. 40 – 50 prosent av svevestøvet i store byer.
Det foreligger ikke nok kunnskap om hvilke typer svevestøv som har størst helseeffekt, men svevestøv fra biltrafikk ser ut til å være en av de mest alvorlige. Partikler fra
dieselforbrenning er den partikkeltypen det har blitt gjort flest studier på.
Først og fremst er det svevestøv som er mindre enn 4 – 10 µm som når ned i de fineste lungeforgreningene, og videre til sonen der gassutveksling med blodet skjer. Dette støvet er mest skadelig for lungevevet. Ultrafine partikler er også påvist i andre organer enn lungene, men det er uvisst i hvor stor grad slike partikler går over i blodsirkulasjonen.
Tiltak som kan redusere svevestøv
● Partikkelfilter i dieselbiler og andre kjøretøy (EU-direktiv)
● Katalysatorer i bensinbiler
● Piggdekkavgift og andre tiltak for å redusere bruken av piggdekk
● Lavere hastighet på veiene på vinteren
● Rengjøring av veger
● Salting med magnesiumklorid for å binde vegstøv
● Fjernvarme i stedet for vedfyring
● Nye vedovner med mindre utslipp
12 PM10 og korttidseksponering
WHO konkluderte i 2005 med at europeiske studier viste en sammenheng mellom
kortvarige endringer i eksponering for svevestøv og dødelighet. For en 10µg/m3 økning i PM10 ble det funnet en samlet økning i relativ risiko for alle dødsårsaker på 0,6 % og en økning i risiko for dødsfall ved hjerte- og karsykdom og luftveissykdom på henholdsvis 0,9
% og 1,3 %. Andre store analyser har vist 0,1 til 0,8 % økning i total dødelighet ved en økning på 10µg/m3 PM10. Samlet sett kan studier tyde på at risikoen for økt dødelighet ved kortvarig PM10 eksponering er høyere for barn under ett år enn det er for eldre barn og voksne.
Befolkningsstudier har også vist at kortvarig eksponering av PM10 for astmatikere (spesielt barn) synes å være relatert til en økt hyppighet av symptomer (hoste og pustevansker), økt bruk av medisiner og endringer i lungefunksjon.
Eksponering for PM10 er også assosiert med legevaktsbesøk/sykehusinnleggelser for respiratoriske sykdommer, som astma, KOLS og respiratoriske infeksjoner.
PM10 og langtidseksponering
Sammenhengen mellom langvarig eksponering (over flere år) for PM10 og dødelighet, sykelighet pga. luftveis- og hjerte-karsykdommer og på svangerskapsutfall er blitt
undersøkt i et begrenset antall befolkningsstudier. For dødelighet foreligger det studier av spedbarn som tyder på en sammenheng med eksponering for PM10. Langvarig eksponering for økte verdier av PM10 nivåer har sammenheng med økt forekomst av respiratoriske sykdommer (kronisk hoste, bronkitt, astma) så vel som redusert lungefunksjon. Slike sammenhenger er vist ved et årsgjennomsnitt på 18 til 68 µg/m3 PM10. Reduksjon av PM10
nivåer synes å føre til reduksjon i både respiratoriske sykdommer og sykdommer hos barn.
Langvarig eksponering for PM10 gir redusert utvikling av lungefunksjoner hos barn og denne effekten synes å vare i hvert fall frem til 18-års alderen. Befolkningsstudier har også vist sammenheng mellom langvarig PM10 eksponering og hjertesykdom. Det synes å
forekomme ved konsentrasjoner på 20 til 30 µg/m3 PM10.
Mange studier kan tyde på at PM10 påvirker svangerskapsutfall, som for tidlig fødsel og lav fødselsvekt, men dette er ikke tilstrekkelig dokumentert.
[1] [2] [3]
13
1.3.2 Styrende parametere for ventilasjon i tunnel
Sikt
Siktproblemer i tunneler omfatter i stor grad partikkelforurensning i form av sot fra
forbrenningsprosessen i motorer, støv fra slitasje av vegbane og oppvirvling av sedimentert støv. Svevestøv og siktproblematikk er først og fremst en trafikksikkerhetsfaktor i tunneler.
