铁路淋浴客车给水及淋浴系统设计

刘丽君,陈全雷，孙继伟，盛文刚，张慧斌

(中车四方车辆有限公司，山东 青岛 266111)

铁路淋浴客车主要为远离城市和交通干线的野外施工和作业人员以及其他特殊人员提供一个健康、卫生的休憩场所。根据用户需要，铁路淋浴客车可容纳单次最多20人洗浴、总共40人洗浴，同时车上要设有卫星电视系统、洗衣设备、卫生设备等。

基于上述要求，本文主要设计一套适用于铁路淋浴客车的给水及淋浴系统，并对其整车用水量、水箱容量、管路管径、水泵选择进行计算，通过车下地面试验，验证设计的合理性和符合性。

1 用水量、水箱容量、管路管径计算

1.1 3种计算方法进行小时耗热量及用水量的计算

1.1.1 计算方法一

根据GB 50015—2009《建筑给水排水设计规范》中第5.1.1-3条及表5.1.1-2，工业企业生活间淋浴器的小时用水量为360～540 L/h，使用水温为37～40 ℃，并根据GB 50015—2009中表5.1.4可知，冷水温度为5 ℃[1]。

设计小时耗热量Qh的计算公式为：

Qh=∑qh(tr-tl)ρrnobC水

(1)

式中：qh——卫生器具热水的小时用水定额，L/h；

C水——水的比热，C水=4.187 kJ/(kg·℃)；

tr——热水温度，按GB 50015—2009表5.1.1-2取38 ℃；

tl——冷水温度，按GB 50015—2009表5.1.4取5 ℃；

ρr——热水密度，kg/L；

no——同类型卫生器具数；

b——卫生器具的同时使用百分数，公共浴室按照100%计。

设计小时用水量qrh的计算公式为：

(2)

经计算可得：Qh=360×(38-5)×0.983×100%×20×4.187 =977 919.069 6 kJ/h=271.645 kW

1.1.2 计算方法二

根据GB 50015—2009中表5.1.1-1可知，公共浴室带淋浴装置，每人每次用水量为40～60 L，淋浴客车设计使用人数共40人。

则每天最大总用水量Q为：

Q=60×40=2 400L=2.4 m3

所以由式(2)得设计小时耗热量Qh为：

Qh=C水×qrh×(tr-tl)×ρr

(3)

=4.187×4.8×(38-5)×0.983×1 000

=651 946.046 4 kJ/h=181.096 kW。

1.1.3 计算方法三

根据GB 50015—2009表3.1.14可知，淋浴器的热水额定流量为0.1 L/s。则最大设计小时用水量为：

qrh=0.1×20×100%=2 L/s=7.2 m3/h

根据式(3)计算得设计小时耗热量Qh：

Qh=4.187×7.2×(38-5)×0.983×100%×1 000=977 919.069 6 kJ/h=271.64 kW。

1.1.4 计算结果分析比较

3种计算方法所得的Qh和qrh的结果如表1所示。

表1 耗热量Qh和用水量qrh计算结果

计算设计小时耗热量时取淋浴器小时用水量(360～540 L/h)的上限和下限本身就会造成50%的偏差。方法一中取淋浴器小时用水量的下限360 L/h与方法三中取热水额定流量的计算结果一致，但是如果取淋浴器小时用水量的上限540 L/h时，方法一的计算结果则是方法三的1.5倍。

方法二的计算结果与洗浴总人数及用水集中时间有关。方法二的所有计算数值为定值，不会出现范围区间。

方法三的计算结果与淋浴器小时用水量取值有关，还与喷头的数量有关。若在相同的面积中仅设5个喷头，则方法三的计算结果与方法二大致相同。在GBZ 1—2010《工业企业设计卫生标准》中对不同级别的企业的淋浴器数量有相应的要求[2]，但该项目为铁路淋浴客车，与一般的工业企业及建筑行业所要求的标准稍有不同，所以仍按照客户要求及空间要求设置2个淋浴间，每个淋浴间设有10个淋浴喷头。

根据上述设计小时耗热量计算，并且考虑安全因素，淋浴系统的设计小时耗热量取值为200 kW。

1.2 水箱容量计算

根据GB 50015—2009表5.1.1-1可知，公共浴室带淋浴装置，每人每次用水量为40～60 L。该项目取每人每次用水量60 L，共40人使用，则每天最大总用水量为：Q=60×40=2 400 L。

