基于铁路工程车的多水箱供水系统设计

刘丽君 郑立志 马 凯

(中车四方车辆有限公司 山东 青岛 266111)

1 铁路工程车简介

铁路工程车是为铁路线路施工、检修和维护等工程作业人员提供生活活动的移动场所。传统的工程车一般都是使用淘汰的22型客车改造而成，改造粗糙，生活设施简陋，应用环境较差。近几年来国内多个客车检修工厂均开展了铁路工程车专业化研发工作，实现就餐、宿营、淋浴、洗衣等功能，极大改善了作业人员的生活环境。

铁路工程车按照功能多分为餐宿车、食堂车、淋浴车(生活车)、发电车等。其供水系统均采用车下水箱和车顶水箱集中供水的布置形式。车顶水箱存在水箱容量小、车辆重心高等缺点；车下水箱存在占据空间大、单个水箱设备重等问题。

2020年郑州铁路局(以下简称“用户”)委托中车四方车辆有限公司以RW25G型客车为原型车改造为工程生活车， 从而实现如厕卫生、 洗衣晾晒和16人同时淋浴的功能。 为了避免传统问题的出现， 研发了多水箱、 大容量、 多点安装布置、 同步供水的系统。

本文介绍了多水箱同步供水系统的原理及工程应用情况。通过某工程生活车的总体布置和用水量需求的分析计算，重点研究实现6 000 L装水量的多种供水系统的工作原理，通过对比分析得出该车供水系统的适应性方案。最后基于总体布置完成给水系统的施工设计，并进行了供水系统的试验和验证，确认供水系统能够满足用户的需求。

2 生活车总体布局

工程生活车按照功能区划分为卫生区、洗衣区、淋浴区及设备区，如图1所示。卫生区设置4间生态卫生间；洗衣区布置2台25 kg工业洗衣机和6台10 kg洗烘一体机；淋浴区布置可满足16人使用的更衣室及淋浴室。

图1 生活车平面布置图

为了实现整车的均衡需求，车辆平面布置时将车辆的用水点均布置在车辆的中部位置，而重量较重的水箱、加热设备布置在车辆四个角。

在优先保证卫生区、洗衣区和淋浴区有足够的空间外，设备间的总长度仅为4 200 mm，为了减少单个水箱容量，提高水箱的寿命，将设备间分别布置在2个车辆的两侧，共划分了4个设备间。

3 用水量计算

卫生间采用生态降解卫生系统，故整车用水可分为淋浴用水、洗衣用水和洗手用水3个部分。

3.1 淋浴用水量

为满足连续淋浴的需求，按照32人淋浴用水计算。淋浴花洒通过冷热水管将热水与冷水混合，达到38 ℃洗浴用水温度。当热水温度降至38 ℃时，所散发的热量为Q放=C水m热(tr-tc)；冷水温度升至38 ℃时，吸收热量为Q吸=C水m热(tc-tl)，则：

Q吸=Q放

(1)

式中：C水为水的比热容，为常数；m热为热水的质量，kg；m冷为冷水的质量，kg；tc为淋浴用水温度，38 ℃；tr为初始热水温度，55 ℃；tl为初始冷水温度，5 ℃。

带入数据计算可得：

m热=1.9m冷

(2)

根据GB 50015—2003《建筑给水排水设计规范》标准中热水用水定额可知：公共浴室带淋浴装置，每人每次最高日用水定额用水量为40～60 L[1]。考虑工程车为特殊用水地点，取最小值40 L为计算依据。则32人每天用水总量为：

m热=1 280 kg/天

m冷=2 432 kg/天

3.2 洗衣用水量

整车洗衣每天用水量具体如表1所示。

表1 洗衣用水量

3.3 洗手用水量

在卫生区设4个洗手盆，淋浴区设1个洗手盆。则整车洗手盆的用水量为：

(3)

式中：d为每人每小时用水量，为1.2 L/次；z为整车的定员人数，为32人。

计算可得：m手=230 L/d

3.4 整车用水量

综上所述，整车用水量如表2所示。

根据计算取整后设定车上水箱总容量为6 000 L，即每个冷水箱容量为1 500 L；根据成熟设备选型确定每个热水箱300 L。

表2 整车用水量

4 供水系统工作原理分析

根据需求，供水系统应具有以下功能：

(1)车上供水系统分为冷水供水系统和热水供水系统。(2)具备4个冷水水箱同步供水的功能，且可以相互冗余，任何一个水箱供水系统故障时可以单独隔离。(3)具备单个冷水水箱均有的热水供水系统。(4)4个冷水水箱不能多于2个注水口，便于使用。(5)多个增压设备同时工作时，应避免因增压压力及扬程不同造成的主管路管压不均衡的问题。(6)为了用水安全，每个水箱均需要设置独立的排水装置。(7)在满足使用要求的前提下，管路施工简单，操作方便，便于维护。

4.1 供水系统原理一

将4个冷水水箱通过底部的贯通管串联贯通，在两侧贯通管设置注水口，在远端水箱设置溢水口；每个冷水箱配备一个增压泵，4个冷水增压泵(M1)通过冷水主管路并联；每个热水箱配备一个增压泵；4个热水增压泵(M2)通过热水主管路并联。

