軌道車輛給水衛(wèi)生系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢

馬志會 張國棟 熊劍春 欒健洋 張?zhí)? 王超

摘? 要：軌道車輛給水衛(wèi)生系統(tǒng)主要為旅客和司乘人員提供衛(wèi)生服務(wù)設(shè)施、洗漱用水、飲用水，是軌道車輛不可或缺的重要組成部分。中國軌道車輛給水衛(wèi)生技術(shù)已經(jīng)比較成熟，可以較好地滿足使用和檢修維護(hù)要求。未來中國軌道車輛給水衛(wèi)生需積極研究新材料、新技術(shù)的應(yīng)用，爭取站到本領(lǐng)域的制高點。

關(guān)鍵詞：軌道車輛;給水;衛(wèi)生;發(fā)展趨勢

中圖分類號：U273 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

軌道車輛給水衛(wèi)生系統(tǒng)主要為旅客和司乘人員提供衛(wèi)生服務(wù)設(shè)施、洗漱用水、飲用水，是軌道車輛不可或缺的重要組成部分。給水衛(wèi)生主要包括給水裝置和衛(wèi)生裝置。給水裝置的主要功能是提供各種用水，如飲用水、餐車用水、洗漱用水及便器沖洗用水，主要部件有凈水箱、凈水管路和注水裝置;衛(wèi)生裝置為旅客及司乘人員提供舒適的衛(wèi)生設(shè)施，并收集排泄污物，主要部件有衛(wèi)生間、盥洗室、集便裝置、污物管路和污物箱。

1 國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 污物收集

集便裝置用于接收和存儲車輛在運行期間衛(wèi)生間內(nèi)便器的污物或來自盥洗設(shè)施的洗漱灰水。目前國內(nèi)外主要采用真空集便裝置，主要分為真空保持式、真空推拉式和中轉(zhuǎn)式等。

真空集便裝置主要包括電氣控制盤、氣水控制盤、便器組成和污物箱。通過預(yù)設(shè)控制程序?qū)饴?、水路及排污管路上的各種閥門進(jìn)行控制，完成“加壓-沖洗-排空-恢復(fù)”循環(huán)過程，集便裝置的核心技術(shù)是過程控制和故障診斷。

國外軌道車輛集便裝置主要由德國EVAC設(shè)計和生產(chǎn)，其次丹麥的GLOVE和SEMVAC也占據(jù)一定的市場份額，技術(shù)都非常成熟穩(wěn)定。國內(nèi)集便裝置經(jīng)歷了技術(shù)引進(jìn)、消化吸收、再創(chuàng)新等階段，已形成了符合中國鐵路運營需求且深度統(tǒng)型集便裝置技術(shù)，從功能、接口和子部件都進(jìn)行了定義，為未來的運營檢修打下了良好的基礎(chǔ)[1]。

真空集便裝置在使用時會產(chǎn)生較大的瞬時噪聲，影響乘客舒適性。尤其對于臥鋪車來說，較大的噪聲會嚴(yán)重影響乘客休息，如何有效降低真空集便裝置的瞬時噪聲將成為改善旅客乘坐環(huán)境舒適性的一個重要研究方向。

1.2 綠色環(huán)保

1.2.1 微生物降解

為了減少或消除污物的二次處理和污染，降低后處理費用，國外已經(jīng)開始研究從源頭降解和處理污物。德國、瑞士[2]、印度、印度尼西亞、越南和孟加拉等國家在部分車輛中采用了微生物降解污物技術(shù)，即污物箱演變?yōu)槭占徒到馕畚锏目臻g。此種方式不需要吸污，污物在污物箱內(nèi)降解后可直排，但處理污物速度較慢，對微生物的生長環(huán)境要求嚴(yán)格，一旦污物箱加熱系統(tǒng)損壞或列車需要斷電，微生物就會失去活性。

