Вестник УКЦ АПИК: Современные системы кондиционирования поездов: индивидуальное регулирование температуры воздуха в купе

Современные системы кондиционирования поездов: индивидуальное регулирование температуры воздуха в купеСовременные системы кондиционирования воздуха в поездах должны отвечать ряду специфических требований. Труднее всего, пожалуй, оказывается реализовать возможность индивидуального регулирования температуры воздуха в каждом купе вагона поезда.

Техника, предназначенная для транспорта, отличается несколько смещенными акцентами предъявляемых к ней требований. По сравнению со стационарным оборудованием на первый план выходят иные приоритеты, более важными становятся другие характеристики.

В частности, критической становится такая характеристика, как энергозатраты системы: на борту поезда каждый киловатт электроэнергии обходится значительно дороже, чем на земле. Еще одно требование первостепенной важности — максимальная компактность и минимальная масса оборудования. Лишний объем или дополнительный килограмм транспортной установки ведет к снижению полезного объема и повышению накладных расходов.

К другим специфическим требованиям следует отнести виброустойчивость как отдельных элементов системы, так и всей системы в целом. А если говорить конкретно о системах кондиционирования, то большое влияние оказывает и широкий диапазон климатических условий, в которых приходится работать. Система кондиционирования должна быть адаптирована под жаркий и морозный, влажный и сухой, чистый и грязный наружный воздух.

В то же время, находясь в столь специфических условиях, системы кондиционирования в поездах все более усложняются, к ним предъявляются все новые и новые требования, которые предлагается решить инженерам. Одно из таких требований — наличие у пассажиров возможности задавать в каждом купе свою температуру воздуха.

ТРЕБОВАНИЕ ИНДИВИДУАЛЬНОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ В КУПЕ

Согласно документу «Санитарные правила по организации пассажирских перевозок на железнодорожном транспорте» (СП 2.5.1198–03) в пассажирских вагонах люкс и 1-го класса должны устанавливаться системы индивидуального регулирования температуры воздуха в каждом купе в диапазоне от +18 до +28°С с шагом не более 1°С. Таким образом, пассажирам предоставляется возможность регулировать температуру в купе по своему желанию в указанном интервале независимо от режима работы центральной климатической системы вагона.

Современные системы кондиционирования поездов: индивидуальное регулирование температуры воздуха в купеСейчас климатические системы всех классов вагонов 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 установку на 2°С с шагом 1°С, так что 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. Но у каждого пассажира имеется свое представление о комфортной температуре. Поэтому для пассажиров вагонов «люкс» и 1-го класса предоставляется дополнительное оплачиваемое удобство.

КЛАССИФИКАЦИЯ СИСТЕМ ИНДИВИДУАЛЬНОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ ВОЗДУХА В КУПЕ

Вряд ли кто-то скажет, что поддержание различной температуры воздуха в нескольких помещениях — столь сложная задача. В рукава тех же канальных кондиционеров давно встраиваются клапаны, управление которыми осуществляется системой автоматики и предполагает подачу в каждое из помещений строго такого количества воздуха, которое требуется для поддержания заданной в этом помещении температуры.

Однако, как было сказано в предисловии, для поездов характерен ряд особенностей, которые зачастую не позволяют так просто решить поставленную задачу. К тому же о том, насколько качественно и точно работают системы клапанов в канальных кондиционерах, сказано предостаточно. В вагонах поезда задача усложняется еще и тем, что количество купе в вагоне достигает 10, а регулирование расхода воздуха сразу по 10 направлениям — задача нетривиальная.

Для реализации системы индивидуального регулирования температуры воздуха предложено довольно много технических решений как в России, так и за рубежом. За рубежом эти системы не только предложены, но уже давно работают, в основном отличаются глубиной автоматизации управления и регулирования (климат-контроль).

По типу воздействия все существующие и предложенные системы можно разделить на две группы:

  • с прямым воздействием на температуру воздуха, подаваемого в купе (активная система);
  • косвенным воздействием с изменением массы воздуха (пассивная система).

По промежуточному теплоносителю:

  • с фреоновым промежуточным теплоносителем;
  • с водой в качестве промежуточного теплоносителя;
  • без промежуточного теплоносителя.

