По мере того как городское строительство углубляется в подземные пространства, обеспечение экологической безопасности подземных сооружений становится важнейшей стратегической потребностью отрасли. Международный совместный исследовательский центр по науке о строительном оборудовании и экологии подземных пространств провинции Шэньси при Сианьском университете архитектуры и технологий, сосредоточившись на трех направлениях — низкоуглеродное создание нормальной среды, обеспечение безопасности в аварийных условиях и интеллектуализация обеспечения подземной среды, — создал технологическую систему «вентиляционной артерии», охватывающую весь жизненный цикл подземных пространств, обеспечив ключевую научно-техническую поддержку экологической безопасности крупных подземных проектов в Китае и мире.
Невидимая угроза: «историческая проблема» вентиляции подземных пространств
Главное отличие подземных пространств от наземных зданий — их замкнутость и сложность. «Самая большая проблема — это угроза, которую „не видно и не ощутить"», — говорит профессор Ли Ангуй, директор исследовательского центра и декан факультета строительного оборудования и экологических наук Сианьского университета архитектуры и технологий. «Например, вредные газы тяжелее воздуха, которые мы называем „тяжелыми газами", составляют около 90% всех вредных газов. Они, словно вода, стелются по земле и скапливаются в низинах, незаметно создавая смертельную опасность». Традиционные методы вентиляции с трудом удаляют тяжелые газы, прилегающие к земле; в случае утечки и скопления газа это может легко привести к удушью или взрыву.
Еще одна ключевая проблема — низкая эффективность традиционных методов дымоудаления. При пожаре в подземных выработках пути распространения дыма чрезвычайно сложны, и традиционные методы дымоудаления в замкнутых пространствах ограничены, что часто затрудняет эффективное управление направлением движения дыма. В двойной ситуации — стремительного развития пожара и быстрого повышения концентрации дыма — люди, не успевшие эвакуироваться, легко оказываются в ловушке, и их жизни угрожает серьезная опасность. Кроме того, подземные пространства сталкиваются с проблемой высокого геотермального тепла — из-за выделения тепла из недр земли в процессе строительства температура внутри выработок становится чрезмерно высокой.
Обеспечение безопасности подземных сооружений невозможно без трех составляющих: вентиляции, электроснабжения и связи. Среди них вентиляция является основой для обеспечения безопасности сооружений и здоровья людей. Задача исследовательского центра — «распределять воздух по потребностям» в сложных подземных пространствах, переносить тепло, удалять вредные вещества и создать надежную «вентиляционную артерию» под землей. Именно эту артерию необходимо протянуть в каждый уголок подземных сооружений, сделав ее более стабильной, протяженной и безопасной.
Три технологических направления: создание комплексной системы обеспечения подземных пространств
Исследовательскую группу возглавляет профессор Ли Ангуй, дважды удостоенный второй премии Государственной премии за технологические изобретения. Группа обладает более чем тридцатилетним опытом исследований в области организации воздушных потоков в системах вентиляции и кондиционирования, а также регулирования среды в подземных пространствах. Исходя из ключевой миссии обеспечения среды подземных пространств, исследовательский центр определил три направления исследований:
Низкоуглеродное создание нормальной среды
Основное внимание уделяется решению проблемы высокого энергопотребления и низкой энергоэффективности систем вентиляции и кондиционирования при повседневной эксплуатации подземных пространств. На таких объектах, как подземные гидроэлектростанции, станции метро и коллекторные тоннели, системы вентиляции и кондиционирования обычно работают в течение длительного времени, поэтому достижение низкоуглеродной энергоэффективности имеет большое значение. Группа создала комплексную экспериментально-исследовательскую платформу по вентиляционным технологиям для систематического проведения фундаментальных исследований механизмов естественной вентиляции под действием теплового напора и кинетики переноса вредных веществ в подземных пространствах. Также была создана платформа для моделирования многофакторной среды на больших высотах, позволяющая динамически регулировать такие параметры, как температура, давление и концентрация углекислого газа, и точно воссоздавать экстремальные условия, такие как высокогорная и глубинная среда, для поддержки разработки передовых низкоуглеродных вентиляционных технологий.