I Norge benyttes først og fremst måling av NOx for styring av ventilasjon, men enkelte tunneler i Sveits benytter seg av optiske svevestøvsmålinger som grunnlag for
ventilasjonstyring.
(Byhaugtunnelen har heller ingen NOx-sensor, og de lave CO-verdiene aktiverer sjeldent ventilasjonsanlegget.)[4]
NO og NO2
NOx består hovedsakelig av NO og NO2. Begge disse er reaktive gasser som dannes ved forbrenning ved høy temperatur, og kommer fra både naturlige og menneskeskapte kilder.
Det dannes mest NO, men i nærvær av ozon omdannes NO videre til NO2. Det er NO2 som er forbundet med mest helseskade. For at ikke NO2 konsentrasjonene skal bli for høye er det derfor et krav til at all luften i lange tunneler skal skiftes ut i løpet av to timer. Kravet baserer seg på målinger utført av Statens vegvesen i Lærdalstunnelen (2011). NO2 er dimensjonerende for tunnelventilasjonen og den eneste gassen det er nødvendig å føre kontroll med i tunnelene.[4]
Ozon
Ozon i luft reagerer umiddelbart med NO og omformer den til NO2. Ozon finnes i liten grad inne i tunnelene. Ozon-konsentrasjon utenfor tunnelene vil i bystrøk ligge rundt ca. 60 ppm, noe som gir en økning av NO2 konsentrasjonen i tunnelluften med 60 ppm etter at den kommer ut av tunnelen.
[4]
14 CO
I følge rapporten “Luftkvalitet i 60 tunnelar i mars 2010. Kommentar til
ventilasjonskapasitet og styring”, gjort av Statens vegvesen, regnes CO for å være under kontroll for en moderne motor med katalysator. Det er derfor ikke en styrende parameter for dagens tunnellufting.
[4]
15
1.3.3 Støvdempende tiltak
Steintyper
Ved å klassifisere steintyper etter egenskaper vil det være mulig å legge asfalt som
inneholder stein med minst helseskadelig potensial i byområder. Et omfattende arbeid er gjort på dette området på oppdrag fra Statens vegvesen, vegdirektoratet i samarbeid med Berg og Geoteknikk, NTNU/Sintef, og avdeling for luftforurensning og støy,
Folkehelseinstituttet. En rekke steinprøver er testet, men testene er begrensede, så det er derfor mulig at stein fra noen forekomster med lave effekter mht. produksjon av støv- effekter kan vise andre egenskaper i nye prøver og omvendt. Konklusjonen viser imidlertid at stein med høyt innhold av plagioklas (en sammensetning av mineralene albitt og
anortitt), vil gi støv som i mengde og innhold anses som fordelaktig. Dette synes også å gjelde helseeffekter.
[6]
Fartsbegrensninger
Slitasjetester gjort på en vegsimulator viser at kjørehastigheten har en stor innflytelse på støvproduksjonen. Laboratorietester viser at PM10 konsentrasjon blir redusert med 32% - 49% ved en fartsreduksjon fra 70km/t til 50km/t, 52% - 83% ved en fartsreduksjon fra 50km/t til 30km/t og 76% - 89% ved en reduksjon fra 70km/t til 30km/t.
[6]
Dekktype
Piggdekk som brukes i vinterhalvåret i Norge er hovedårsaken til produksjon av støv fra vegslitasje. I laboratorietester ga piggdekk opptil 30 – 40 ganger større mengde
slitasjepartikler sammenlignet med piggfrie dekk ved en fart på 60km/t på et SMA 8 asfaltdekke.
[6]
16 Børsting
Mekanisk rengjøring i form av børsting som suger opp grovere vegstøv er forsøkt i Oslo.
Gjenværende partikler bindes med magnesium-kloridoppløsning (15% MgCl). Effekten av støvdempning var betydelig. Reduksjonen av PM10 ble estimert til ca. 70%, mens PM2,5
hadde en ganske ubetydelig reduksjon på ca. 17%.