通过热水与冷水相互混合来达到洗浴用水温度38 ℃的要求。热水温度下降到38 ℃时，散发的热量为Q放=C水m热(tr-tc)；冷水温度升高到38 ℃时，吸收的热量为Q吸=C水m冷(tc-tl)。因Q吸=Q放，则：

C水m热(tr-tc)=C水m冷(tc-tl)

(4)

式中：m热——热水的质量，L；

m冷——冷水的质量，L；

tc——淋浴用水温度，取38 ℃；

tr——热水温度，取65 ℃；

tl——冷水温度，取5 ℃。

每天淋浴总用水量为2 400 L，根据m热=1.2m冷可得，m热=1 310 L，m冷=1 090 L。

考虑车上空间限制、整车受力均衡、用水量冗余等因素，车上水箱(以下简称“热水箱”)容积即淋浴热水用水量设计为1 600 L，相应的淋浴冷水用水量则为1 333 L。车下水箱(以下简称“冷水箱”)因包含有整车其他用水量，则整车冷水用水量为1 333+1 000=2 333 L，考虑空间及整车的受力且包含一定的冗余，冷水箱容积最终确定为2 500 L。

1.3 淋浴管路管径计算

流体体积流量Q流的计算公式：

Q流=v×A

(5)

(6)

式中：v——平均流速，L/min；

A——管道截面积，mm；

d——管道直径，mm。

根据式(5)、式(6)可得：

(7)

根据GB 50015—2009规定的用水量、洗浴时间以及花洒的流量等参数，可计算出冷热水管管径，结果见表2。

表2 冷热水管管径 mm

为了达到流速稳定的效果，淋浴间内的冷热水管管径均需采用变径方式。

2 给水及淋浴系统工作原理设计

2.1 给水及淋浴系统的设计

根据计算出的设计小时耗热量及整车功率，选择功率为12 kW、电压为380 V的史密斯DRE-52型商用容积式电热水器作为主体加热设备。因淋浴客车供水工况无法与市政管网供水工况一致，所以需要在电热水器与热水箱之间安装循环泵，热水箱与淋浴花洒之间安装增压泵。考虑空间及整车受力因素，将冷水箱放置在车下，并安装增压泵，为车上各供水点提供冷水。

2.2 给水及淋浴系统的工作原理

通过车下增压泵，将冷水箱、热水箱、冷热水箱连通管、车上各冷水用水点、电热水器等各个部件连接成一个开口系统；通过车上循环泵及增压泵，将电热水器、热水箱、淋浴花洒连接成一个开口系统。

(1) 水箱注水。当冷水箱水位>1/4时，冷水箱与热水箱连通管上的电磁阀被打开，车下增压泵开始工作，将水从冷水箱压至热水箱；当热水箱满水时，电磁阀关闭，停止向热水箱注水，但仍向冷水箱注水。当冷水箱满水时，车下溢水管开始溢水，表明冷水箱、热水箱均注满水。

(2) 加热循环。当热水箱满水，且电热水器通电时，热水箱与电热水器通过循环泵进行循环加热。当热水箱内水温升至65 ℃时，增压泵自动关闭，加热循环结束。当电热水器内温度达到70 ℃时，电热水器处于待机状态。

(3) 淋浴过程。当淋浴花洒打开时，热水箱与淋浴花洒之间的增压泵打开，开始提供热水；同时车下增压泵也被打开，开始提供冷水。通过混水阀将淋浴用水调至适宜温度，开始淋浴。

(4) 其他用水。当车上其他用水点用水时，车下增压泵自动开启，将水由冷水箱抽至其他用水点。

(5) 保护。当热水箱水位低至170 L时，安装在淋浴间内的报警灯开始启动；当热水箱水位低至80 L时，切断电热水器循环泵电源；当冷水箱水位低至300 L时，切断车下增压泵电源。

(6) 手动功能。当热水箱水位下降时，可按下手动上水按钮来打开电磁阀，用手动方式为热水箱注水。再次按下上水按钮时，取消热水箱注水。

图1为给水及淋浴系统工作原理图。

图1 给水及淋浴系统工作原理

3 给水及淋浴系统部件设计

3.1 冷水箱设计

3.1.1 冷水箱功能

(1) 保温功能，保证在当地环境-40 ℃时，内部水温不低于5 ℃，所以在水箱内箱与外箱之间安装了自限温电伴热带装置；

(2) 水箱带有液位探头，并在车内电气控制柜内带有液位显示面板；

(3) 将水箱与注水管做模块化设计，减少施工的复杂性。

3.1.2 静力学分析

冷水箱按照上述配置要求完成设计，其质量约为1 298 kg。静力学计算结果见表3，符合GB/T 21563—2018《轨道交通机车车辆设备冲击与振动试验》的要求。

