Система кондиционирования воздуха (СКВ) пассажирского вагона предназначена для подачи и обработки свежего воздуха, его обеззараживания с целью предотвращения распространения инфекций и болезнетворных бактерий и обеспечения комфортных условий для пассажиров, машинистов и поездной бригады.
Основное требование к системам кондиционирования воздуха на железнодорожном транспорте — стабильность поддержания заданных параметров микроклимата в поезде, независимо от метеорологических условий.
1. Энергоэффективность. Одной из задач, стоящих перед СКВ на железнодорожном транспорте, является минимизация энергопотребления кондиционера. Это связано с тем, что для питания кондиционера используется напряжение 220 В и ниже, которое в поезде можно получить или от контактной сети, или от аккумуляторов.
Электропоезд практически всегда получает электричество от контактной сети переменного тока, напряжение в которой 25 кВ (от 20 до 35 кВ). Возможны два способа понижения вольтажа. Во первых, трансформатор. Как результат, получим необходимое напряжение с минимальными потерями. Однако трансформаторы стоят достаточно дорого, плюс к тому возникают сложности с их установкой и обслуживанием по причине их большого веса и габаритов. Во вторых, получение электричества от колес поезда через генератор. Но в этом случае получаем значительные потери энергии в цепочке: контактная сеть — двигатель — колесная пара — генератор.
В случае контактной сети постоянного тока напряжением 3 кВ (от 2,2 до 4 кВ) возможно использование преобразователей тока, однако их стоимость также чрезвычайно высока. Применение аккумуляторов для получения низкого напряжения на борту поезда, как и в случае с трансформаторами, ограничивается размерами и массой аккумуляторов, а также относительно низкой емкостью батарей.
Таким образом, в любом варианте каждый киловатт низковольтного электричества обходится достаточно дорого, на порядок дороже, чем в условиях стационарного размещения. Этим и обусловлено повышенное внимание к энергопотреблению СКВ.
2. Массогабаритные ограничения. Особенности проектирования СКВ для транспорта, связанные с массой и габаритами системы, очевидны. При этом следует отметить тот факт, что при малых габаритах вагона тепловая нагрузка его достаточно высока, и необходимая холодопроизводительность составляет до 30 кВт на вагон.
- Во-первых, это создает проблему комфортной подачи холодного воздуха в купе: дальнобойность струи должна быть низка, а минимальная температура подаваемого воздуха ограниченна (16 °С). Как правило, это решается установкой потолочного воздухораспределителя большой площади с перфорацией.
- Во-вторых, появляется необходимость в рециркуляции. Для кондиционирования вагона, несомненно, удобно использовать единую установку на весь вагон, которая также обеспечит и подачу свежего воздуха согласно нормативам — от 10 до 20 м 3/ч — в зависимости от наружной температуры. Однако расхода вентиляционного воздуха оказывается недостаточно для отвода требуемого количества тепла. Как следствие, в вагонах формируют рециркуляционный поток воздуха, забираемый из каждого купе в СКВ для охлаждения и подаваемый обратно. То есть для СКВ вагонов поездов характерны относительно мощные потоки воздуха с кратностью воздухообмена в купе, равной 20.
3. Различные климатические условия. Еще одной характерной чертой СКВ на железной дороге является необходимость работы в различных климатических условиях. Путь следования поезда может проходить через несколько климатических зон, и в вагоне постоянно должен сохраняться комфортный микроклимат. Обычно принимают два варианта стандартных условий окружающей среды:
- температура 32 °С, влажность 60%;
- температура 40 °С, влажность 20%.
4. Особенности эксплуатации. К таким особенностям относятся аэродинамические удары. При прохождении встречного поезда или въезде в тоннель образуется ударная волна, способная нанести вред системе кондиционирования вагона. Для защиты от перепадов давления применяют СКВ с двумя параллельными каналами на всасывании воздуха из окружающей среды. При прохождении тоннеля давление снаружи повышается, клапан основного всасывающего воздуховода закрывается, тем временем открывается параллельный воздуховод со встроенным в него вентилятором, который подает приточный воздух к кондиционеру в необходимом количестве.
