بخشی از مقاله
چکیده
تونلهای راه بخشی از جادهها هستند که به منظور اجتناب از مشکلات جادههای کوهستانی و کوتاه نمودن مسیر، احداث میشوند لیکن افزایش بهرهبرداری و ترافیک استفاده کنندگان از این تونلها، میتواند موجب کاهش میزان ایمنی آنها گردد. ایمن سازی تونلها به عنوان یکی از مهمترین بخشهای مسیر حمل و نقل جزء اولویتهای بسیار مهم و حیاتی است و تهویه نقش مهمی را در این میان ایفا مینماید. اهمیت مسئله بدان حد است که هر چهار سال یک بار انجمن بین المللی کنگرههای راه - PIARC - در کشورهای مختلف برگزار و این موضوع را مورد بررسی قرار میدهد.
استانداردهای مختلفی جهت محاسبهی حجم هوای تازه برای تهویه تونلهای راه ارائه شده است که در این مقاله از استاندارد پیارک استفاده شده است و استراتژیهای مختلف تهویه در تونلهای راه با ارائه مطالعه موردی بررسی شده است. از آن جا که صرفه جویی در مصرف انرژی از جمله مهمترین مسائلی است که باید به آن توجه شود در انتهای این تحقیق روشهای کنترل تهویه پیشخور و پسخور با یکدیگر مقایسه شده و میزان مصرف انرژی در این دو روش با هم مقایسه شده است.
.1 مقدمه
سیستم تهویه تونل به منظور تامین هوای تازه در تمامی نقاط تونل، نگهداشتن سطح آلودگی در زیر حد مجاز، تامین دید کافی برای رانندگان و کنترل حرارت و دود به هنگام آتش سوزی است. از آنجا که تونل ها فضای بستهی ترافیکی هستند میتوان گفت همهی تونلهای ترافیکی نیاز به تهویه دارند. حال ممکن است، این تهویه به صورت طبیعی انجام شود و یا به وسیلهی اثر پیستونی وسایل نقلیه و یا با وسایل مکانیکی صورت پذیرد. به منظور نگهداشتن گازهای سمی و آلایندهها در حد قابل قبول در حالت کار عادی و یا خارج کردن گازهای داغ و دود در زمان آتش سوزی، به یک سیستم تهویه نیاز است.
پس از تعیین میزان آلایندههای مختلف در تونل بایستی میزان هوای تازه مورد نیاز جهت رقیق کردن آلایندهها را محاسبه نمود. روشهای متفاوتی جهت محاسبهی هوای تازه مورد نیاز ارائه شده است. به طور کلی در همهی این روشها شدت جریان هوا در چند مرحله جداگانه، به منظور رقیق کردن گاز مونواکسید کربن، اکسیدهای ازت و دوده محاسبه میشود. بزرگترین مقدار هوای محاسبه شده به عنوان مبنای طراحی تهویه انتخاب میشود. امروزه کمیته بین المللی پیارک1سعی در همگرا کردن روشهای مختلف محاسبهی هوای تازه و ارائه یک روش کلی و جامع نموده است.
.2 روش های محاسبه حجم هوای تازه برای تهویه تونلهای راه
هوای تازه مورد نیاز برای تهویه هوای تونل با توجه به شرایط مختلف و آلاینده های گوناگون با استاندارد های زیر محاسبه میشود: استاندارد پیارک، استاندارد انگلیسی، استاندارد آمریکایی، استاندارد نروژی، استاندارد فرانسوی، استاندارد ژاپنی
2؛.1 محاسبهی حجم هوای تازه به روش پیارک
مقدار هوای تازهی مورد نیازبرای یک ترافیک مشخص به تعداد وسایل نقلیه در تونل، متوسط آلایندههای منتشره از وسایل نقلیه، میزان آلودگی محیط و حد مجاز آلودگی در تونل بستگی دارد و از رابطهی زیر به دست می آید. که در آن شدت جریان هوای لازم بر حسب m3/h، Nveh تعداد وسایل نقلیهی موجود در تونل در یک سرعت ترافیک مشخص، میزان آلایندگی تولیدی بر حسب hveh یا hveh ، Cadm حد مجاز آلاینده بر حسب ppm و Camb میزان آلاینده موجود در هوای محیط بر حسب ppm است.
.3 سیستمهای نوین کنترل تهویه
در گذشته کنترل کنندههای سیستم تهویه معمولا با استفاده از روشهای کلاسیک کنترل خطی به صورت کنترلرهای PID استفاده میگردید. از آنجا که پارامترهای متغیر در تهویه به صورت غیر خطی تغییر میکنند لذا استفاده از روشهای کنترل خطی و روشهای کمی جهت کنترل مناسب نیست. در سالهای اخیر و به تدریج با مطرح شدن روشهای کنترل غیر خطی و روشهای عصبی، فازی و سیستمهای خبره، استفاده از این روشها در سیستم کنترل متداول گردید.
