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摘要地鐵車輛的空調通風設計是保證地鐵車輛內環(huán)境的重要前提。針對某一地鐵車輛空調設計方案,探討應用系統(tǒng)特征圖的原理方法來比較分析可能采用的設計方案。與實際分析的結果對比,表明系統(tǒng)特征圖能快速準確地確定地鐵車輛通風系統(tǒng)的設計方案。該方法也能運用到其它的空調設計中。

關鍵詞地鐵車輛,空調通風,系統(tǒng)特征圖

分析研究和解決地鐵交通的環(huán)境控制和車輛空氣調節(jié)是發(fā)展地鐵交通的重要課題之一,這不僅關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費用。但是對地鐵車輛的通風系統(tǒng)設計研究表明,各種方案的選擇往往需要較長時間。本文借用運籌學中的一種網(wǎng)絡技術即特征圖來對比通風方案的優(yōu)劣。

1特征圖的基本原理

特征圖作為一種網(wǎng)絡技術是運籌學的一個重要分支。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代表對應通風系統(tǒng)的網(wǎng)絡圖,V是圖G的節(jié)點集合,V={v1,v2,?,vm},其中m為節(jié)點的個數(shù);E是網(wǎng)絡中所有分支的集合,E={e1,e2,?,en},其中n為分支的數(shù)目;σ是節(jié)點vi與邊ej之間的連接關系。風網(wǎng)特征圖也叫壓能圖、平衡圖,就是通風網(wǎng)路中的每一條邊用矩形框來表示,并按一定的關聯(lián)關系排列在圖上;在同一比例下,矩形塊的寬等于該邊的風量,高等于該邊的風壓,矩形面積等于該邊的通風消耗的功耗。

1.1基本關聯(lián)矩陣與節(jié)點線A[2]

風網(wǎng)的基本關聯(lián)矩陣是表示節(jié)點之間的鄰接關系,用A(G)=(aij)(m-1)×n形式表示節(jié)點與邊之間的連接關系。aij=1,當(vi,vk)=ej∈E;aij=-1,當(vk,vi)=ej∈E;aij=0,其它。由基本關聯(lián)矩陣能做出節(jié)點線A,與節(jié)點線相鄰的上、下各塊的風量滿足流量平衡定律,即節(jié)點線相鄰的上塊風量之和等于下塊風量之和。

1.2基本回路矩陣與回路線B

基本回路矩陣是表示風網(wǎng)中回路與邊之間的關系,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、右兩側各塊的阻力滿足能量平衡定律。即回路線相鄰的左側各塊的阻力之和等于右側各塊阻力之和。

1.3獨立半割集矩陣與半割集線S

傳統(tǒng)的風量平衡定律認為,對通風網(wǎng)路在任一時刻其任一節(jié)點的風量代數(shù)和等于0。而廣義的風量平衡定律指通風網(wǎng)絡在任一時刻其任一割集的風量代數(shù)和也為0。由半割集線S相割的各塊風量之和等于該系統(tǒng)的總風量,這是廣義上的流量平衡。獨立半割集矩陣S=(sij)(m-1)×n,sij=1,ej在半割集i上;sij=0,其它。

1.4獨立通路矩陣與通路線P

傳統(tǒng)的風壓平衡定律認為,通風回路中的任一回路其風壓的代數(shù)和為0。廣義的風壓平衡認為通風網(wǎng)路中任意兩條有向通路的風壓相等。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風網(wǎng)特征圖的表示

把風管的布置圖看作是風網(wǎng)絡的一個分支,則通風設計方案就可以表示成相對應的系統(tǒng)特征圖。應用系統(tǒng)特征圖對通風風管進行分析可以看出各個方案的設計性能。通風網(wǎng)絡圖中的每條邊分別對應特征圖中的相應序號的矩形塊,矩形塊的排列