5. Удароустойчивость системы. Еще одним критичным параметром СКВ в железнодорожном составе является удароустойчивость системы. Наибольший удар (наибольшее ускорение) в вагонах возникает при их сцепке, когда вагоны с небольшой скоростью соударяются и останавливаются практически мгновенно. При этом оборудование внутри вагона, в том числе и СКВ, не должно разрушаться, сохраняя полную работоспособность.
6. Индивидуальное регулирование температуры в купе. Наконец, современные вагоны класса «люкс» и первого класса должны оборудоваться системами индивидуального регулирования температуры воздуха.
Выдержки из технических требований для перспективных пассажирских вагонов локомотивной тяги
При проектировании систем кондиционирования для поездов следует учитывать требования к системам климата вагона, окнам и дверям (раздел 8 документа «Перспективные пассажирские вагоны локомотивной тяги. Технические требования», утвержденного Министерством путей сообщения):
8.3. Система обеспечения климата (СОК) предназначена для обеспечения требуемого микроклимата в пассажирских и служебных помещениях вагона в следующих режимах:
- отопление;
- вентиляция;
- охлаждение.
8.3.1. Состав СОК пассажирских вагонов:
- система отопления (жидкостная, воздушная, комбинированная);
- установка кондиционирования воздуха (УКВ) с обязательными режимами вентиляции, охлаждения и теплонасосного отопления;
- система вентиляции, включающая в себя вентагрегат с устройствами для забора наружного воздуха, воздухораспределения, рециркуляции и удаления отработанного воздуха;
- средства аварийного отопления и вентиляции;
- средства автоматического управления, контроля и диагностики отказов;
- средства ручного управления (в случае выхода из строя системы автоматики).
8.8.1. В купейных вагонах 2 го класса и в вагонах с креслами для сидения 1-го и 2-го классов обеспечение требуемых комфортных параметров микроклимата должно осуществляться автоматически по всем помещениям вагона.
8.8.2. В вагонах «люкс» и купейных вагонах 1 го класса должна быть предусмотрена возможность индивидуального регулирования параметров микроклимата в режимах отопления, охлаждения и вентиляции для обеспечения оптимальных условий по желанию пассажиров.
8.8.3. В спальных вагонах 3-го класса и в вагонах с креслами для сидения 3-го и 4-го классов система обеспечения климата должна быть оснащена необходимым комплексом оборудования, обеспечивающим допустимые параметры микроклимата в помещениях вагона.
8.9. СОК должна обеспечивать равномерное температурное поле в помещениях вагона. 8.9.1. Для вагонов «люкс» и 1-го класса разность температур по длине и высоте салона (купе) в установившемся режиме не должна превышать 2°С. 8.9.2. Для вагонов 2-го и 3-го классов величина должна быть не более 3°С. 8.10. Температура воздуха в помещениях вагона. 8.10.1. В пассажирских (салон, купе) и служебных помещениях вагона номинальное значение температуры воздуха должно соответствовать данным, представленным в таблице 8.1. При температурах наружного воздуха –40 ° < tн < –50 °С допускается снижение температуры воздуха в пассажирских помещениях вагона, но не ниже +18°С (для вагонов «люкс» и 1-го класса — не менее 20°С). Должна быть предусмотрена возможность изменения температуры по отношению к номинальному значению в диапазоне ±2°С с шагом 1°С. 8.10.2. В вагонах «люкс» и 1-го класса (с купейной компоновкой) должна быть предусмотрена возможность индивидуального регулирования температуры воздуха внутри купе в диапазоне от +18 до +28°С с шагом не более 1°С. 8.10.3. Для вагонов «люкс» и 1 го класса при работе СОК в автоматическом режиме температура воздуха в пассажирском помещении (на высоте 1 м от пола) может отличаться (по времени) от заданной величины не более чем на ±1°С. 8.10.4. Для вагонов 2 го и 3 го классов эта величина не должна отличаться более чем на ±2°С. 8.10.5. Средняя температура воздуха в коридорах может отличаться от средней температуры воздуха в пассажирских помещениях не более чем на ±2 °С.