Magnesiumklorid gjør vegbanen glatt og bør legges på kanter og sideareal. Den beste løsningen ventes å få ved feiing rett etter støvbindende middel er påført.
[4]
17
2 Forsøk og analyser
I denne delen beskrives noen forsøk som er blitt gjort, samt analyser av siktmålinger og ventileringen av tunnelen. Resultatene er med på å underbygge avgjørelsene som har blitt tatt i forbindelse med konstruksjonen av det nye styringsprogrammet for ventilasjonen.
Figur 8: Test i tunnelen
18
2.1.1 Værdataanalyse
Det har blitt samlet opp data i tidsrommet 16. Desember til 26. Januar som beskriver hvordan ventilasjonsanlegget har fungert i denne perioden. Dataene består av loggførte verdier fra siktmåleren , og når viftene har gått av og på. Dette ble gjort for å ha muligheten til å analysere dataene, se om ventilasjonsanlegget fungerer slik det skal, for å finne ut hva som kan forbedres. Det er også interessant å se hvordan værforholdene i perioden påvirker svevestøvskonsentrasjonen i tunnelen. Det er kun tatt stikkprøver og hver måleserie er analysert individuelt. Måledata fra tunnelen er hentet fra Statens Vegvesens eget
overvåkningsprogram for veitunneler, Vegvokteren. Værdata er hentet fra YR.no sin målestasjon på Våland, som er ca. 2.5 km fra Byhaugtunnelen.
VT = antall viftetimer iløpet av et døgn.
Dag/Dato Nedbør/te
mp Siktmåler Ventilasjon Kommentarer
Måledata #1 Onsdag
16/12 0,0 mm/
5,5˚C Mye svevestøv. Lite mellom 13.00 og 20.00
Mye aktivitet.
Kontinuerlig fra 06.00 til 12.30
VT: 17t
Litt regn mellom 13.00 og 16.00
Torsdag
17/12 2,8 mm/
9,0˚C Lite. Nesten ingen
målinger over 70µg Lite aktivitet. Kun én vifte.
VT: 2t (25%) Fredag
18/12
6,3 mm/
9,5˚C
En del støv mellom 12.00 og 19.00
Lite om morgenen. En del mellom 12.30 og 20.00
VT: 10.5t
Juleferie.
Antakeligvis en del trafikk.
Måledata #2 Onsdag
23/12 7,4 mm/
7,5˚C Lite svevestøv. Så vidt over 70µg 3 ganger.
Nesten ingen
ventilasjon. Maks én vifte om gangen.
VT: 2.1t
Litt mer enn forventet med tanke på nedbør.
Torsdag
24/12 5,0 mm/
7,9˚C Nesten ingenting Ingen aktivitet
VT: 0t Julaften. Lite trafikk fredag
25/12 20,3 mm/
5,4˚C Nesten ingenting Ingen aktivitet
VT: 0t Første Juledag. Lite
trafikk Måledata #3
Fredag
01/01 16,2 mm/
4,8˚C Nesten ingenting Nesten ikke aktivitet
VT: 2t Mye nedbør. Første
nyttårsdag. Lite
19 trafikk Lørdag
02/01 1,5 mm/
2,9˚C En del. Verdier ligger mellom 60 – 100 µg hele dagen.
Aktivitet hele dagen.
Stort sett én vifte, noen ganger to
VT: 7t
Et par høye verdier på kvelden. Kan være feilmålinger eller tungtransport som virvler opp støv.
Søndag
03/01 0,0 mm/
-1,1˚C Fortsetter likt som
lørdagen. Likt som lørdag. Litt oftere på to vifter.
VT: 10t Måledata #4
Søndag
03/01 0,0 mm/
-1,1˚C Tar seg enda mer
opp mot kvelden. Fortsetter som forrige.
Enda litt mer på to vifter.
Mandag
04/01 0,0 mm/
-2,4˚C Høye
konsentrasjoner hele dagen. Topper seg mellom 11.00 og 13.00
Hyppig ventilasjon.
Ofte på tre vifter, av og til på fire
Første arbeidsdag etter ferien.
Tirsdag
05/01 0,0 mm/
-1,6˚C Likt som for
mandag. Mye støv. Likt som for mandag.