Обеспечение безопасности в аварийных условиях
Сосредоточено на контроле дыма, удалении токсичных газов и поддержании жизнедеятельности в экстремальных ситуациях, таких как пожары и скопление вредных газов, для достижения быстрого регулирования среды и обеспечения эвакуации в аварийных условиях. Группа добилась прорывных успехов в этом направлении:
Эффективная вентиляция и удаление тяжелых газов: для тяжелых газов, плотность которых больше плотности воздуха и которые составляют около 90% вредных газов, группа систематически раскрыла механизмы их диффузии и миграции в протяженных замкнутых пространствах, разработала методы проектирования эффективной вентиляции и удаления многокомпонентных вредных газов, включая тяжелые газы, в аварийных условиях, эффективно решив проблему предотвращения и контроля скопления тяжелых газов вдоль поверхности земли.
Низкоомная вентиляция на большие расстояния: для решения инженерных проблем, таких как высокое сопротивление вентиляции и значительное снижение расхода воздуха в длинных подземных тоннелях, были изобретены серии низкоомных технологий передачи и распределения воздуха и ключевое оборудование, что значительно повысило эффективность вентиляции подземных сооружений.
Контроль дыма при пожарах в группах подземных выработок: на основе изучения сложных закономерностей миграции дыма при пожарах в группах подземных выработок гидроэнергетических объектов были предложены теория и технология эффективного удаления дыма, обеспечивающие надежный контроль дыма и безопасность газовой среды в эвакуационных проходах.
Интеллектуализация обеспечения подземной среды
Благодаря цифровым двойникам, интеллектуальному восприятию и динамическому регулированию обеспечение среды переходит от пассивного реагирования к активному предотвращению и контролю. Традиционные системы вентиляции, основанные на ручной периодической регулировке, отличаются запаздыванием реакции и ограниченной точностью регулирования. Группа разрабатывает системы интеллектуального мониторинга и управления средой подземных пространств, интегрируя технологии интернета вещей и алгоритмы искусственного интеллекта, для реализации интеллектуального диспетчирования и подачи воздуха по потребностям.
Технологические разработки, ориентированные на ключевые государственные потребности
«Наши исследования вышли непосредственно с площадок крупных государственных проектов», — говорит Ли Ангуй. В 1984 году Ли Ангуй поступил в аспирантуру Сианьского института металлургии и строительства (предшественника Сианьского университета архитектуры и технологий), став единственным аспирантом по этой специальности в том году. В последующие десятилетия он вместе со своей исследовательской группой побывал от Сяоланди в бассейне Хуанхэ до Байхэтаня на реке Цзиньшацзян, от сурового северо-восточного Байшаньского гидроэнергетического проекта до влажного юго-западного Дадухэского гидроузла Пубугоу, охватив все семь крупных речных бассейнов Китая.
В марте 2026 года исследовательский центр официально взялся за разработку технологий вентиляции сверхбольших и сложных групп выработок и контроля тепловлажностного режима в подземных выработках. Основное внимание уделяется двум техническим сложностям: во-первых, обеспечение безопасности в условиях высоких геотермальных температур в сверхбольших группах выработок — глубинное геотермальное тепло вызывает непрерывный рост температуры в выработках, серьезно влияя на безопасность строительства и работу оборудования; во-вторых, передовая организация воздушных потоков в сложных группах выработок на больших высотах — в условиях низкого давления на больших высотах стандартные параметры проектирования вентиляции значительно отклоняются, и их необходимо корректировать с учетом местных условий. Участвовавшие в обсуждении эксперты систематически проанализировали и обсудили ключевые потребности и основные технические сложности текущего этапа проекта, определив технологический путь и направления реализации для дальнейших исследований.
От подземной гидроэнергетики до морской атомной энергетики: интернационализация модели «производство-обучение-исследование-применение»
Исследовательский центр, получив статус провинциальной платформы в 2021 году, быстро развивался: в 2022 году он провел 16-ю Международную конференцию по вентиляции помещений, в 2023 году получил статус Совместной международной лаборатории Министерства образования по низкоуглеродной среде в зданиях, а его научная деятельность расширилась от подземной гидроэнергетики до морской атомной энергетики.
