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.
Особенности систем кондиционирования в поездах
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.
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: дальнобойкость 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 м3/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.
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%.
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.
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.
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 тягиПри 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:
8.3.1. Состав СОК пассажирских вагонов:
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.
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
![]() ![]() |
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).
Моноблочный кондиционер (рис. 1) 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.
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.
Расчет системы кондиционирования вагона поезда
Точный расчет системы кондиционирования вагона поезда производится итеративным методом — для некоторых неизвестных величин сначала принимаются предполагаемые значения, после чего проверяются в расчете. При несовпадении производятся их коррекция и повторный расчет, после чего процедура повторяется. При совпадении расчет считается оконченным.
Ниже приводится расчет холодопроизводительности системы кондиционирования вагона поезда, в котором по ходу расчета задаются два параметра — влажность воздуха в купе и расход рециркуляционного потока воздуха. Последний проверяется, исходя из обеспечения температуры подаваемого в купе воздуха не ниже нормативной величины (16 °С). Влажность воздуха проверяется следующим образом. Как известно, при охлаждении воздуха холодной поверхностью на I d-диаграмме процесс идет по линии, исходящей из точки исходного состояния воздуха и идущей в сторону точки с насыщения (φ=100%) при температуре холодной поверхности. Теоретически процесс должен достигнуть конечной точки (с φ=100%). Однако на практике воздух «не успевает» дойти до φ=100% и «останавливается» на точке с φ=85…95%. Тем не менее очевидно, что все три точки (начальная, конечная теоретическая и конечная практическая) лежат на I d-диаграмме на одной прямой. Именно требование нахождения их на одной прямой и является условием проверки влажности воздуха в купе (в начальной точке).
Исходные данные:
Данные по вагону:
Количество человек в вагоне: nчел_ваг=38.
Норма воздуха на человека: Gчел = 15 м3/ч.
Площадь крыши: Sкрыш = 68 м2 .
Боковая площадь: Sбок = 111 м2.
Площадь пола: Sпол = 78 м2.
Торцевая площадь: Sторц = 15 м2.
Площадь окон: Sокно = 16 м2.
Площадь обшивки:
Sобш = Sкрыш + Sбок + Sпол + Sторц =272 м2.
Параметры окружающей среды (стандартные расчетные условия):
Расчетное давление: pрасч = 0,1 Мпа.
Температура наружного воздуха: tнар=32 °С.
Влажность наружного воздуха: φнар=60%.
Влагосодержание наружного воздуха (определяется по I d-диаграмме): dнар = 18,2 г/кг.
Энтальпия наружного воздуха (определяется по I d-диаграмме): iнар = 78,9 кДж/кг.
Плотность наружного воздуха (определяется по I d-диаграмме): ρ нар = 1,14 кг/м3.
Солнечная радиация (прямая и рассеянная) на широте г. Сочи (46 градусов):
Nрад_ср_46ш_прям=494 Вт/м2
Nрад_ср_46ш_расс=121 Вт/м2.
Параметры внутренней среды:
Поддерживаемая в вагоне температура: tваг=24°С.
Влажность, поддерживаемая в вагоне (принимается и проверяется далее): φваг=49%.
Влагосодержание воздуха в вагоне (определяется по I d диаграмме): dваг = 9,2 г/кг.
Энтальпия воздуха в вагоне (определяется по I d-диаграмме): iваг = 47,6 кДж/кг.
Плотность воздуха в вагоне (определяется по I d-диаграмме): ρ ваг = 1,17 кг/м3.
Минимально возможная температура подаваемого в вагон воздуха: tваг_под=16°С.
Влажность подаваемого в вагон воздуха: φваг_под=95% .
Энтальпия подаваемого воздуха: iваг_под= 43,7 кДж/кг .
Плотность подаваемого воздуха: ρ ваг_под = 1,20 кг/м3.
Термодинамические данные:
Теплоемкость воздуха: cвозд=1,005 кДж/(кг∙°С).
Теплоемкость воздуха, насыщенного водяными парами: cнас_пар=1,86 кДж/(кг∙°С).
Теплоемкость воды: cводы=4,2 кДж/(кг∙°С).
Скрытая теплота парообразования:
rводы=2,5∙103 кДж/кг.
Коэффициент теплопередачи обшивки:
Kобш=0,559 Вт/(м2∙°С).
Расчет необходимой холодопроизводительности
Для определения необходимой холодопроизводительности требуется определить теплопритоки (внутренние и внешние) на вагон. К внутренним относится тепло, выделяемое людьми и оборудованием вагона. При этом ощутимая (явная теплота) от людей отводится конвекцией, излучением и теплопроводностью, а скрытая — при испарении влаги с поверхности кожи, при дыхании. К внешним теплопритокам относятся притоки через ограждающие конструкции (окна, обшивку) и солнечная радиация, проникающая через остекленные поверхности.
Общий влагоприток (с учетом, что влагу выделяют только люди): Pваг=Pлюди=2,4 кг/ч.
Скрытый теплоприток от человека:
Nлюди_скр = rводы∙Pчел=43,3 Вт.
Полный теплоприток от человека:
Nчел_полн= Nлюди_скр+ Nлюди_явн =117,7 Вт.
