系統特征圖在地鐵車輛通風設計中的應用

　　摘　要　地鐵車輛的空調通風設計是保證地鐵車輛內環境的重要前提。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,表明系統特征圖能快速準確地確定地鐵車輛通風系統的設計方案。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,系統特征圖
分析研究和解決地鐵交通的環境控制和車輛空氣調節是發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絡技術即特征圖來對比通風方案的優劣。
1 　特征圖的基本原理
特征圖作為一種網絡技術是運籌學的一個重要分支。只要能形成系統,能用圖G(E,V ,σ) 表示的,均可用特征圖表示[1 ]。G代表對應通風系統的網絡圖,V 是圖G的節點集合,V = { v1 ,v2 , ?, vm} , 其中m 為節點的個數; E 是網絡中所有分支的集合, E = {e1 ,e2 , ?,en} , 其中n 為分支的數目;σ是節點vi 與邊ej 之間的連接關系。風網特征圖也叫壓能圖、平衡圖,就是通風網路中的每一條邊用矩形框來表示,并按一定的關聯關系排列在圖上;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 　基本關聯矩陣與節點線A[2 ]
風網的基本關聯矩陣是表示節點之間的鄰接關系,用A(G) = (aij)(m-1) ×n 形式表示節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。由基本關聯矩陣能做出節點線A , 與節點線相鄰的上、下各塊的風量滿足流量平衡定律,即節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
傳統的風量平衡定律認為,對通風網路在任一時刻其任一節點的風量代數和等于0 。而廣義的風量平衡定律指通風網絡在任一時刻其任一割集的風量代數和也為0 。由半割集線S 相割的各塊風量之和等于該系統的總風量,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和為0 。廣義的風壓平衡認為通風網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 　風網特征圖的表示
把風管的布置圖看作是風網絡的一個分支,則通風設計方案就可以表示成相對應的系統特征圖。應用系統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域;而且空調區域的送、回風量能否達到設計要求,則完全取決于風道系統的壓力分布以及風機在該系統中的平衡工作點。所以風道設計將直接影響空調區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的,所以風道的設計也直接影響空調系統的經濟性。因此,風道系統的設計,是在滿足設計風量等要求的前提下,盡可能節省能量。如何從系統的整體性來考慮,使通風系統的整體性能達到最優,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布置圖見圖2(注:系統圖中10 部分管道是指帶司機室車的風道布置,其尺寸為0.1 m×0.2 m, 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2.35 m, 司機室送風量為54 m3/h。本文以帶司機室車為例,按負荷計算的總送風量為9 878 m3/h、每車選2臺空調器計算,則每臺空調器送風量計為V =4 939 m3/h。方案1風道阻力計算列于表1, 風道阻力計算用風系統單線圖與系統特征圖見圖2。特征圖中的虛線表示通風系統的最大阻力線,圖中矩形塊的數字與單線圖中的數字對應。

圖2　方案1系統的單線圖和特征圖

表1 　方案1 風道阻力計算數據表

2. 2 　方案2 口布置及風道系統布置圖與系統特征圖見圖3 , 風道阻力計算列于表2 。
表2 　方案2 風道阻力計算數據表

圖3 　方案2 系統的單線圖和特征圖
2. 3 　方案3 風口布置及風道系統布置圖與系統特征圖見圖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,增大了風道系統的阻力,與方案1 相比系統的阻力大一些。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 風道阻力計算數據表

3 　系統特征圖的應用
利用通路線,從特征圖中得出方案3 的最大阻力為266 Pa , 遠大于方案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,還可計算3 種方案的通風功耗。根據前述的原理,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177 W , 方案2 的總功耗為179 W , 方案3 的總功耗為255 W 。從節省能量的角度考慮,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。
本文借用系統特征圖的概念與方法,對地鐵車輛的通風系統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. 用于地下通風系統管理的系統特征圖. 暖通空調,2000 , (5) :80～82
2 　謝朝軍. 地鐵通風網絡的數學模型及電算方法初探. 現代隧道技術,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性能試驗研究報告,2001