學術專論

是按邊的連接關系排序的。矩形塊的寬等于該邊的風量,高等于該邊的風壓,矩形面積等于該邊的通風消耗的功率。見圖1。

圖1風網(wǎng)特征圖表示

2地鐵車輛的通風方案

地鐵車輛內經過處理的送風和回風都必須通過風道才能進入空調區(qū)域;而且空調區(qū)域的送、回風量能否達到設計要求,則完全取決于風道系統(tǒng)的壓力分布以及風機在該系統(tǒng)中的平衡工作點。所以風道設計將直接影響空調區(qū)域氣流組織和空調效果。同時,空氣在風道內流動所損失的能量,是靠風機消耗電能予以補償?shù)?所以風道的設計也直接影響空調系統(tǒng)的經濟性。因此,風道系統(tǒng)的設計,是在滿足設計風量等要求的前提下,盡可能節(jié)省能量。如何從系統(tǒng)的整體性來考慮,使通風系統(tǒng)的整體性能達到最優(yōu),是選擇通風方案的首要考慮的問題。在對某地鐵車輛通風方案的設計過程中,經過對各種設計方案的反復比較與分析,確定下來3種可選用的通風設計方案[3]。

2.1方案1

全車(以帶司機室為例)以空調器置于車內,送風口布置及風道系統(tǒng)布置圖見圖2(注:系統(tǒng)圖中10部分管道是指帶司機室車的風道布置,其尺寸為0.1m×0.2m,而無司機室車的風道布置則沒有該部分)。每兩相鄰風口中心線距離為2.35m,司機室送風量為54m3/h。本文以帶司機室車為例,按負荷計算的總送風量為9878m3/h、每車選2臺空調器計算,則每臺空調器送風量計為V=4939m3/h。方案1風道阻力計算列于表1,風道阻力計算用風系統(tǒng)單線圖與系統(tǒng)特征圖見圖2。特征圖中的虛線表示通風系統(tǒng)的最大阻力線,圖中矩形塊的數(shù)字與單線圖中的數(shù)字對應。

圖2方案1系統(tǒng)的單線圖和特征圖

表1方案1風道阻力計算數(shù)據(jù)表

2.2方案2口布置及風道系統(tǒng)布置圖與系統(tǒng)特征圖見圖3,風道阻力計算列于表2。

表2方案2風道阻力計算數(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風口布置及風道系統(tǒng)布置圖與系統(tǒng)特征圖見圖4,

風道阻力計算列于表3。全車(以帶司機室為例)以空調器頂置于車內,

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道,測得各部分阻力分配均

2.4實際通風方案的比較勻。方案2實際上是方案1的一種變型,也充分利

根據(jù)試驗測定報告[3],方案1充分考慮利用地用有限空間,設置了具有靜壓箱作用的主風道,各鐵車輛內的有限空間,系統(tǒng)布置比較流暢,設置了部分阻力分配較為均勻;但由于主風道中存在一個較大的彎頭,增大了風道系統(tǒng)的阻力,與方案1相比系統(tǒng)的阻力大一些。方案3沒有設置主風道,沒有充分利用空間來布置風道,各部分阻力分配不均勻,測得噪聲較大。因此,最后選擇方案1作為最佳的設計方案。

表3方案3風道阻力計算數(shù)據(jù)表

3系統(tǒng)特征圖的應用

利用通路線,從特征圖中得出方案3的最大阻力為266Pa,遠大于方案1的最大阻力值148Pa與方案2的最大阻力值160Pa。

利用節(jié)點線,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各個部分的支流流量的分配相對于方案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119Pa,大于方案1各部分之間最大壓力差值21Pa與方案2各部分之間的最大壓力差值34Pa。

此外,還可計算3種方案的通風功耗。根據(jù)前述的原理,總功耗等于特征圖中各個方塊的面積之和,由此可得方案1的總功耗為177W,方案2的總功耗為179W,方案3的總功耗為255W。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個方案中選擇方案1,與試驗測定報告得到的結論一致。

本文借用系統(tǒng)特征圖的概念與方法,對地鐵車輛的通風系統(tǒng)方案的選擇進行了分析,得到令人滿意的結論,并與實際測試報告的結果完全吻合。文中所提出的方法考慮了通風系統(tǒng)的綜合性能,具有一定的參考價值,該方法也能運用到其它的空調通風設計中。

參考文獻

1徐瑞龍.用于地下通風系統(tǒng)管理的系統(tǒng)特征圖.暖通空調,2000,(5):80～82

2謝朝軍.地鐵通風網(wǎng)絡的數(shù)學模型及電算方法初探.現(xiàn)代隧道技術,2001,(6):53～56

3中南大學制冷空調研究所.北京地鐵車輛空調通風系統(tǒng)性能試驗研究報告,2001