ПУТИ УЛУЧШЕНИЯ ВОЗДУШНОЙ СРЕДЫ В ПАССАЖИРСКИХ ВАГОНАХ

АННОТАЦИЯ

Качество подаваемого в пассажирский вагон воздуха в значительной степени зависит от температуры окружающей среды, и гораздо ниже качества воздуха в помещениях стационарных сооружений. Это объясняется тем, что приточный воздух, подаваемый в вагон, представляет собой смесь наружного и рециркуляционного, обеднённого кислородом, воздуха. Улучшение качества предлагается достичь уменьшением подмешивания в подаваемый воздух рециркуля­ционного воздуха и рекуперацией теплоты последнего.

ABSTRACT

The quality of the air supplied to the passenger car largely depends on the ambient temperature, and is much lower than the air quality in the premises of stationary structures. This is because the supply air supplied to the car is a mixture of air and recirculation oxygen depleted air. Improvement of quality is proposed to be achieved by reducing the mixing of the recirculation air into the supplied air and recuperating the heat of the latter.

Ключевые слова: система вентиляции; приточный воздух; пассажирский вагон; рециркуляция.

Keywords: ventilation system; fresh air; passenger car; recycling.

Для обеспечения безопасных параметров воздуха в салонах и служебных помещениях пассажирских вагонов предусматривается механическая приточная вентиляция. В соответствии с требованиями, изложенными в санитарных правилах СП 2.5.1198-03, СП 2.5.2647-10 и других нормативных документах система вентиляции должна быть рассчитана на непрерывную работу для обеспечения подачи наружного воздуха летом не менее 20 м³/ч и зимой не менее 10 м³/ч на каждое место в вагоне. При этом концентрация двуокиси углерода в купе не должна превышать 0,1 % об.

Однако, как показано в таблице 1, эти требования значительно усту­пают аналогичным требованиям для стационарных зданий и сооружений.

Таблица 1.

Расход приточного воздуха м³/ч на 1 человека

Примечание: * - если есть естественное проветривание.

** - параметры Б (температура воздуха наиболее холодной пятидневки обеспеченностью 0,92) по СП131.13330.2012. Приведены минимальные допустимые расходы воздуха.

*** - для сравнения приняты помещения, в которых условия пребывания людей соотносимы с условиями пребывания в транспорте. В помещениях спортивных соору­жений и медицинских учреждений расход воздуха достигает 80 м³/ч на 1 человека.

Из данных, приведенных в таблице 1 видно, что для подвижного состава допускается значительно меньший приток наружного воздуха, по сравнению со стационарными сооружениями. Но в качестве дополни­тельного требования к воздуху вводится ограничение содержания СО₂.

В зарубежных стандартах и ГОСТах также основным показателем качества воздуха является содержание СО₂. Это относительно безвредный газ по ГОСТ 12.1.007-76 относится к 4 классу опасности, он содержится в небольших количествах в составе чистого атмосферного воздуха. По данным большинства источников, его концентрация составляет примерно 0,03-0,04 % об. [3, 4, 6, 7, 8, 9], при этом вредным для человека считается содержание 0,07-0,1 % об. [3]. В выдыхаемом воздухе содержание СО₂ составляет не менее 3 % об. [4, 8, 9] (взрослый человек пропускает через лёгкие от 7 до 120 литров воздуха в минуту [4, 5]).

В частности, [6] и [7] предлагают разделять воздух в помещениях с пребыванием людей на четыре категории качества. Предполагается несколько способов определения категории качества. Один из них оценивает превышение уровня СО₂, как индикатора, в воздухе помещений над наружным воздухом (см. таблицу 2). В таблице также показаны значения расходов воздуха для косвенной классификации качества воздуха. В [6] также приведены коэффициенты, позволяющие учесть неравномерность распределения воздуха.

Таблица 2.

Показатели качества воздуха

Из вышеприведенных данных видно, что качество воздуха в пассажирском подвижном составе в значительной степени зависит от температуры наружного воздуха, и гораздо ниже качества воздуха в помещениях стационарных сооружений. И, по косвенной методике классификации, соответствует классу IDA4 (низкое качество).

