系統(tǒng)特征圖在地鐵車(chē)輛通風(fēng)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

　　摘　要　地鐵車(chē)輛的空調(diào)通風(fēng)設(shè)計(jì)是保證地鐵車(chē)輛內(nèi)環(huán)境的重要前提。針對(duì)某一地鐵車(chē)輛空調(diào)設(shè)計(jì)方案,探討應(yīng)用系統(tǒng)特征圖的原理方法來(lái)比較分析可能采用的設(shè)計(jì)方案。與實(shí)際分析的結(jié)果對(duì)比,表明系統(tǒng)特征圖能快速準(zhǔn)確地確定地鐵車(chē)輛通風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。該方法也能運(yùn)用到其它的空調(diào)設(shè)計(jì)中。
關(guān)鍵詞　地鐵車(chē)輛,空調(diào)通風(fēng),系統(tǒng)特征圖
分析研究和解決地鐵交通的環(huán)境控制和車(chē)輛空氣調(diào)節(jié)是發(fā)展地鐵交通的重要課題之一,這不僅關(guān)系到乘客的舒適性和安全性,而且直接影響地鐵工程的建設(shè)費(fèi)用。但是對(duì)地鐵車(chē)輛的通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究表明,各種方案的選擇往往需要較長(zhǎng)時(shí)間。本文借用運(yùn)籌學(xué)中的一種網(wǎng)絡(luò)技術(shù)即特征圖來(lái)對(duì)比通風(fēng)方案的優(yōu)劣。
1 　特征圖的基本原理
特征圖作為一種網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是運(yùn)籌學(xué)的一個(gè)重要分支。只要能形成系統(tǒng),能用圖G(E,V ,σ) 表示的,均可用特征圖表示[1 ]。G代表對(duì)應(yīng)通風(fēng)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)圖,V 是圖G的節(jié)點(diǎn)集合,V = { v1 ,v2 , ?, vm} , 其中m 為節(jié)點(diǎn)的個(gè)數(shù); E 是網(wǎng)絡(luò)中所有分支的集合, E = {e1 ,e2 , ?,en} , 其中n 為分支的數(shù)目;σ是節(jié)點(diǎn)vi 與邊ej 之間的連接關(guān)系。風(fēng)網(wǎng)特征圖也叫壓能圖、平衡圖,就是通風(fēng)網(wǎng)路中的每一條邊用矩形框來(lái)表示,并按一定的關(guān)聯(lián)關(guān)系排列在圖上;在同一比例下,矩形塊的寬等于該邊的風(fēng)量,高等于該邊的風(fēng)壓,矩形面積等于該邊的通風(fēng)消耗的功耗。
1.1 　基本關(guān)聯(lián)矩陣與節(jié)點(diǎn)線A[2 ]
風(fēng)網(wǎng)的基本關(guān)聯(lián)矩陣是表示節(jié)點(diǎn)之間的鄰接關(guān)系,用A(G) = (aij)(m-1) ×n 形式表示節(jié)點(diǎn)與邊之間的連接關(guān)系。aij = 1 ,當(dāng)(vi,vk) = ej ∈ E; aij = -1 ,當(dāng)(vk,vi) = ej ∈ E;aij = 0 ,其它。由基本關(guān)聯(lián)矩陣能做出節(jié)點(diǎn)線A , 與節(jié)點(diǎn)線相鄰的上、下各塊的風(fēng)量滿(mǎn)足流量平衡定律,即節(jié)點(diǎn)線相鄰的上塊風(fēng)量之和等于下塊風(fēng)量之和。
1.2 　基本回路矩陣與回路線B
基本回路矩陣是表示風(fēng)網(wǎng)中回路與邊之間的關(guān)系,用矩陣B = (bij)(n-m+1) ×n 表示。bij = 1 ,ej 在回路i上,且方向相同;bij =-1 ,ej 在回路i 上, 且方向相反;bij = 0 ,其它。與回路線B 相鄰的左、右兩側(cè)各塊的阻力滿(mǎn)足能量平衡定律。即回路線相鄰的左側(cè)各塊的阻力之和等于右側(cè)各塊阻力之和。
1.3 　獨(dú)立半割集矩陣與半割集線S
傳統(tǒng)的風(fēng)量平衡定律認(rèn)為,對(duì)通風(fēng)網(wǎng)路在任一時(shí)刻其任一節(jié)點(diǎn)的風(fēng)量代數(shù)和等于0 。而廣義的風(fēng)量平衡定律指通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)在任一時(shí)刻其任一割集的風(fēng)量代數(shù)和也為0 。由半割集線S 相割的各塊風(fēng)量之和等于該系統(tǒng)的總風(fēng)量,這是廣義上的流量平衡。獨(dú)立半割集矩陣S = (sij)(m-1) ×n,sij =1 ,ej 在半割集i 上;sij = 0 ,其它。
1.4 　獨(dú)立通路矩陣與通路線P
傳統(tǒng)的風(fēng)壓平衡定律認(rèn)為,通風(fēng)回路中的任一回路其風(fēng)壓的代數(shù)和為0 。廣義的風(fēng)壓平衡認(rèn)為通風(fēng)網(wǎng)路中任意兩條有向通路的風(fēng)壓相等。由通路線
P相割的各塊阻力之和等于該系統(tǒng)的總阻力,這是廣義上的能量平衡。獨(dú)立通路矩陣P= (pij)(n-m+2) ×n, pij = 1 ,ej 在通路i 上; pij = 0 ,其它。
1. 5 　風(fēng)網(wǎng)特征圖的表示
把風(fēng)管的布置圖看作是風(fēng)網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)分支,則通風(fēng)設(shè)計(jì)方案就可以表示成相對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)特征圖。應(yīng)用系統(tǒng)特征圖對(duì)通風(fēng)風(fēng)管進(jìn)行分析可以看出各個(gè)方案的設(shè)計(jì)性能。通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)圖中的每條邊分別對(duì)應(yīng)特征圖中的相應(yīng)序號(hào)的矩形塊,矩形塊的排列
學(xué)術(shù)專(zhuān)論
是按邊的連接關(guān)系排序的。矩形塊的寬等于該邊的風(fēng)量,高等于該邊的風(fēng)壓,矩形面積等于該邊的通風(fēng)消耗的功率。見(jiàn)圖1。