8.10.6. Средняя температура воздуха в туалетах может отличаться от средней температуры воздуха в пассажирских помещениях не более чем на ±2°С (для туалетов с входом из тамбура не более чем на ±3°С), но при этом не должна быть ниже +16°С в условиях зимнего и переходного периодов года. 8.14. При работе СОК должны обеспечиваться нормы подачи наружного свежего воздуха в соответствии с таблицей 8.2. 8.16. Температура приточного воздуха, поступающего в пассажирские помещения, должна иметь следующие предельные температуры:
8.24. В пассажирских вагонах должен быть обеспечен подпор воздуха (превышение статического давления воздуха внутри вагона над статическим давлением воздуха снаружи вагона). Его величина должна быть положительной при расчетных скоростях движения и работе приточной системы вентиляции на всех режимах подачи наружного воздуха, а на стоянке составлять величину не менее 30 Па. 8.25. Скорость движения (подвижность) воздуха в зонах постоянного пребывания пассажиров (для вагонов всех классов) должна быть не более 0,2 м/с в зимний период, а при работе кондиционера в летний период не более 0,25 м/с. | ||||||||||||||||||||||
Состав системы кондиционирования вагона
Система кондиционирования железнодорожного вагона состоит из моноблочного кондиционера и ультрафиолетового обеззараживателя. Основная причина установки обеззараживателя — предотвращение разноса инфекций и загрязнений в рециркуляционном потоке воздуха.
Принцип работы
В моноблочный кондиционер поступает свежий и рециркуляционный воздух. Смешанный воздух проходит через фильтр грубой очистки класса EU4 (согласно DIN 24 185), затем в зимнее время подогревается в водяном калорифере, в который поступает горячая вода из системы отопления. В переходный период нагрев осуществляется электрическим калорифером. В летнее время воздух охлаждается в поверхностном воздухоохладителе, после чего проходит через каплеуловитель для отделения влаги. После моноблочной установки воздух попадает в обеззараживатель, где проходит антибактерицидную обработку и затем раздается по вагону.
Влага из каплеуловителя собирается в емкость и отводится наружу. Существуют СКВ вагонов поездов, в которых благодаря близости испарителя и конденсатора в моноблоке конденсат впрыскивается в поток воздуха, охлаждающего конденсатор, за счет чего снижается температура конденсации и уменьшается нагрузка на кондиционер.
Моноблочный кондиционер
Рис. 1. Общий вид установки для кондиционирования воздуха производства ЗАО «ЛАНТЕП» для вагона поезда (изображение взято из книги В.А.Жарикова «Климатические системы пассажирских вагонов».
Моноблочный кондиционер (рис. 1) канального типа устанавливается в пространстве подшивного потолка тамбура вагона. Забор приточного вентиляционного воздуха осуществляется через решетки с боковых сторон симметрично с двух сторон. Также с боков забирается и воздух для охлаждения конденсатора. Физически воздухозаборные решетки размещаются над входными дверьми в вагон. Выброс воздуха из конденсатора — вертикально вверх. Подача подготовленного воздуха — горизонтально вдоль вагона по магистральным воздуховодам. Моноблочный кондиционер представляет собой холодильную машину, состоящую из двух отсеков — испарительного и конденсаторного. В испарительном отсеке установлены: фильтр, водяной и электрический калориферы, воздухоохладитель, каплеотделитель и один или два центробежных вентилятора. В конденсаторном отсеке расположены один или два компрессора, как правило, спирального типа. СКВ одновременно выполняет функции и кондиционера (охлаждение воздуха) и вентиляционной установки (подача свежего воздуха, выброс вытяжного воздуха).