注水时，通过任意一侧的注水口向贯通管注水，远端水箱通过水箱底部的贯通管溢水实现注水，当远端水箱溢水时，表示4个冷水箱注满。

供水时，4个M1水泵同时开启或开启任意一个时，均可以给冷水主管路供水，同时也可以给任意一个热水器供水。4个M2水泵同时开启或开启任意一个时，均可以给热水主管路供水，如图2所示。

图2 供水系统原理一

图3 供水系统原理二

该工作原理的优点为:(1)4个水箱充分连通，注水速度较为均衡。(2)每个冷热水箱均配置一台增压泵，系统冗余大，提升系统的可用性。

该工作原理的缺点为:(1)4个水箱串联，故障隔离时操作复杂，且容易阻断底部串联结构。(2)冷、热水主管路全车贯通，因各用水点距增压泵的距离不同，会造成管路内压力不一致，会出现水泵无法同时工作。(3)全车使用8台水泵，增加设计成本，且系统的故障率增加。

4.2 供水系统原理二

将4个冷水水箱通过底部的贯通管并联贯通，在两侧水箱设置注水口，在远端水箱设置溢水口。每个冷水箱配备1个增压泵，4个冷水增压泵(M1)通过冷水主管路并联；冷水主管路中部设置截断塞门，将淋浴区与洗浴区的用水分开；每端热水箱配备一个增压泵。2个热水增压泵(M2)通过热水主管路串联热水主管路中部设置截断塞门，将淋浴区的16个淋浴划分为2个供水区。

注水时，通过任意一侧的注水口向水箱注水，远端水箱通过水箱底部的贯通管溢水实现注水，当远端水箱溢水时，表示4个冷水箱注满。

冷水供水方式为：主管路中间截断塞门关闭时，当一位端M1水泵同时开启或开启任意一个时，可以给冷水主管路半路供水，同时可以给该端任意一个热水器供水；另一端工作亦然。当任意一端的M1水泵故障时，可以将中间截断塞门打开，整车冷水主管路贯通，满足用水需求。

热水供水方式为：主管路中间截断塞门关闭时，当两端M2水泵同时开启时，可以给各自的热水主管路半路供水。当任意一端的M2水泵故障时，可以将中间截断塞门打开，整车热水主管路贯通，满足16个淋浴位热水需求，如图3所示。

该方案解决了原理一的部分问题，但是存在以下缺点：

(1)冷水箱并联，4个水箱依靠连通管贯通，二位角水箱仅靠连通管及供水管与大气相通。在注水压力较大时，会出现二位端水箱已经满水，而一位端水箱未注满的情况。

(2)二位角水箱仅靠连通管及供水管与大气相通，会出现排气不畅现象。

(3)使用一侧注水管注水时，另一侧注水管可能会产生虹吸。

4.3 供水系统原理三

在原理二的基础上，除了一位角水箱设置溢水管，其他3台水箱增加排水管，并将一端两水箱的顶部连接，形成高位连通。将各截至点设置相应的截断塞门或单向阀，如图4所示。

图4 供水系统原理三

该方案解决了注水过程中的排气不畅问题；缓解了注水不同步的问题；避免了虹吸现象的产生。

5 试验验证

5.1 系统组成

供水系统由水箱、加热设备、增压设施、管路4个主要部分组成。

为保证水箱容积，冷水水箱设计为立式安装结构，底部与车体底架采用螺栓连接，侧面与端侧墙辅助螺栓固定(见图5)。

图5 设备间安装剖视图

为了实现节能环保和安装空间的需求，加热设备选用了成熟的分体式空气能热泵产品，室外机安装在底架下方，负责加热。水箱安装在设备间，负责存储热水，并具有电加热的功能。

所有车内管路布置在顶板、侧墙板内侧，提升室内美观效果。

5.2 试验验证结果

对工程生活车进行了注水试验、水泵控制试验、水压试验、给水加热试验、淋浴试验、故障模拟试验等，所有工况注水可以实现同步注满水箱，所有用水点的水压均在0.03 MPa以上。

6 总结

多水箱同步供水系统采用了串并联结合的方式。可以提供单个水箱供水、2个水箱供水和多个水箱供水的方式。可以实现一个注水口多水箱同步注满的功能。可以解决多个增压设备同时工作时主管路管压不均衡的问题。

通过车辆总体布置的再均衡分析和用水量计算，进行了多个供水原理的论证，最终确定多水箱、同步供水系统的工作方案。通过在郑州局工程生活车、上海大型养路机械运用检修段工程车等多个实际工程应用和试验验证，确定供水系统满足用户需求，应用效果突出。

本文介绍的多水箱同步供水系统在国内铁道车辆中尚属首例，填补了多水箱同步供水的技术空白。该设计在提高铁路车辆水箱容积的技术上，有效降低了占用空间，为车辆的布置提供了极大的便利，具有较好的推广意义。□