Hyppig ventilasjon.
Onsdag
06/01 0,0 mm/
-4,1˚C Samme trend som
tidligere. Mye støv. Samme som tidligere.
Mye på to og tre vifter. Tørt, kaldt vær de siste dagene. Gode forhold for støv.
Måledata #5 Fredag
08/01 0,0 mm/
-2,1˚C Ganske høyt. Ligger mellom 40µg til 300 µg unntatt noen topper helt opp i 700µg
NORMAL: 100-200
Hyppig ventilasjon.
Stort sett på 3 vifter, noen topper der anlegget har kjørt på alle viftene.
VT: 40t
Systemfeil der ventilasjonen har hoppet mellom trinn 2 og 4 hvert minutt fra 18:39 til 19:35
Lørdag 09/01
0,0 mm/
-0,8˚C
Litt lavere enn fredag. Men fremdeles over 300µg på enkelte topper. NORMAL:
100-200
En god del aktivitet her også. Men maks 3 vifter.
VT: 22t
Søndag
10/01 2,5 mm/
2,1˚C Veldig lavt.
Konsentrasjonen har ikke
overskredet 40 µg
Kun en vifte har startet én gang
VT: 0t
Søndagstrafikk kombinert med litt nedbør.
Måledata #6
Lørdag 2,5 mm/ Rundt 115µg midt En del aktivitet frem til
20 16/01 -3,2˚C på dagen. Etter
14.00 har
konsentrasjonen holdt seg under 40 µg NORMAL: 60
ca. 15:00 stort sett en og to vifter
VT: 9.2t
Søndag
17/01 0,0 mm/
-4,2˚C Stort sett under 40
µg hele dagen. Omtrent ingen aktivitet.
VT: 0t Mandag
18/01 0,0 mm/
-0,7˚C Her har mengde svevestøv økt litt igjen. NORMAL: 70 med topper opp mot og over 150µg
Mye aktivitet. Ligger mest imellom 2 og 3 vifter
VT: 22t Tirsdag
19/01
2,3 mm/
-3,1˚C
Litt mindre enn Mandag. NORMAL:
30 µg frem til 14:00, under 40 µg etter det.
Vifte 1 og 2 frem til 15:30 ingenting etter dette.
VT: 5t
Litt nedbør siste døgnet.
Onsdag
20/01 0,0 mm/
-4,6˚C Ganske lite. Kryper
så vidt over 40 µg Vifte 1 mellom 10:00 og 15:30
VT: 2t Torsdag
21/01 0,0 mm/
-2,1˚C Noen topper tidlig om morgenen fra ca. 04:00 til 07:00 ellers mest rundt 40 µg
Vifte 1 og to om morgenen, litt på en vifte mellom 10:00 og 14:00
VT: 2t Måledata #7
Søndag
24/01 0,0 mm/
6,3˚C Rundt 40 µg på natten. Synker utover dagen og stiger igjen på ettermiddagen.
NORMAL: 25µg
En del ventilasjon mellom 12:00 og 20:00 vifte 1 og 2
VT: 5t
Noen feilmålinger igjen der systemet hopper mellom trinn 1 og 2 hvert minutt i en periode.
Mandag
25/01 2,0 mm/
8,9˚C Stort sett under 40 µg. noen topper rett over dette.
Lite ventilasjon. Kun vifte 1
VT: 1.5t Tirsdag
26/01 5,6 mm/
6,1˚C Ganske likt som
dagen før. Nesten ingen ventilasjon.
VT: 0
21
2.1.2 Ventilasjonstest med ballonger
I forbindelse med oppgaven ble det utført et eksperiment i tunnelen ved bruk av heliums ballonger for å få et visuelt bilde av hvordan viftene fungerer og luftstrømmen de
genererer. Forsøket gikk ut på å la viftene blåse ballongene ut av tunnelen med forskjellig styrke og fra forskjellige steder i tunnelen. Ballongene hadde et volum på ca. 2 liter og var balanserte slik at de hverken gikk i taket eller bakken.
Figur 9: Test med ballonger
22 Forsøk 1
Kriterier
- Ballonger plassert på 365 meter, fra Stokkasiden, 270 meter fra utgangen av tunnelen.