В основе работы кондиционера — цикл парокомпрессионной холодильной машины.
В теплообменнике-испарителе хладагент охлаждает воздух, который далее поступает непосредственно в вагон. На вход в испаритель приходит смесь воздуха — свежего наружного и рециркуляционного. Количество свежего воздуха определяется нормативами, а объем рециркуляции — минимальной температурой подаваемого в вагон воздуха.
Требование индивидуального регулирования температуры в купе
Рис. 2. Дисплей системы управления компании SIEMENS (фото автора).
Сейчас климатические системы вагонов всех классов обеспечивают автоматическое поддержание температуры воздуха в помещениях в расчете на «среднего человека»: зимой и в переходные периоды года — на уровне 22±2°С, а летом 24±2°С. Кроме того, автоматика позволяет с центрального пульта изменять установленное значение на 2°С с шагом 1°С. Таким образом, зимой и в переходные периоды года в помещениях вагонов может быть температура воздуха в пределах +18…+26°С, а летом +20…+28°С. Согласно «Санитарным правилам по организации пассажирских перевозок на железнодорожном транспорте» (СП 2.5.1198–03) в каждом купе пассажирских вагонов класса «люкс» и 1 го класса должны устанавливаться системы индивидуального регулирования температуры воздуха в диапазоне от +18 до +28 °С с шагом не более 1°С. Таким образом, пассажирам предоставляется возможность самим выбирать температуру в купе независимо от режима работы центральной климатической системы вагона.
Следовательно, диапазон регулирования температур соответствует требованиям СП 2.5.1198–03. Однако он будет один для всех пассажиров вагона. В силу индивидуальных особенностей, физиологического состояния на данный момент ощущение комфорта по температуре у пассажиров различно. Поэтому для пассажиров вагонов «люкс» и 1 го класса предоставляется дополнительное оплачиваемое удобство.
Автоматическое регулирование температуры воздуха в купе
Одним из наиболее сложных вопросов при создании СКВ с автоматизированным индивидуальным регулированием температуры в каждом купе является выбор параметров регулирования производительностью кондиционера.
Наиболее простое и очевидное решение — плавное регулирование холодопроизводительности кондиционера посредством, например, инверторного привода.
При индивидуальном регулировании температуры подаваемого в купе воздуха проблема сводится к выбору базовой точки для летнего и зимнего режимов функционирования системы, от которой далее следует отталкиваться доводчикам. Так, значение температуры приточного воздуха при работе в режиме «охлаждение» можно выбрать по минимально допустимому значению подаваемого в купе воздуха, равному 16°C. При работе в режиме «отопление» или «тепловой насос» базовая температура приточного воздуха выбирается максимально возможной, то есть 26 или 28°C.
Такое техническое решение имеет ряд недостатков с точки зрения поддержания заданных значений при малых величинах теплоизбытков и теплопотерь (в диапазоне температур наружного воздуха от 0 до 20°C).
Другое решение — введение понятия «базового», или «ведущего», купе и ориентирование центрального кондиционера на заданные в нем параметры. При этом ведущее купе определяется следующим образом: в летний период выбирается купе с минимальной температурой, выбранной пассажирами, в переходный и зимний периоды — с максимальной температурой.
Система вентиляции воздуха
Вентиляция воздуха предназначена для удаления воздуха из помещений вагона и замена его чистым наружным. Существует два вида вентиляции:
- естественная;
- принудительная.
В пассажирских вагонах применяется как естественная, так и принудительная (механическая) вентиляция. По принципу работы вентиляцию разделяют на приточную, вытяжную и приточно-вытяжную.
- Естественная вентиляция осуществляется с помощью каких-либо неподвижных устройств и не требует затрат энергии.
- Принудительная вентиляция осуществляется с помощью центробежных или осевых вентиляторов и требует постоянной затраты энергии, в основном — электрической.