Полный теплоприток от людей:
Nлюди_полн = nчел_ваг ∙ Nчел_полн=4,5 кВт.
Теплоприток от теплопроводности обшивки:
Nтпр_обш = Sобш ∙ (tнар –tваг)∙ Kобщ= 1,2 кВт.
Теплоприток через окна:
Принимаем, что в электропоезде двойное остекление из светопоглощающих стекол с коэффициентами поглощения и пропускания, равными:
Aокно = 0,4, Dокно = 0,4.
Коэффициент теплоотдачи снаружи αн=57 Вт/(м2∙°С) (что соответствует скорости поезда 72 км/ч), внутри: αв=8,7 Вт/(м2∙°С). Термическое сопротивление воздушной прослойки (толщина 10 мм):
RП=0,12 м2∙°С/Вт, стекла: RС=0,02 м2∙°С/Вт.
Термическое сопротивление на поверхностях:
Rα=1/αн + 1/αв = 0,132 м2∙°С/Вт.
Коэффициент теплопередачи окна:
KF=1/(Rα + RП + RС) = 3,67 Вт/(м2∙°С).
Теплоприток от теплопроводности окон:
Nтпр_окно= Sокно (tнар — tваг) kF =0,47 Вт.
Поток тепла в виде излучения на всю остекленную поверхность:
Nвсе_окна = Nрад_ср_46ш_прям ∙ Sокно/2 + Nрад_ср_46ш_расс ∙ Sокно = 5,9 кВт.
Принимаем предполагаемое значение рециркуляции в объеме (так, чтобы рассчитываемая ниже температура подаваемого воздуха не превышала 16 °С):
Gрец = 3730 м3/ч.
Общий расход воздуха, подаваемого в салон:
Gваг_вх = Gсв_возд + Gрец = 4,3∙103 м3/ч.
Притоки массы и тепла с наружным воздухом:
Сухой воздух:
Mсв_нар = ρнар ∙ Gсв_возд/1+dнар = 639 кг/ч.
Вода в наружном воздухе:
mвода_нар = mсв_нар ∙ dнар = 11,7 кг/ч.
Влажный воздух: mвв_нар = mсв_нар + mвода_нар = 651 кг/ч.
Тепло: Nнар = mсв_нар ∙ iнар = 14 кВт.
Параметры смеси наружного и рециркуляционного воздуха:
Энтальпия: iсм= (mсв_нар ∙ iнар + mсв_рец ∙ iваг)/(mсв_нар + +mсв_рец) = 51,9 кДж/кг.
Влагосодержание: dсм= (mсв_нар ∙ dнар + mсв_рец ∙dваг)/(mсв_нар + mсв_рец) = 10,4 г/кг.
Температура (определяется по I d-диаграмме):
Tсм= 25°С.
Влажность (определяется по I d-диаграмме):
Φсм = 52 %.
Мощность вентилятора: Nвент_исп=1,5 кВт.
Параметры смеси после нагрева в вентиляторе испарителя:
Температура: tсм1= tсм + Nвент_исп/cвозд ∙ mвв_см = 26°С.
Энтальпия: iсм1 = iсм + Nвент_исп/mcв_см =52,7 кДж/кг.
Влагосодержание: dсм1 = dсм= 10,4 г/кг.
Параметры воздуха, поступающего в салон:
Энтальпия: iваг_вх = iваг -Nваг/mcв_см =38,3 кДж/кг.
Влагосодержание: dваг_вх = dваг -Pваг/mcв_см = 8,7 г/кг.
Температура: tваг_вх = t (iваг_вх, dваг_вх) = 16,1°С.
Плотность (определяется по I d-диаграмме):
Ρваг_вх = 1,20 кг/м3.
Значение tваг_вх превышает 16°С, значит, выше принят достаточный расход рециркуляционного воздуха Gрец.
Убедимся, что точки, характеризующие состояние воздуха после вентилятора, на поверхности испарителя и воздуха, подаваемого в салон, лежат на одной прямой (температура поверхности испарителя, исходя из опыта, принята tпов_исп = 10°С, а влажность воздуха в непосредственной близости от поверхности испарителя составляет φпов_исп =100%; по этим параметрам с помощью i d-диаграммы определяется энтальпия поверхностного слоя iпов_исп):
(iваг_вх — iпов_исп)/(iсм1 — iваг_вх) = 0,613.
(tваг_вх — t пов_исп)/(tсм1 — tваг_вх) = 0,613.
Полученные значения совпадают, а значит, указанные выше три точки лежат на одной прямой, то есть изначально была выбрана правильная влажность воздуха в вагоне.
Необходимая холодопроизводительность системы кондиционирования:
Nконд = mвв_см ∙ (iсм1 — iваг_вх) = 20 кВт.
Таким образом, с запасом 20% следует принять холодопроизводительность кондиционера, равной:
_Nконд_расч = 24 кВт._
При этом в купе вагона поезда будут обеспечены следующие условия:
Температура: tваг = 24°С.
Влажность: φваг = 47%.
Требование индивидуального регулирования температуры в купе
![]() ![]() |
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.
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.
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.
Юрий Хомутский, технический редактор журнала «МИР КЛИМАТА»
Дисплей системы управления компании SIEMENS (фото автора)