- Alle viftene (V1-V4) aktivert samtidig.
Observasjoner
1. Umiddelbart etter igangsettelse blir ballongene sugd tilbake mot V1/V2 og begynner å bevege seg forover etter 20-30 sekunder.
2. Det tar 120 sekunder før ballongene når enden av tunnelen med en hastighet på ca.
3 m/s
23 Forsøk 2
Kriterier
- Ballongene blir plassert på 365 meter, fra Stokkasiden, 270 meter fra utgangen av tunnelen.
- Vifte 1 og 3 aktivert.
- Ballongene blir sluppet fri etter at luftstrømmen har satt seg.
Observasjoner
1. Ballongene blir ikke sugd bakover i oppstarten men beveger seg med jevn hastighet.
2. Det tar 210 sekunder før ballongene når enden av tunnelen med en hastighet på ca.
1,4 m/s.
24 Forsøk 3
Kriterier
- Ballonger plassert på 390 meter fra utgang, midt i mellom V1/V2 og V3/V4.
- V1 og V3 aktivert.
- Ballongene blir sluppet fri etter at luftstrømmen har satt seg.
Observasjoner
1. Ballongene beveger seg jevnt fra V3, men flere ballonger stopper opp under V1, på rundt 350 m.
2. Ballonger må skyves i gang igjen, før de fortsetter til utgangen av tunnelen.
3. Ballonghastighet på ca 1.2 m/s (inkludert dødtid ved V1).
25 Forsøk 4
Kriterier
- Ballonger blir plassert på 390 meter fra utgang, midt i mellom V1/V2 og V3/V4.
- V3 og V4 aktivert.
- Ballongene blir sluppet fri etter at luftstrømmen har satt seg.
Observasjoner
1. Ballongene beveger seg jevnt fra startpunkt til utgangen av tunnelen uten dødpunkt.
2. Når enden av tunnelen etter 180 sekunder med en ballonghastighet ca. 2,2 m/s.
26
2.1.3 Målinger fra portabel sensor:
Den portable støvmåleren av typen “TEOM Series 1400a” er for stor til å montere på innsiden av tunnelen, og har derfor blitt montert ca. 5 meter utenfor tunnelmunningen, langs veien på Tastasiden. I likhet med VisGuard-sensoren kan også disse målingene
monitoreres i sanntid. Målemetoden som benyttes i TEOM-måleren baserer seg på filtrering av luft og veiing av støv.
Bildene under viser målinger for 10. og 12. Mai 2016 fra både TEOM (øverst,) og VisGuard (nederst).
Figur 10: TEOM-måling, tunnelmunning
27
Figur 11: VisGuard-måling, midt i tunnelen
En kan se at svevestøvs målingene på utsiden av tunnelen er betydelig høyere enn målingene gjort på innsiden.
Målingene i tunnelmunningen den 10. Mai fra kl. 08 til 12 ligger på mellom 500 og 1200 µg/m3, mens det i samme tidsrom blir registrert verdier på mellom 80 og 130 µg/m3 midt i tunnelen (ekstremalverdier fra målingene har ikke blitt tatt hensyn til). Ventilasjonen har vært aktiv under loggføringen av dataene. Selv om målingene i midten av tunnelen ligger godt innenfor hva som blir regnet som klar sikt (<400µg/m3), bør det bemerkes at støvkonsentrasjonen målt utenfor tunnelen ligger i et intervall som blir regnet som disig (>930 µg/m3) eller tåkete (>1200µg/m3). Det må antas at støvkonsentrasjonen like på innsiden av tunnelen er av tilnærmet lik størrelse.
28
2.1.4 Svevestøvskonsentrasjoner ved sprang i ventilasjon
Det har blitt gjort et forsøk hvor svevestøvskonsentrasjonen fra både VisGuard og TEOM har blitt loggført ved ventilasjonssprang. Det er ønskelig å kunne beskrive hvordan støvet beveger seg igjennom tunnelen, noe som har vist seg å være vanskelig da en ikke har flere målepunkter inne i tunnelen. Et alternativ er å se hvordan tunnelens ventilasjon påvirker støvkonsentrasjonen på utsiden av tunnelen. Målingene er gjort under normal trafikk.