Также следует отметить что концентрация CO₂ в воздухе близкая к нижней границе класса IDA3, согласно ряду источников [3, 8, 9] уже представляет опасность для здоровья, а при содержании CO₂ в воздухе 0,2 % об. наблюдается ухудшение самочувствия [9]. Требование СП 2.5.1198-03 по содержанию СO₂ (не более 0,1 % об.) выполняется для класса качества воздуха не менее IDA 2 (среднее качество: 400-600 ppm сверх содержания в наружном воздухе).

На рисунке 1 представлена зависимость расчетного содержания углекислого газа от расхода приточного воздуха, при расчете принято содержание СО2 в приточном воздухе 375 ppm [6, 7], в выдыхаемом 4,3 % об. при расходе 0,42 м³/ч [4], температуры 20 ⁰С для приточного воздуха и 32,5 ⁰С для выдыхаемого.

Рисунок 1. Зависимость расчетного содержания углекислого газа от расхода приточного воздуха

Из рисунка видно, что при уменьшении расхода наружного воздуха менее 20 м³/ч на человека качество воздуха резко падает, и не соответствует общепринятым требованиям. При минимальных расходах воздуха, близких к 10 м³/ч на место значительно превышается допустимый показатель 0,1 % об. СО₂ в воздухе, и приближаясь к значению 0,2 % об., может привести к ухудшению самочувствия пассажиров. Хорошее качество воздуха (класс IDA1, 350 ppm CO₂ в воздухе) достигается при расходе приточного воздуха около 60 м³/ч на человека (но не менее 40 м³/ч).

Это обусловлено тем, что подготовка подаваемого системой вентиляции вагона приточного воздуха энергоемкий процесс, а место для размещения системы вентиляции чрезвычайно ограничено и мощность источников энергоснабжения недостаточна для подготовки большего объема приточного воздуха.

Наибольшее распространение в современных вагонах получила схема с нагревом приточного воздуха, подаваемого в вагон, электро­калорифером небольшой мощности (220 В 3 фазы) и основным водяным калорифером, источником тепла для которого является водогрейный котел.

Современные пассажирские вагоны оборудованы комбинирован­ным электроугольным котлом мощностью 48 кВт при расчетной температуре наружного воздуха -40⁰С. Нагрев производится тремя группами электронагревателей, в т.ч. высоковольтными, запитанными от подвагонной магистрали 3 кВ [10].

Подготовку воздуха для системы вентиляции можно рассмотреть на примере установленной на многих вагонах производства ОАО "ТВЗ" установкой кондиционирования воздуха УКВ ПВ ЗАО "ЛАНТЕП". Данная установка оснащена электрокалорифером мощностью 6 кВт и водяным калорифером, мощностью 20 кВт. Максимальный расход наружного воздуха составляет 1600 мᶾ/ч [10, 11].

Такая схема является наиболее распространенной, несмотря на существование альтернативных разработок: систем с воздушным отоплением (с установкой мощных электрокалориферов, подключаемых к подвагонной магистрали 3 кВ), с тепловым насосом. Установка УКВ ПВ (и ее аналоги) в сочетании с комбинированным электроугольным котлом и водяной системой отопления позволяют обеспечить поддержание комфортного распределения температур, отличаются высокой надежностью и безопасностью для пассажиров и персонала.

Как показано на рисунке 2 характеристики УКВ ПВ унифицированы для применения на большинстве современных вагонов, исходя из расхода 20 м³/ч на место.

Рисунок 2. Расход наружного воздуха для разных типов вагонов, исходя из нормативного показателя 20 м3/ч на человека

На рисунке 3 показаны расходы воздуха для различных моделей пассажирских вагонов из расчета 35 м³/ч на человека (по расчету обес­печивает содержание СО₂ в атмосфере вагона 500 ppm - класс IDA2), а также расход наружного воздуха, который может быть нагрет до +20 ⁰С калориферами суммарной мощностью 26 кВт. Как видно из рисунка - среднее качество воздуха во всем диапазоне температур эксплуатации железнодорожного подвижного состава достигается только для вагонов вместимостью не более 40 пассажиров.