圖1　風(fēng)網(wǎng)特征圖表示
2　地鐵車(chē)輛的通風(fēng)方案
地鐵車(chē)輛內(nèi)經(jīng)過(guò)處理的送風(fēng)和回風(fēng)都必須通過(guò)風(fēng)道才能進(jìn)入空調(diào)區(qū)域;而且空調(diào)區(qū)域的送、回風(fēng)量能否達(dá)到設(shè)計(jì)要求,則完全取決于風(fēng)道系統(tǒng)的壓力分布以及風(fēng)機(jī)在該系統(tǒng)中的平衡工作點(diǎn)。所以風(fēng)道設(shè)計(jì)將直接影響空調(diào)區(qū)域氣流組織和空調(diào)效果。同時(shí),空氣在風(fēng)道內(nèi)流動(dòng)所損失的能量,是靠風(fēng)機(jī)消耗電能予以補(bǔ)償?shù)?所以風(fēng)道的設(shè)計(jì)也直接影響空調(diào)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性。因此,風(fēng)道系統(tǒng)的設(shè)計(jì),是在滿(mǎn)足設(shè)計(jì)風(fēng)量等要求的前提下,盡可能節(jié)省能量。如何從系統(tǒng)的整體性來(lái)考慮,使通風(fēng)系統(tǒng)的整體性能達(dá)到最優(yōu),是選擇通風(fēng)方案的首要考慮的問(wèn)題。在對(duì)某地鐵車(chē)輛通風(fēng)方案的設(shè)計(jì)過(guò)程中, 經(jīng)過(guò)對(duì)各種設(shè)計(jì)方案的反復(fù)比較與分析,確定下來(lái)3種可選用的通風(fēng)設(shè)計(jì)方案[3] 。
2.1 　方案1
全車(chē)(以帶司機(jī)室為例)以空調(diào)器置于車(chē)內(nèi),送風(fēng)口布置及風(fēng)道系統(tǒng)布置圖見(jiàn)圖2(注:系統(tǒng)圖中10 部分管道是指帶司機(jī)室車(chē)的風(fēng)道布置,其尺寸為0.1 m×0.2 m, 而無(wú)司機(jī)室車(chē)的風(fēng)道布置則沒(méi)有該部分) 。每?jī)上噜忥L(fēng)口中心線距離為2.35 m, 司機(jī)室送風(fēng)量為54 m3/h。本文以帶司機(jī)室車(chē)為例,按負(fù)荷計(jì)算的總送風(fēng)量為9 878 m3/h、每車(chē)選2臺(tái)空調(diào)器計(jì)算,則每臺(tái)空調(diào)器送風(fēng)量計(jì)為V =4 939 m3/h。方案1風(fēng)道阻力計(jì)算列于表1, 風(fēng)道阻力計(jì)算用風(fēng)系統(tǒng)單線圖與系統(tǒng)特征圖見(jiàn)圖2。特征圖中的虛線表示通風(fēng)系統(tǒng)的最大阻力線,圖中矩形塊的數(shù)字與單線圖中的數(shù)字對(duì)應(yīng)。