Sprangtest 20. April 2016
Tidspunkt Ventilasjon
6:55-10:24 - Ventilasjon av
10:25-11:00 - Ventilasjon på (alle vifter) 11:01-11:36 - Ventilasjon av
11:37-12:11 - Ventilasjon på (alle vifter)
12:11- - Ventilasjon på auto
Observasjoner
- Ved ventilasjon slått av begynner støvmålingene fra VisGuard og TEOM å nærme seg hverandre.
- Ved full ventilasjon (fire vifter) synker støvkonsentrasjonen inne i tunnelen, mens de registrerte verdiene i tunnelmunning skyter i været.
29
Figur 12: Resultater fra sprangtest
30
2.2.1 Nytt PLS program
Med utgangspunkt i tidligere målinger, analyser og eksperiment er det klart at det må gjøres forbedringer i PLS styringen. Verdiene som benyttes i dag er trolig ikke satt på bakgrunn av faktiske målinger, men heller litt på slump (kvalifisert gjetning). Måten viftene blir styrt på i dag er trolig heller ikke optimalt hverken med tanke på støvreduksjon, slitasje eller økonomisk drift. Med de nåværende innstillingene vil kun én vifte skru seg på dersom støvverdien kommer over ett gitt nivå, og slik sensoren er plassert i forhold til viftene vil denne verdien synke raskt i det viften starter, og dermed står ikke viften på lenge nok til at støvet blir blåst helt ut, men heller bare forflyttes lenger opp i tunnelen. Ved ny oppvirvling av støv vil en forhøyet verdi på sensoren igjen starte opp én vifte. Det mistenkes
imidlertidig at bruken av kun én vifte ikke er kraftig nok til å få blåst ut støvet. Det er derfor ønskelig å lage et program der to og to vifter startes samtidig, med en lenger driftstid enn det som brukes i dag. På den måten reduseres antall oppstarter av viftene, og en kan i større grad stole på at støvet blir blåst ut av tunnelen.
Beskrivelse av programmet
● Med utgangspunkt i “klar” skal det være tilfeldig om man går til tilstand 1 eller tilstand 2 når svevestøvskonsentrasjonen når gitt nivå. Grunnen til dette er at det ønskes tilnærmet lik driftstid på alle viftene.
● Tilstand 1 starter vifte 1 og 2 (de to som står nærmest Tasta)
● Tilstand 2 starter vifte 3 og 4 (de to som står nærmest Stokka)
● Tilstand 3 starter opp alle viftene. Den vil også fungere som en “fail-safe” dersom støvverdiene skyter i været i løpet av venteperioden til de andre trinnene.
● Dersom tilstand 1 eller 2 er aktiv men støvkonsentrasjonen fortsatt er over gitt nivå, etter en gitt tid, blir tilstand 3 aktivert.
● Når støvkonsentrasjonen kommer under satt nivå og viftene har gått i gitt tid vil programmet gå tilbake til “klar” tilstand.
Figur 13: Tilstandsskjema for PLS program 31
32 Antagelser
- Det antas at det er høyere konsentrasjon av svevestøv opp mot tunnelmunningen på Tastasiden.
- Det antas at både siktsensoren i tunnelen og den portable sensoren på utsiden av tunnelen gir riktige målinger.
- Én vifte klarer ikke å få til full gjennomlufting av tunnelen.
- En hviletid på minimum 30 minutter gir støvet tid til å få fordelt seg utover større deler av tunnelen, og vil gi en mer representativ måling av siktsensoren.
- Det antas at informasjon fra entreprenøren som har ansvar for tunnelen er korrekt og at følgende tabell over sikt er gjeldende.
E/m 0,003 0,007 0,009 0,012
Betydning Klar sikt Disig Tåkete Ukomfortabelt
µg/m3 400 930 1200 1600
33 Et forslag til program er laget i OMRON.
Figur 14: Programstruktur i OMRON.
Forklaringer
- Programmet inneholder to “klar” tilstander for å alternere mellom vifteparene.