Для повышения уровня комфорта в пассажирских поездах внедряется система создания индивидуального климата в каждом купе вагона. Основные требования к такой системе:

  • возможность автоматического и ручного регулирования требуемых в данном купе параметров, шаг регулирования не более 1°С;
  • пределы регулирования температуры воздуха в купе должны быть от +20 до +30 °C независимо от внешней тепловой нагрузки на вагон и времени года;
  • время регулирования — не более 15 минут.

Виды систем регулирования температуры воздуха в купе вагона поезда:

  • Пассивная система — система, в которой изменение температуры воздуха в помещениях (купе) вагона происходит за счет внешнего тепла окружающей среды (температура наружного воздуха, солнечная радиация) при изменении баланса, например, за счет изменения подачи приточного воздуха.
  • Активная система — система, в которой изменение температуры воздуха в помещениях (купе) вагона происходит за счет изменения температуры приточного воздуха от дополнительного источника.
  • Симметричная система — система, при которой регулирование температуры воздуха в помещениях (купе) вагона выполняется относительно среднего значения температуры в интервале регулирования.
  • Асимметричная система — система с однополярным регулированием температуры воздуха в помещениях (купе) вагона. Положительная: от +20 до +30 °C; отрицательная — от +30 до +20 °C.
  • Безынерционная система — система, в которой новое значение температуры воздуха в помещениях (купе) вагона устанавливается за время, не превышающее 15 минут (связано с кратностью воздухообмена).
  • Инерционная система — система, в которой новое значение температуры воздуха в помещениях (купе) вагона устанавливается за время, соизмеримое с постоянной времени экспоненты в процессе охлаждения вагона (2…3 часа).

ВАРИАНТЫ РЕАЛИЗАЦИИ ИНДИВИДУАЛЬНОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ ВОЗДУХА В КУПЕ

Центральные СКВ с доводочными воздухораспределителями

В центральных СКВ с доводочными воздухораспределителями предполагается наличие центральной воздухообрабатывающей установки. Реализация принципа многозональности при этом достигается с помощью различных индивидуальных устройств-доводчиков, обеспечивающих тепловую обработку приточного воздуха в соответствии с особенностями изменения теплового режима в помещениях.

Как было сказано выше, в вагонах поездов при малых объемах вентиляции присутствуют достаточно большие теплопритоки, которые не могут быть целиком отведены расходом приточного воздуха. Поэтому помимо приточного воздушного потока существует и рециркуляционный. Так как расход рециркуляционного воздуха существенно выше расхода приточного, то индивидуальное регулирование эффективнее реализовывать посредством обработки именно рециркуляционного потока или же смеси из приточного и рециркуляционного потоков, а не только одного приточного.

Итак, в одноканальных СКВ с местными доводчиками воздух обрабатывается не только в кондиционере, но и непосредственно в помещениях. Теплообменники в доводочных воздухораспределителях могут быть жидкостными либо электрическими. В большинстве известных конструкций доводчиков предусматривается только подогрев воздуха и редко совокупность подогрева и охлаждения.

Принципиальная схема одноканальной центральной высокоскоростной системы с доводочными электрическими калориферами
Рис. 1. Принципиальная схема одноканальной центральной высокоскоростной системы с доводочными электрическими калориферами
Наиболее известны конструкции доводчиков, обеспечивающие следующие способы обработки приточного воздуха:

  • подогрев с помощью Тэнов (калориферов);
  • подогрев горячей водой;
  • подогрев зимой / охлаждение летом промежуточным теплоносителем;
  • подогрев / охлаждение с помощью термоэлектрических устройств.

Параметры воздуха в помещении при использовании центральных СКВ с местными доводчиками регулируются качественным методом, то есть путем изменения расхода и температуры воды, поступающей в теплообменник, путем изменения мощности Тэнов и так далее.

На рис. 1 представлена принципиальная схема одноканальной центральной высокоскоростной прямоточной системы с доводочными электрическими калориферами. По воздуховоду подается воздух с минимальной температурой, после чего догревается индивидуально для каждого купе в соответствии с заданными пассажирами значениями.

К положительным качествам указанных выше СКВ можно отнести возможность индивидуального регулирования параметров воздуха в каждом помещении в относительно широком диапазоне путем изменения текущей мощности калорифера и регулированием количества приточного воздуха.

Электрические калориферы могут быть заменены на водяные. В этом случае регулирование мощности индивидуального догрева воздуха со средней температуры будет производиться регулированием расхода подаваемой в калорифер горячей воды и регулированием расхода воздуха.