1.2.2 灰水

由盥洗設(shè)施排出的廢水簡稱為灰水，灰水可直接排入軌道上，也可通過集便裝置收集存放于污物箱中。由于環(huán)境保護(hù)的需求，并考慮低溫時凍結(jié)的影響，灰水收集進(jìn)入污物箱已經(jīng)在國內(nèi)動車組上廣泛實施，但污物箱的容積增加了約33%，這對整車的空間布置是不利的。

受民用廢水回收利用的啟發(fā)，德國已經(jīng)開始研究將列車灰水進(jìn)行凈化，凈化后的灰水用于沖洗便器，這種方法既可以節(jié)省污物箱容積，還可以節(jié)省凈水箱容積、減輕列車重量;國內(nèi)也開始了對灰水凈化再利用進(jìn)行了地面靜態(tài)研究，主要研究方向為物理過濾凈化。

1.2.3 衛(wèi)生間異味

衛(wèi)生間的空氣環(huán)境由空調(diào)系統(tǒng)集中送新風(fēng)，并通過廢排系統(tǒng)進(jìn)行排廢氣。如廁產(chǎn)生的異味可通過空調(diào)系統(tǒng)消除。但衛(wèi)生間內(nèi)的清潔劑、消毒劑遺留的氣味，以及隱蔽角落潮濕的環(huán)境滋生細(xì)菌微生物而產(chǎn)生霉味，垃圾異味，空調(diào)系統(tǒng)無法完全消除。因此有效消除衛(wèi)生間異味的技術(shù)將成為改善旅客乘坐環(huán)境舒適性的又一個重要研究方向。

1.3 輕量化

1.3.1 水箱

目前，國內(nèi)外列車的水箱通常采用不銹鋼材質(zhì)，既可滿足強度、防腐、不污染水質(zhì)等各項要求，同時具有優(yōu)異的防火性能。為了降低重量，國外部分車輛的車內(nèi)小水箱采用了塑料材質(zhì)，不僅重量輕，且防腐性能優(yōu)異，防火性能也滿足車輛要求，但是要滿足25～30年的壽命要求，還需結(jié)合運用來驗證。

1.3.2 凈水管路

凈水管路通常采用不銹鋼或銅材質(zhì)，其中中國和大部分歐洲國家凈水管路主要采用不銹鋼，美國、加拿大主要采用銅材質(zhì)。由于不銹鋼或銅本身的材質(zhì)特性，安裝時調(diào)整量較小，對于更改量比較頻繁的管路來說是不利的。CRH3型車及德國的動車組少量采用了鋁塑管，這種鋁塑管成型好、調(diào)整量大、重量輕、成本低，裝配較容易。對于凈水管路來說，可嘗試采用此種鋁塑管，但是需重點關(guān)注防火和環(huán)保性能，滿足相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)的要求。

1.3.3 污物箱

污物箱是儲存污物的裝置，材質(zhì)一般為不銹鋼材質(zhì)。日本新干線車輛的污物箱首次采用了FRP復(fù)合材料制造，其結(jié)構(gòu)為在FRP復(fù)合材料制橢圓形外殼周圍，用加熱方法粘接聚氯乙烯泡沫塑料，并在上面再手糊一層FRP復(fù)合材料的夾層結(jié)構(gòu)。FRP復(fù)合材料重量較小，不易被腐蝕，但是要滿足強度需求，就需要采用橢圓或圓形結(jié)構(gòu)，不能充分利用列車空間，工藝較復(fù)雜，大面積應(yīng)用存在困難。

1.3.4 衛(wèi)生間

目前國內(nèi)外衛(wèi)生間殼體和地板主要采用玻璃鋼材質(zhì)[3]，墻板主要采用鋁蜂窩，頂板和檢查門主要為高密度板。隨著新材料碳纖維、紙蜂窩等的出現(xiàn)，國內(nèi)外已經(jīng)開始探索這些輕型材料在衛(wèi)生間上的應(yīng)用，但也發(fā)現(xiàn)了紙蜂窩剛度不足、碳纖維與其他材料連接困難的問題，且成本高昂，未大面積推廣。