表3 冷水箱静力学计算结果

3.2 热水箱设计

3.2.1 热水箱功能

(1) 水箱带有液位探头，并在热水间控制柜内带有液位显示面板；

(2) 水箱带有温度探头，并在热水间控制柜内带有温度显示面板，同时满足控制系统的要求。

3.2.2 静力学分析

热水箱按照上述配置要求完成设计，其质量约为858 kg。静力学计算结果见表4，符合GB/T 21563—2018的要求。

表4 热水箱及力学计算结果

3.3 其他部件设计

3.3.1 电开水箱控制间设计

为了保持车内环境的整体协调性及美观性，将体积较大的商用容积式电热水器放置在特定的空间内，所以在车上专门设计了电开水箱控制间。因商用电热水器首次在铁路列车上使用，没有任何参考依据，所以用聚酯玻璃钢和仿理石复合结构作为热水炉控制间地板，并在地板里预埋安装螺栓，不仅解决了电热水器安装的问题，同时也解决了排水、防腐的问题。

3.3.2 水泵的选型

整个给水及淋浴系统中用了3种水泵。一种是车下增压泵，一种是电热水器同热水箱之间的循环水泵，最后一种是热水箱同淋浴花洒之间的增压泵。

(1) 车下增压泵因其他项目中有成功运用经验，所以选择了既有的成熟产品。

(2) 热水箱与淋浴花洒之间的增压泵主要是为了在淋浴过程中提供稳定的热水流量，提高使用的舒适性，所以采用了带有变频控制器的小型增压泵。这段管路的水头损失非常小，因此水泵也选择成熟产品。

(3) 电热水器与热水箱之间的循环泵主要是因为铁路列车中的水压与市政供水水压有压差，为了弥补这部分供水压力，所以选择额定扬程为12 m，额定流量为8 m3/min的循环水泵。

4 地面模拟试验

铁路淋浴客车为首次设计，需进行地面试验来验证淋浴系统原理及实际使用情况，同时掌握重要部件的性能。

首先按照图纸生产各部件，然后搭建试验台，进行地面模拟试验。在地面试验中需要完成以下试验项点：冷水箱、热水箱注水过程；加热循环过程；工作过程；手动注水过程；报警、保护过程。

4.1 首次试验

在首次地面试验过程中，除了加热循环过程之外，其他试验均满足设计要求。加热循环过程经过3次观察测量，发现热水箱内水温上升较慢，并且与电热水器之间存在较大温差。具体试验数据见表5。

表5 加热循环试验数据

由试验数据可知，热水箱与电热水器之间的循环过慢，导致冷水不能及时送至电热水器，电热水器内温度达到设定极值。经过分析得出以下结论：

(1) 热水箱与电热水器之间的车上循环泵扬程过小，无法使整个循环顺利完成；

(2) 2台电热水器之间可能存在小循环。

4.2 解决方案

为了验证上述原因，并解决首次试验中出现的问题，根据试验现状调整设计方案。

4.2.1 小循环问题

为验证2台电热水器之间是否存在小循环，将原来竖直安装在2台电热水器出水管上的单向截止阀拆卸并重新进行试验，发现电热水器能正常工作；而将单向阀重新安装后，电热水器不能正常工作。所以推断出，在单向截止阀竖直状态，管道中确实存在小循环。

为了解决小循环问题，将单向阀重新安装，使其保持为水平状态，再次进行试验，电热水器能够正常工作，问题解除。

4.2.2 扬程问题

通过再次计算可得热水箱与电热水器之间的车上循环泵扬程需要16 m，考虑冗余，选择扬程为20 m的循环泵。首先寻找一个满足要求的水泵来进行地面试验，最终选择了型号为PH1500Q的水流循环泵，该泵最大扬程为25 m，额定扬程为20 m，最大流量为500 L/min,额定流量为200 L/min，再次进行试验，热水箱与电热水器之间的循环顺利完成，问题解决。

4.3 末次试验

经过上述几次试验后，铁路淋浴客车给水及淋浴系统从设计方案到生产工艺都基本成熟，为了测试整个系统的实际功能进行了末次试验。通过试验证明，整个淋浴系统的配置完全能够满足淋浴需求。

5 结束语

铁路淋浴客车作为首次在铁路系统内运行的特殊车型，给水及淋浴系统设计合理，性能稳定、安全，得到了用户的认可。