در این قسمت به معرفی یک سیستم کنترلی مدرن که در تونلهای ژاپن پیاده گردیده پرداخته میشود این سیستم در تونلهای شاهراه Kyush ژاپن استفاده شده است. روش مورد نظر به صورت قابل انعطاف و همزمان - Real time - کار میکند و مبتنی بر روشهای کنترل فازی و همچنین روشهای پردازش دادههای ارسالی از سنسورها است. این روش اولین بار در سال 1988 به کار گرفته شده است و در زمینهی کنترل تهویهی تونلها بسیار کارآمد بوده است. با استفاده از این روش هزینهی انرژی مصرفی سیستم تهویه 27 درصد کاهش یافته است.
3؛.1 اصول سیستمهای مدرن کنترل تهویه
با استفاده از اطلاعات جمع آوری شده از سنسورها سیستم کنترل تهویه میزان آلودگی ناشی از وسایل نقلیه و اثر پیستونی - فشار هوای ناشی از حرکت اتومبیلها به جلو - را تخمین میزند. میزان آلودگی محاسبه شده میتواند جهت توزیع بهینه ی بار تهویه بین جت فنها استفاده شود بدین ترتیب میتوان اطمینان یافت که آلودگی از حد مجاز از پیش تعیین شده بالاتر نمیرود و تجهیزات تهویه به صورت بهینه کار خواهد کرد . در گذشته از مدلهای کمی جهت این کار استفاده میشد.
استفاده از این مدلها جهت کنترل بهینهی همراه با حداقل کردن هزینهی انرژی با توجه به آشفتگی جریان هوا و آلودگی ناشی از اتومبیلها بسیار مشکل است. به منظور حل این مشکل اتحادیهی شاهراههای ژاپن با همکاری شرکت هیتاچی نسل جدیدی از سیستم کنترلی تهویه را توسعه دادند که با استفاده از روشهای کنترل فازی-خبره روشهای پردازش داده کار میکند. از آنجا که مقادیر آلودگی به صورت متغیرهای غیرقابل پیش بینی است، سیستم دارای یک ساختار با منطق فازی است که آن را قادرمیسازد بهترین نتایج را با استفاده از مدلهای تخمینی به دست آورد.
این سیستم شرایط آتی تهویه را با استفاده از پارامترهای مختلف گرفته شده از سنسورها تعیین میکند و بهترین راهکار کنترلی را انتخاب میکند. منطق فازی برای رویدادهای غیرخطی بسیار سازگار است این سیستم در دو تونل Kyush استفاده شده است. به منظور مقایسهی کارکرد سیستم جدید با سیستم کنترلی کمی - سیستم قدیمی - به مدت یک هفته سیستم قدیمی در این تونلها نصب گردید. اولین هدف کنترل میزان دید VI در یک مقدار مشخص بود. نتایج نشان داده است که هر دو مدل کنترل میزان دید را برآورده ساختند، اما استفاده از روش کنترلی جدید، مقادیر پایدارتری را بدست داده است. علاوه بر این شواهد استفاده از روش کنترل جدید حاکی از کاهش تعداد روشن و خاموشها در دوره زمانی طولانی، افزایش پایداری شعاع دید و نهایتا کاهش انرژی بوده است.
3؛.2 بررسی فنی و اقتصادی
به منظور مقایسهی اقتصادی این دو طرح یک متغیر EQ به عنوان میزان مصرف انرژی به ازای هر اتومبیل در واحد کیلومتر تعریف میشود. مقدار EQ روش کنترلی جدید برابر 0/043 کیلووات ساعت بر اتومبیل در کیلومتر است. این مقدار برای روش کمی قدیمی برابر 0/059 است. میزان مصرف انرژی در این روش کنترلی جدید 27 درصد کاهش یافته است.
3؛.3 بررسی و شبیه سازی روشهای مختلف کنترل تهویه
بر اساس یک طبقه بندی روشهای مختلف کنترل تهویه به روشهای بدون کارکرد جت فن، کارکرد دائم جت فن، کنترل پسخور و کنترل پیشخور تقسیم میشوند. در این قسمت سعی بر آن است تا با استفاده از دادههای به دست آمده از سنسورها در تونل و یک سیستم نرم افزاری روشهای مختلف کنترل تهویه شبیه سازی گردد و در نهایت نتایج حاصل را مقایسه نمود. این شبیه سازی به عنوان قسمتی از یک کار تحقیقاتی است که در کشور ژاپن انجام شده است.
3؛.4 ساختار سیستم شبیه سازی عددی
شبیه ساز از دو قسمت مدلها و کنترل کننده تشکیل شده است که به ساختمان تهویه و سنسورها متصل شدهاند. نمای سیستم در شکل 1 نشان داده شده است و قسمت مدلها - plant - ساختار فیزیکی تونل را شرح میدهد و شامل مدل آیرودینامیکی، مدل آلودگی، مدل ترافیکی و مدل سیستم تهویه است. اطلاعات از طریق فلشهای نشان داده شده بین این مدلها جابجا میشوند. مدل کنترل کننده با استفاده از اطلاعات ترافیکی، میزان دید در هر دو دهنه و سرعت جریان هوا از سنسورها، جت فنهایی که باید در دورهی زمانی بعدی کار کنند را مشخص میکند. در ادامه به معرفی روشهای مختلف کنترلی پرداخته میشود.