2 給水衛(wèi)生系統(tǒng)發(fā)展趨勢

2.1 污物收集

集便裝置噪聲主要來自噴射器和抽吸污物時便盆處的噪聲，可以高達(dá)93 dB～96 dB，對鄰近的客室乘客產(chǎn)生影響，尤其是對臥鋪車的乘客產(chǎn)生較大影響。目前國內(nèi)外對于集便裝置的隔音降噪研究不足，并無有效的措施?；诼每褪孢m性需求，未來可從2個方面進(jìn)行研究。1）對噴射器產(chǎn)生的噪聲，可以在噴射器外圍設(shè)置隔音裝置，減少噪聲的傳遞。2）便盆處的噪聲可以可通過便盆底部管路的變徑降低噪聲;衛(wèi)生間區(qū)域可以整體進(jìn)行隔離降噪，使噪聲不能傳遞到客室區(qū)域。

2.2 綠色環(huán)保

2.2.1 微生物降解

深入研究微生物降解技術(shù)，減少外界環(huán)境對微生物的影響，提高微生物降解的效率，達(dá)到直排水的標(biāo)準(zhǔn)是未來研究的重點[4]。另外，為了提高污物降解的效率，也可以采用電化學(xué)方法降解污物，但是需要考慮周期性添加試劑產(chǎn)生的成本，選擇相對低廉且效果好的試劑是非常重要的。

2.2.2 灰水再利用

國外學(xué)者Robert E Eden等曾提出：在長途旅行列車上，旅客使用過的洗漱水，污染雜質(zhì)只占0.1%左右，比海水的3.5%還少，經(jīng)過適當(dāng)處理可再重復(fù)利用。灰水再利用技術(shù)可將洗盆的灰水經(jīng)過簡單處理后沖洗便器，一方面節(jié)省水箱用水，緩解列車上用水緊張的局面;另一方面大大降低污物箱的容積負(fù)荷;水箱和污物箱容積變小，同時也會降低重量，可謂一舉三得。

灰水再利用裝置需兼顧以下3點。1）列車是一個狹長體，大部分空間用來承載旅客，裝置安裝空間很小，因此必須采用處理空間小、質(zhì)量輕的設(shè)備。2）列車運行時間有限，要選用速率快、最好能實現(xiàn)即開即停的處理技術(shù)手段。3）應(yīng)平衡處理效果和制造費用的矛盾，達(dá)到處理效益和成本的平衡。

目前國內(nèi)外灰水再利用技術(shù)處于靜態(tài)研究階段，主要通過過濾的方式處理洗盆灰水，出水基本可以達(dá)到中水回用的標(biāo)準(zhǔn)。不過暫未經(jīng)過實際運營的驗證，濾料的更換周期、成本和可靠性等有待驗證，并繼續(xù)優(yōu)化。

2.2.3 除異味措施

衛(wèi)生間內(nèi)的清潔劑、消毒劑氣味以及隱蔽角落潮濕的環(huán)境滋生細(xì)菌微生物而產(chǎn)生霉味，垃圾異味，可通過加裝除菌除味小設(shè)備或環(huán)保健康版來解決。

除菌除味小設(shè)備主要通過高電壓擊穿氣體，產(chǎn)生一定濃度的臭氧，通過臭氧的氧化作用達(dá)到除菌除味的目的。日本在這方面的技術(shù)領(lǐng)先，并具有國際專利，核心技術(shù)是控制臭氧濃度在一定范圍內(nèi)，不對人體造成危害，且將列車提供的低壓轉(zhuǎn)化成高壓的電控設(shè)備安全可靠。日本的這種設(shè)備已在機場等大型公共場所應(yīng)用，正逐步在軌道車輛上推廣。