圖2　方案1系統(tǒng)的單線圖和特征圖

表1 　方案1 風(fēng)道阻力計(jì)算數(shù)據(jù)表

2. 2 　方案2 口布置及風(fēng)道系統(tǒng)布置圖與系統(tǒng)特征圖見(jiàn)圖3 , 風(fēng)道阻力計(jì)算列于表2 。
表2 　方案2 風(fēng)道阻力計(jì)算數(shù)據(jù)表

圖3 　方案2 系統(tǒng)的單線圖和特征圖
2. 3 　方案3 風(fēng)口布置及風(fēng)道系統(tǒng)布置圖與系統(tǒng)特征圖見(jiàn)圖4 ,
風(fēng)道阻力計(jì)算列于表3 。全車(chē)(以帶司機(jī)室為例) 以空調(diào)器頂置于車(chē)內(nèi),

圖4 　方案3 系統(tǒng)的單線圖和特征圖具有靜壓箱作用的主風(fēng)道,測(cè)得各部分阻力分配均
2. 4 　實(shí)際通風(fēng)方案的比較勻。方案2 實(shí)際上是方案1 的一種變型,也充分利
根據(jù)試驗(yàn)測(cè)定報(bào)告[ 3 ] ,方案1 充分考慮利用地用有限空間,設(shè)置了具有靜壓箱作用的主風(fēng)道,各鐵車(chē)輛內(nèi)的有限空間,系統(tǒng)布置比較流暢,設(shè)置了部分阻力分配較為均勻;但由于主風(fēng)道中存在一個(gè)較大的彎頭,增大了風(fēng)道系統(tǒng)的阻力,與方案1 相比系統(tǒng)的阻力大一些。方案3 沒(méi)有設(shè)置主風(fēng)道,沒(méi)有充分利用空間來(lái)布置風(fēng)道,各部分阻力分配不均勻,測(cè)得噪聲較大。因此,最后選擇方案1 作為最佳的設(shè)計(jì)方案。

表3 　方案3 風(fēng)道阻力計(jì)算數(shù)據(jù)表

3 　系統(tǒng)特征圖的應(yīng)用
利用通路線,從特征圖中得出方案3 的最大阻力為266 Pa , 遠(yuǎn)大于方案1 的最大阻力值148 Pa 與方案2 的最大阻力值160 Pa 。
利用節(jié)點(diǎn)線,比較3 種方案的流量平衡。從特征圖中得出方案1 與方案2 各個(gè)部分的支流流量的分配相對(duì)于方案3 的支流流量分配更加均勻合理。
利用回路線,比較3 種方案的壓力平衡。從特征圖中得出方案3 各部分之間的最大壓力差值為119 Pa , 大于方案1 各部分之間最大壓力差值21 Pa 與方案2 各部分之間的最大壓力差值34 Pa 。
此外,還可計(jì)算3 種方案的通風(fēng)功耗。根據(jù)前述的原理,總功耗等于特征圖中各個(gè)方塊的面積之和,由此可得方案1 的總功耗為177 W , 方案2 的總功耗為179 W , 方案3 的總功耗為255 W 。從節(jié)省能量的角度考慮,方案1 為最佳。
這樣,從最大阻力、流量平衡、壓力平衡以及通風(fēng)總功耗出發(fā)分析得出,方案1 與方案2 的綜合性能好于方案3 。用上述同樣的辦法,分析出方案1 比方案2 的性能好。由此在這3 個(gè)方案中選擇方案1 , 與試驗(yàn)測(cè)定報(bào)告得到的結(jié)論一致。
本文借用系統(tǒng)特征圖的概念與方法,對(duì)地鐵車(chē)輛的通風(fēng)系統(tǒng)方案的選擇進(jìn)行了分析,得到令人滿(mǎn)意的結(jié)論,并與實(shí)際測(cè)試報(bào)告的結(jié)果完全吻合。文中所提出的方法考慮了通風(fēng)系統(tǒng)的綜合性能,具有一定的參考價(jià)值,該方法也能運(yùn)用到其它的空調(diào)通風(fēng)設(shè)計(jì)中。

參　考　文　獻(xiàn)
1 　徐瑞龍. 用于地下通風(fēng)系統(tǒng)管理的系統(tǒng)特征圖. 暖通空調(diào),2000 , (5) :80～82
2 　謝朝軍. 地鐵通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)的數(shù)學(xué)模型及電算方法初探. 現(xiàn)代隧道技術(shù),2001 , (6) :53～56
3 　中南大學(xué)制冷空調(diào)研究所. 北京地鐵車(chē)輛空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)性能試驗(yàn)研究報(bào)告,2001