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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0.1m×0.2m,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2.35m,司機(jī)室送風(fēng)量為54m3/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9878m3/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=4939m3/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266Pa,遠(yuǎn)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(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(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(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)

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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