Как разновидность центральных СКВ с доводчиками можно выделить местно-центральные СКВ, в которых рециркуляционный воздух не выходит за границы конкретно взятого купе. В этом случае роль центральной установки — только лишь вентиляция, а в купе устанавливаются доводчики, обеспечивающие обработку рециркуляционного воздуха для достижения заданных параметров в данном купе.

Фактически доводчики являются привычными всем фэнкойлами, к теплообменникам которых подается холодная вода, за счет которой охлаждается купейный воздух. Регулирование степени охлаждения производится регулированием расхода рециркуляционного воздуха и расхода подаваемой холодной воды.

К недостаткам центральных и местно-центральных СКВ с доводчиками относятся:

  • необходимость прокладки трубопроводов холодной или горячей воды к теплообменникам воздухораспределителей;
  • необходимость отвода конденсата от теплообменников воздухораспределителей, выпадающего из рециркуляционного воздуха при его охлаждении;
  • потеря полезного объема помещений, занимаемого доводчиками, и усложнение эксплуатации такой СКВ;
  • повышенный шум при использовании эжекционных воздухораспределителей из-за большого требуемого напора за кондиционером (чтобы обеспечить высокую скорость воздуха в воздуховоде и, соответственно, эффективную работу доводчика) или использования доводчиков с вентиляторами;
  • дополнительный расход электроэнергии на работу насосов, вентиляторов и Тэнов.

Примеры внедрения

В центральной СКВ с доводчиками, предложенной ОАО «Тверской вагоностроительный завод» (ОАО «ТВЗ»), реализована активная система с использованием электронагревателей для комфортабельных вагонов с централизованным электроснабжением в составе поездов Москва — Санкт-Петербург — Москва. Электронагреватели, мощность каждого из которых составляет l,5 кВт, устанавливаются в распределительных коробах центрального воздуховода. Питание осуществляется от низковольтного источника мощностью 15 кВт.

В каждом купе устанавливается регулятор температуры воздуха, поворотом ручки которого пассажир может активизировать электронагреватель на нагрузку от 0 до 1,5 кВт. Тем самым поступающий в купе воздух из центрального воздуховода будет нагреваться на некоторую величину в зависимости от положения регулятора. Система является активной, асимметричной, однополярной положительной, с регулируемым подъемом температуры воздуха в купе на режимах охлаждения.

Данная система может работать круглогодично. Ее недостатком можно считать то, что она требует наличия источника питания мощностью 15 кВт и поэтому может быть использована только на вагонах с централизованным электроснабжением. Кроме того, такая система повышает пожароопасность вагона.

Компания «ЭЛСОКС» при участии ОАО «ВНИИЖТ» (ОАО «Научно-исследовательский институт железнодорожного транспорта» — дочернее общество ОАО «РЖД») предложила систему индивидуального регулирования температуры воздуха, в которой роль доводчиков выполняют термоэлектрические модули. Совместно с традиционной климатической системой купейного вагона в качестве регуляторов используются распределенные по купе термоэлектрические модули. Модули могут устанавливаться в распределительных коробах воздуховода или несвязанно с ним и работать как в прямом, так и обратном циклах: выработки тепла или холода.

Преимущество такой системы состоит в том, что она является симметричной, безынерционной и активной. Применение этой системы, в отличие от системы ОАО «ТВЗ», возможно в вагонах с автономным электроснабжением, при замене базового кондиционера на меньший по холодопроизводительности и потреблению энергии.

Недостаток системы состоит в необходимости дополнительного источника электроэнергии, обустройства сложной системой термоэлектрических модулей. Также данная система достаточно дорога из-за высокой стоимости термоэлектрических элементов, сложна и недостаточно надежна в эксплуатации.

Компания ЗАО «ЛАНТЕП» предложила активную систему с прямым воздействием на температуру приточного воздуха, поступающего непосредственно в купе. Для подогрева воздуха (на режимах охлаждения летом) используется бросовое тепло конденсаторов установки кондиционирования воздуха. Количество тепла теоретически равно сумме холодопроизводительности кондиционера и мощности компрессора. Для этого в воздушном тракте конденсаторного отсека после теплообменников устанавливаются дополнительные теплообменники: «воздух/жидкий теплоноситель». В распределительных коробах воздуховода устанавливаются теплообменники: «жидкий теплоноситель/воздух».