- Nivåvariabler representerer input fra siktsensor.
- Nivaa1 er satt til 150 - Nivaa2 er satt til 400 - Nivaa3 er satt til 100
Programmet er i sin helhet lagt som et eget vedlegg til oppgaven. for å få åpnet programmet trengs CX Programmer og CX Designer.
34
3 Resultater
Grunnet oppgavens tidsperspektiv (vårsemester 2016) har ikke det nye programmet blitt implementert og testet. Det er heller ikke mulig å få sammenlignbare målinger før til vinterhalvåret 2016/2017 grunnet forskjellige værforhold i årstidene.
Det forventes, derimot en betydelig forbedring med tanke på sikt da det nye programmet sørger for en lengre og kontinuerlig gjennomlufting av tunnelen en hva tilfellet er i dag. Som en direkte følge av en forbedret gjennomlufting forventes det også en nedgang i antall oppstarter av ventilasjonen.
Hviletiden i mellom oppstartene er basert på data fra sprangtestene som ble gjort. Det kan se ut som om verdiene på de to sensorene begynner å nærme seg hverandre etter en viss hviletid, noe som tyder på at hviletid på viftene er viktig for å få en best mulig avlesing av data fra siktsensoren i tunnelen. Det foreligger for lite statistiske data til å nøyaktig
bestemme hvor lang denne hviletiden skal være, men det kan virke som at 30 minutter er et greit utgangspunkt. Denne tiden kan justeres etter behov.
Med utgangspunkt i tabellen vist ovenfor kan det ikke konkluderes med at Byhaugtunnelen har problemer med dårlig sikt. Siktsensoren inne i tunnelen måler nesten aldri nivåer over 930 µg/m3 som blir betegnet som disig. Det betyr derimot heller ikke at det kan
konkluderes med at det ikke er siktproblemer i tunnelen da det ikke blir tatt målinger der sikten oppleves som dårligst.
Tas det utgangspunkt i den portable støvmåleren på utsiden av tunnelen, vil målingene periodevis overgå det som blir betegnet som ukomfortabelt. Resultater fra TEOM-måleren i sammenheng med viftepådrag og målingene fra VisGuard-sensoren inne i tunnelen viser at når viftene er slått av over en lengre periode ligger nivået på den portable sensoren ganske stabilt, mens nivået inne i tunnelen stiger. Med en gang viftene starter så synker nivået inne i tunnelen mens nivået på utsiden stiger drastisk. Dette kan skyldes at det finnes store mengder støv i enden av tunnelen (Tastasiden) som sensoren inne i tunnelen ikke klarer å fange opp, da viftene som starter og stopper på for lave nivåer, bare har forflyttet støvet bortover.
35
Den portable støvmåleren kan derimot være mer utsatt for andre påvirkninger en måleren inne i tunnelen. Det blir for eksempel utført bygningsarbeid i nærheten av tunnelen som kan ha en påvirkning på mengde støv på utsiden av tunnelen.
36
4 Konklusjon
Med bakgrunn i data og analyser som har blitt utført har det blitt utarbeidet et forslag til forbedring av styringsprogrammet som blir brukt i dag. Det har blitt gjort analyser av nåværende styring, utført fysiske tester i tunnelen og det har blitt satt opp en portabel sensor for å få en bedre forståelse for hvordan svevestøvet fordeler seg i tunnelen.
Analysen av den nåværende styringen viste at regn/nedbør har en stor innvirkning på svevestøvmengde i tunnelen. På dager med mye nedbør er det minimalt med støv registrert i tunnelen og lite/ingen aktivitet på viftene. I tillegg ble det klart at dagens styringsprogram ikke har fungerer slik Statens Vegvesen ønsker at det skal fungere. Et av kriteriene for styring av ventilasjonsanlegget er at en vifte skal kjøre i minst 30 minutter for å minimere slitasje. Med nåværende styring kan viftene skru seg av allerede etter 10 minutter dersom det er en lav støvkonsentrasjon. Måten styringsprogrammet fungerer på i dag legger også tilrette for flere korte oppstarter der en vifte går av og på grunnet grenseverdier i
programmet som ligger langt under de anbefalte nivåene for svevestøvkonsentrasjon.