В области «производство-обучение-исследование-применение» группа сформировала полную технологическую цепочку: от полевых испытаний, теоретических моделей, технических методов, стандартов и руководств до разработки оборудования. Активно расширяя международное сотрудничество, группа опирается на ведущие университеты стран «Одного пояса, одного пути», таких как Китай, Сингапур, Россия, Малайзия, а также европейских стран, таких как Дания, Финляндия, Швеция, Норвегия, создав пятистороннюю международную модель сотрудничества «производство-обучение-исследование-применение-внешние связи». Было инициировано создание «Международного общества по экологии подземных пространств», профессор Ли Ангуй стал его первым председателем, создав глобальную высокоуровневую платформу для сотрудничества в области обеспечения среды подземных пространств.
Укрепление основ безопасности для масштабного освоения глубоких недр
По мере того как городские земельные ресурсы становятся все более дефицитными, трехмерное освоение подземного пространства становится неизбежным путем устойчивого развития городов. Подземные транспортные узлы, коллекторные тоннели, глубокие хранилища и крупные гидроэнергетические проекты постоянно углубляются, и роль технологий вентиляционного обеспечения постепенно переходит от «вспомогательной» к «главной».
Обеспечение безопасности сверхмощных гидроэнергетических проектов: гидроэнергетика является важной опорой национальной энергетической безопасности, а группы подземных выработок крупных гидроэнергетических проектов отличаются сложной средой и суровыми условиями эксплуатации. Результаты данного проекта могут быть непосредственно применены на строящихся и планируемых крупных гидроэнергетических объектах на юго-западе Китая, значительно повысив их экологическую безопасность.
Интеллектуальная эксплуатация и обслуживание городских подземных пространств: городская подземная инфраструктура, такая как метро, коллекторные тоннели и объекты гражданской обороны, ускоряет переход от информационного управления к интеллектуальной эксплуатации. В рамках данного проекта уже разработаны схемы обеспечения экологической безопасности для ряда знаковых объектов, включая станции метро Чжэнчжоу и железнодорожный вокзал Сюнъань. Полное внедрение технологий низкоуглеродного создания среды, интеллектуального восприятия и предотвращения аварий в системы эксплуатации и обслуживания обеспечит прочную технологическую основу для безопасной, эффективной и низкоуглеродной эксплуатации городских подземных пространств.
Плавучие атомные электростанции и другие особые сценарии: научная деятельность центра расширилась от подземной гидроэнергетики до плавучих атомных электростанций, для которых была разработана специализированная камера моделирования безопасной вентиляционной среды. Кроме того, для сценариев освоения глубоких недр (таких как глубокая шахтная добыча, глубокие лаборатории и т.д.) данная технология также обладает универсальностью и потенциалом для распространения.
От «сопротивления ветру» в зданиях до «управления ветром»: путь преемственности длиной в шесть десятилетий
Специальность «Теплоснабжение, газоснабжение и вентиляция» в Сианьском университете архитектуры и технологий была основана в 1956 году, в эпоху, когда новому Китаю предстояло многое восстановить. Было запущено более сотни крупных проектов, и эта специальность была создана именно для решения проблем «воздушной среды». Ученый первого поколения Чжао Хунцзо занимался исследованиями теплопередачи грунта и вентиляции для первой линии метро нового Китая — Пекинского метрополитена; Дай Циншань руководил разработкой технологии вентиляции для первой китайской гидроэлектростанции мощностью в миллион киловатт — Люцзяся.
Более шестидесяти лет спустя три поколения исследователей передают знания и опыт друг другу. Технические средства эволюционировали от имитационного моделирования к цифровым двойникам и искусственному интеллекту, но первоначальная цель — «ориентация на ключевые государственные потребности» — остается неизменной. Сегодня они ведут разработку технологий вентиляции для обеспечения экологической безопасности групп подземных выработок сверхмощных гидроэнергетических проектов, стремясь протянуть эту «вентиляционную артерию» дальше и сделать ее прочнее.