По системе каналов циркулирует жидкий теплоноситель, температура которого близка к температуре конденсации хладагента в установке кондиционирования воздуха. При открытии индивидуального многопозиционного регулятора, управление которым производится пассажиром из купе, горячая жидкость поступает в теплообменник и нагревает воздух, поступающий в купе.

Необходимым в системе является автоматическое управление циркуляционным насосом, расход которого будет меняться в зависимости от количества включенных индивидуальных регуляторов и их положений.

В режиме отопления (зимой) индивидуальное регулирование температуры воздуха в купе осуществляется подачей холодного теплоносителя из дополнительных теплообменников конденсатора установки кондиционирования воздуха в купейные теплообменники. Таким образом, предложенная система является активной, безынерционной, асимметричной, двухполярной.

Преимущества системы состоят в том, что она не требует дополнительного источника электроэнергии и является пожаробезопасной.

Двухканальные СКВ

Принципиальная схема одноканальной центральной высокоскоростной системы с доводочными электрическими калориферами
Рис. 2. Принципиальная схема двухканальной системы кондиционирования вагона. Регулирование воздуха осуществляется регулированием расходов холодного и горячего потоков магистрального воздуха
От указанных выше недостатков одноканальных СКВ, связанных с применением доводочных воздухораспределителей, свободны двухканальные системы.

Суть двухканальных СКВ заключается в двухступенчатом нагреве воздуха в центральной СКВ и организацией двух воздуховодов (двух каналов) вдоль вагона поезда. В один из каналов воздух из СКВ подается после первой ступени нагрева. Во второй воздуховод — после второй ступени нагрева. Таким образом, к каждому купе подводится два потока воздуха — более холодный и более горячий. Смешивание их в определенном соотношении обеспечит требуемую в купе температуру воздуха (рис. 2).

Основные преимущества двухканальных СКВ по сравнению с одноканальными:

  • возможность индивидуального регулирования параметров воздуха в помещениях в очень широком диапазоне;
  • бесшумность работы системы и, что особенно важно, воздухораспределителей;
  • высокая экономичность и минимальные затраты на обслуживание;
  • меньше масса и габариты;
  • не требуют подведения в помещение никакого тепло-/холодоносителя, кроме воздуха.

Диапазон индивидуального регулирования температуры Δt per. лежит в пределах (4…6) °C и определяется зоной комфорта по относительной влажности (40…60) %. Рабочая разность температур для двухканальных высокоскоростных СКВ Δt p. = (12…14) °C.

Применение двухканальных СКВ связано с определенными сложностями, связанными с прокладкой двух воздуховодов вместо одного.

Пример реализации

Система «Циркон-Сервис» реализована на некоторых вагонах класса люкс и представляет собой комбинированную систему, включающую две параллельные ветви (активную и пассивную) и электрические доводчики малой мощности.

Система может работать в вагонах с автономным электроснабжением благодаря использованию распределенных электронагревателей пониженной мощности (0,5 кВт). Положительный эффект системы заключается в использовании активной части, обеспечивающей безынерционность процесса, а недостаток — в ограничении диапазона регулирования и зависимости от внешних условий.

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 простой и очевидный способ — плавное регулирование холодопроизводительности 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 выбирается следующим образом:

  • в летний период: с минимальной температурой, выбранной пассажирами;
  • в переходный и зимний периоды: с максимальной температурой, выбранной пассажирами.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Таким образом, существует ряд решений, позволяющих обеспечить возможность индивидуального регулирования температуры в каждом купе вагона поезда. Наиболее простым и в то же время неэффективным является метод охлаждения воздуха до минимальной температуры и последующего нагрева на входе в каждое купе индивидуальным нагревателем.

Более сложные системы предполагают смешение потоков. Это несколько увеличивает габариты системы, зато в значительной мере снижет ее энергопотребление и увеличивает эффективность.

Наконец, в вагонах класса люкс, предусматривающих двухкомнатные купе, может быть установлена обычная сплит-система.

Каждый из вариантов имеет собственные преимущества и недостатки, а окончательный выбор решения производится в зависимости от типа вагона, с учетом зоны курсирования поезда, технико-экономического анализа и других факторов.

Юрий Хомутский, технический редактор журнала «МИР КЛИМАТА»



наши проекты
  • АПИК
  • Университет климата
  • Выставка «Мир климата»
  • АПИК-тест