Современные пассажирские вагоны оснащены приточной вентиляцией с использованием центробежных вентиляторов, которая:
- создает необходимый воздухообмен, благодаря чему воздух внутри вагона обеспечивается достаточным количеством кислорода и ограничивается содержание углекислого газа, пыли и гнилостных примесей, образующихся в результате жизнедеятельности пассажиров;
- создает подвижность воздуха в зоне пребывания пассажиров;
- создает подпор воздуха в вагоне, препятствуя тем самым проникновению внутрь воздуха, не очищенного от пыли, зимой ненагретого, а летом неохлажденного воздуха, поступающего через неплотности в ограждениях;
- совместно с системой кондиционирования воздуха охлаждает вагон;
- при калориферном отоплении совместно с системой отопления обогревает вагон.
Естественная вентиляция (через открытые окна) является наиболее простым способом. Однако использование этого способа связано с существенными недостатками:
- возможность осуществления только в теплое время,
- отсутствие средств защиты от проникновения в вагон пыли,
- невозможность использования во время дождя,
- появление сквозняков и др.
Совершенным средством вентиляции вагона являются специальные вытяжные устройства — дефлекторы, которые могут использоваться в течение круглого года.
Однако они также имеют недостатки: - низкую и неустойчивую производительность,
- образование разрежения воздуха в вагоне, приводящее к проникновению через неплотности ограждения кузова неочищенного наружного воздуха, а следовательно, к ухудшению условий проезда пассажиров.
Дефлекторы устанавливают на крыше и действуют по принципу эжекции (отсасывания воздуха) при обдувании наружным потоком. Верхняя рабочая часть дефлектора устроена так, что в ней под действием протекающего потока воздуха происходит разрежение, благодаря чему воздух из вагона всасывается в трубу и уходит наружу (рис. 3, а).
Наибольшее распространение в пассажирских вагонах получил унифицированный дефлектор ЦАГИ-ЦНИИ (рис. 3, б) Центрального аэрогидродинамического института, разработанный совместно с Центральным научно-исследовательским институтом железнодорожного транспорта (ныне ВНИИЖТ). Перечисленные выше недостатки естественной вентиляции ограничили ее применение. На современных пассажирских вагонах она используется только как подсобная: дефлекторы — для удаления воздуха через туалеты, окна — для проветривания вагонов во время их отстоя, когда система вентиляции не включается.
Механическая вентиляция в зависимости от способа притока воздуха в вагон подразделяется на две системы: без использования рециркуляции и с рециркуляцией воздуха.
Принципиальная схема вентиляционной системы без использования рециркуляции воздуха пассажирского вагона включает в себя (рис. 4, а) заборные решетки 1, масляные фильтры 2, вентиляционный агрегат 3, диффузор 4, конфузор 6, нагнетательный воздуховод 7 и выпуски 8. Диффузор 4 и конфузор 6 по существу являются частями нагнетательного воздуховода, в котором установлен калорифер 5. Между крышей 9 и подшивным потолком 10 проходит нагнетательный воздуховод 7.
Особенности вентиляционной системы с использованием рециркуляции воздуха заключается в том, что в вагон подается смесь наружного и взятого из вагона и возвращаемого обратно воздуха. В пассажирских вагонах применяется частичная рециркуляция воздуха. Использование рециркуляционного воздуха требуется в процессе охлаждения и в отопительный сезон.
При использовании рециркуляции воздуха усложняется система вентиляции, так как появляются дополнительный рециркуляционный (возвратный) воздуховод, камера смешения воздуха, дополнительные фильтры, устройства для регулирования заданного соотношения количества наружного и рециркуляционного воздуха и специальные выпуски. Остальные составляющие остаются принципиально, а часто и конструктивно такими же. Принципиальная схема системы вентиляции с использованием рециркуляции воздуха показана на рис. 4, б.