Рисунок 3. Расходы воздуха для различных моделей пассажирских вагонов из расчета 35 м³/ч на человека

Для создания безопасной и комфортной атмосферы в вагоне необходимо увеличение воздухообмена. Но для этого требуется источник дополнительной энергии на обработку и подачу воздуха в вагон. Решить эту дилемму нам представляется возможным за счет использования теплоты вытяжного воздуха. Препятствием для применения классических рекуператоров теплоты является необходи­мость поддержания постоянного незначительного (от 15 Па) подпора воздуха в вагоне, при переменном расходе воздуха (что позволяет избежать попадания механических примесей воздуха в вагон). Выполнение данного требования обеспечивается за счет устройства вытяжной естественной вентиляции и механической приточной.

При установке вентилятора неизбежно появление подсосов наружного воздуха через неплотности конструкции, что недопустимо. А увеличение сопротивления естественной вытяжной вентиляции приведет к увеличению объема воздуха, вытесняемого в объем ограждающих конструкций кузова, что приведет к нарушению теплоизо­ляционного слоя (из-за увлажнения теплоизоляционного материала).

Таким образом, необходима разработка теплообменного аппарата с минимальным сопротивлением, вписывающегося в ограниченные габариты технического пространства вагона, и не имеющего жестких конструктивных ограничений по компоновке.

Целесообразнее всего с нашей точки зрения будет использование гладкотрубных пучков с поперечными турбулизаторами гидравли­ческого пограничного слоя, имеющих высокую теплогидравлическую эффективность близкую к роторным и пластинчатым теплообменникам, но более надёжных в эксплуатации [1-2]. Такие теплообменники могут быть успешно применены в схемах утилизации тепла с промежуточным теплоносителем (водным раствором этилен- или пропиленгликоля) или тепловым насосом, с испарителем, забирающим теплоту вытяжного воздуха, что является предпочтительным вариантом по технико-экономическим соображениям.

Увеличение притока наружного воздуха до 20-35 м³/ч на человека позволит достичь содержания СО₂ на уровне 0,1 %об. (при числе пассажиров, равному расчетной вместимости вагона), и класс качества воздуха не хуже IDA 2 (среднее).

Список литературы:

1. Г.М. Стоякин. Снижение гидравлического сопротивления трубных тепло­обменных аппаратов с продольными турбулизаторами пограничного слоя. Информация и космос. № 2, 2011 г.
2. Б.Н. Минаев, А.В. Костин, Г.М. Стоякин. О влиянии искусственной турбулизации пограничного слоя на гидравлическое сопротивление пучка круглых труб, омываемых поперечным потоком вязкой среды. Наука и техника транспорту. № 2, 2012 г.
3. Химия в сельском хозяйстве под ред. А.И. Григорьева. Сельхозгиз: М. 1958 г.
4. Каминский С.Л., Басманов П.И. Средства индивидуальной защиты органов дыхания. – М.: Машиностроение, 1982.
5. Физиология человека. В 3-х т. Т. 2. Пер с англ. / Под ред. Р. Шмидта и Г. Тевса. – М.: Мир, 1996.
6. ГОСТ 30494-2011.
7. ГОСТ Р ЕН 13779-2007.
8. Пивоваров Ю.П., Королик В.В., Зиневич Л.С. Гигиена и основы экологии человека: Учебник. - Ростов н/Д: Феникс, 2002.
9. Дроздова Т.М. Санитария и гигиена питания: Учебное пособие. В 2-х частях. Часть 1 / Кемеровский технологический институт пищевой промышленности. - Кемерово, 2005.
10. Жариков В.А. Климатические системы пассажирских вагонов М.: Трансинфо. - 2006.
11. Установка кондиционирования воздуха пассажирских вагонов УКВ ПВ. Руководство по эксплуатации ЛТ УКВ ПВ 24.00.00.000 РЭ.