Testene i tunnelen har demonstrert at under rådende forhold er viftene sterke nok til å få en god gjennomlufting av tunnelen. Når luftstrømmen har fått satt seg blir det etablert et undertrykk bak viftene som gjør at frisk luft suges inn fra Stokkasiden av tunnelen og blåses ut på Tastasiden. Denne gjennomluftingen fungerte meget bra under testing med ballonger, men på grunn av fysikalske forskjeller mellom ballonger og partikler er det vanskelig å si hvor sammenlignbart dette er med svevestøv som utblåsningsobjekt.
Ut fra de forskjellige forsøkene som ble gjort ble det klart at å benytte de to viftene nærmest Stokkasiden av tunnelen fungerte mye bedre enn å benytte én foran og én bak.
Utblåsningstiden ble kortere med denne metoden og i tillegg ble det erfart at dersom det ble brukt én vifte foran og én bak så oppstod det et dødpunkt under de fremste viftene som gjorde at ballongene stoppet opp, så uten inngående kunnskap om svevestøvets fysikalske parametere må det antas at dette er tilfelle også med svevestøv. Det er derfor konkludert med at den beste måten å få gjennomluftet tunnelen er ved å starte to og to vifter parvis eller alle samtidig. Med tanke på det energiøkonomiske vil det være mest fornuftig å bruke to vifter om gangen så lenge støvkonsentrasjonen ikke overstiger verdier der sikten
begynner å bli påvirket.
37
Resultatene fra den portable sensoren har gitt et lite innblikk i hvordan støvet beveger seg i tunnelen. Denne sensoren viser generelt et høyere nivå av svevestøv enn den fastmonterte sensoren og det tyder på at svevestøvet ikke er jevnt fordelt i tunnelen, men heller at det samles opp ved munningen på Tastasiden og dermed fører til dårlig sikt her.
Det anbefales at Statens vegvesen installerer flere målepunkter i tunnelen. Da vil en få et bedre grunnlag for når ventilasjonen bør starte og en mer effektiv fjerning av svevestøvet.
Selv om denne rapporten ikke har vurdert alternative støvdempende tiltak, vil det være naturlig å vurdere dette dersom det også i framtiden skulle være siktproblemer i
Byhaugtunnelen. Det kan nevnes at installasjon av et sprinkleranlegg som sedimenterer svevestøvet, kombinert med hyppigere tunnelrengjøring sannsynligvis ville vært en mer effektiv løsning enn bruken av vifter.
38
5 Vedlegg
5.1.1 Referanseliste
[1] Norges Astma Og Allergiforbund. Tilgjengelig:
http://www.naaf.no/ar/subsites/luftforalle/lokal-luftforurensning/svevestov/
[2] Folkehelseinstituttet. Tilgjengelig:
http://www.fhi.no/tema/luftforurensning/svevestov
[3] Luftkvalitetskriterier. Virkninger av luftforurensning på helse. Tilgjengelig:
http://www.fhi.no/dokumenter/5f190bc3fa.pdf
[4] Statens Vegvesen: Etatsprogrammet moderne veitunneler 2008 – 2011 [5] The treatment of air in road tunnels. CETU. 2010
[6] Snilsberg, Brynhild, “Pavement wear and airborne dust pollution in Norway, doktorgradsavhandling, fakultet for ingeniørvitenskap og teknologi, NTNU, Trondheim, 2008
[7] Piarc technical committee C4 road tunnels operation. “Road Tunnels: Vehicle emissions and air demand for ventilation”, 2012. [online] Tilgjengelig fra:
http://www.arnolddix.com/wp-content/uploads/2012/10/2012-Vehicle-emissions-and- air-demand-for-ventilation.pdf
Vedlegg 1: Nytt ventilasjonsstyringsprogram i cxp-format Vedlegg 2: Datablad vifter: Vifter.pdf
Vedlegg 3: TEOM-måler informasjon: TEOM.pdf
Vedlegg 4: Data fra sprangtest : svevestøvdatasigsysogportabel.xlsx