另外一種可降解異味的設(shè)備是環(huán)保健康板，它采用無臭氧、無放射性、不插電、免維護(hù)的負(fù)離子發(fā)生技術(shù)，不需要通電就能釋放大量對人體有益的負(fù)氧離子，能消煙除塵、殺菌防霉、去除甲醛氨氣、凈化空氣，創(chuàng)造健康舒適的局域空氣環(huán)境，并且具有耐高溫、防火、綠色環(huán)保、絕熱、隔音和無有害物質(zhì)等特性。這種健康板可直接粘接在衛(wèi)生間內(nèi)部的墻板上，目前在輪船的衛(wèi)生間中廣泛應(yīng)用，后續(xù)可以推廣到軌道車輛衛(wèi)生間。

2.3 輕量化

2.3.1 水箱

重力式供水的水箱一般位于車內(nèi)較高位置，通過高度差給用水部件供水。此種水箱重心較高，且采用不銹鋼板拼焊而成，為了保證強度，通常會設(shè)置筋板，重量較大，對于整個車輛的設(shè)計不利。盡管法國部分車輛和我國CRH1前期車型的車內(nèi)小水箱采用過密度較小的塑料材質(zhì)，但是技術(shù)并不成熟，拼縫及管路接口等采用何種方式連接，如何保證強度等都需要研究。隨著新型材料研究的進(jìn)步，各種性能優(yōu)異的塑料也源源不斷地出現(xiàn)，基于減重需求的塑料材質(zhì)的水箱發(fā)展前景廣闊。車內(nèi)容積較小的水箱可優(yōu)先考慮采用塑料材質(zhì)，并針對軌道車輛的特殊需求，研究滿足使用和強度要求的輕型水箱。

2.3.2 凈水管路

鋁塑管是一種由中間縱焊鋁管、內(nèi)外層聚乙烯塑料以及層與層之間熱熔膠共擠復(fù)合而成的新型管道。聚乙烯是一種無毒、無異味的塑料，具有良好的耐撞擊、耐腐蝕和抗天候性能。中間層縱焊鋁合金使管子具有金屬的耐壓強度，耐沖擊能力使管子易彎曲不反彈，鋁塑復(fù)合管具有金屬管堅固耐壓和塑料管抗酸堿耐腐蝕2個特點。鋁塑復(fù)合管內(nèi)部平滑、不腐蝕，不結(jié)水垢，彎曲容易，最可貴的是鋁塑管不易結(jié)霜，保溫性好，非常適合使用于水管路系統(tǒng)中使用。

2.3.3 衛(wèi)生間

隨著減重需求越來越迫切，新型輕質(zhì)材料逐漸開始在衛(wèi)生間中使用，最主要的就是用碳纖維代替玻璃鋼，紙蜂窩代替鋁蜂窩。目前，碳纖維和紙蜂窩并未大面積使用在衛(wèi)生間中，僅在減重要求非常高的車輛中進(jìn)行嘗試，主要原因是這2種材質(zhì)的成本較高。隨著碳纖維和紙蜂窩材料的發(fā)展，相信未來可以突破成本的枷鎖，大面積應(yīng)用在衛(wèi)生間中。

3 結(jié)語

我國的給水衛(wèi)生技術(shù)經(jīng)過了引進(jìn)消化再吸收的過程，已經(jīng)比較成熟可靠，可滿足運營維護(hù)需求。未來可以在中國軌道車輛給水衛(wèi)生系統(tǒng)中，積極研究新材料、新技術(shù)，在舒適性、綠色環(huán)保和輕量化等方面實現(xiàn)給水衛(wèi)生新一輪的變革。

參考文獻(xiàn)

[1]岳文志，王衛(wèi)，董德洪，等. 鐵路客車統(tǒng)型真空集便裝置的設(shè)計.設(shè)計制造，2015，53（2）：20-22.

[2]王興華，繆峰，葛會超.旅客列車自處理式衛(wèi)生間新技術(shù)發(fā)展探討[J].鐵道車輛，2015，53（11）：31-34.

[3]崔婧美，李瑞淳.國外鐵路車輛衛(wèi)生間設(shè)計[J].科技創(chuàng)新，2014（3）：13-14.

[4]范青楊.集便器在中國軌道車輛上的應(yīng)用[J].城市軌道交通研究，2008（5）：15-17.