軌道車輛給水衛生系統發展現狀及趨勢

馬志會 張國棟 熊劍春 欒健洋 張天 王超

摘? 要：軌道車輛給水衛生系統主要為旅客和司乘人員提供衛生服務設施、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生技術已經比較成熟，可以較好地滿足使用和檢修維護要求。未來中國軌道車輛給水衛生需積極研究新材料、新技術的應用，爭取站到本領域的制高點。

關鍵詞：軌道車輛;給水;衛生;發展趨勢

中圖分類號：U273 文獻標志碼：A

軌道車輛給水衛生系統主要為旅客和司乘人員提供衛生服務設施、洗漱用水、飲用水，是軌道車輛不可或缺的重要組成部分。給水衛生主要包括給水裝置和衛生裝置。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;衛生裝置為旅客及司乘人員提供舒適的衛生設施，并收集排泄污物，主要部件有衛生間、盥洗室、集便裝置、污物管路和污物箱。

1 國內外發展現狀

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生間內便器的污物或來自盥洗設施的洗漱灰水。目前國內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。通過預設控制程序對氣路、水路及排污管路上的各種閥門進行控制，完成“加壓-沖洗-排空-恢復”循環過程，集便裝置的核心技術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設計和生產，其次丹麥的GLOVE和SEMVAC也占據一定的市場份額，技術都非常成熟穩定。國內集便裝置經歷了技術引進、消化吸收、再創新等階段，已形成了符合中國鐵路運營需求且深度統型集便裝置技術，從功能、接口和子部件都進行了定義，為未來的運營檢修打下了良好的基礎[1]。

真空集便裝置在使用時會產生較大的瞬時噪聲，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境舒適性的一個重要研究方向。

1.2 綠色環保

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，即污物箱演變為收集和降解污物的空間。此種方式不需要吸污，污物在污物箱內降解后可直排，但處理污物速度較慢，對微生物的生長環境要求嚴格，一旦污物箱加熱系統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。由于環境保護的需求，并考慮低溫時凍結的影響，灰水收集進入污物箱已經在國內動車組上廣泛實施，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，德國已經開始研究將列車灰水進行凈化，凈化后的灰水用于沖洗便器，這種方法既可以節省污物箱容積，還可以節省凈水箱容積、減輕列車重量;國內也開始了對灰水凈化再利用進行了地面靜態研究，主要研究方向為物理過濾凈化。

1.2.3 衛生間異味

衛生間的空氣環境由空調系統集中送新風，并通過廢排系統進行排廢氣。如廁產生的異味可通過空調系統消除。但衛生間內的清潔劑、消毒劑遺留的氣味，以及隱蔽角落潮濕的環境滋生細菌微生物而產生霉味，垃圾異味，空調系統無法完全消除。因此有效消除衛生間異味的技術將成為改善旅客乘坐環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，國內外列車的水箱通常采用不銹鋼材質，既可滿足強度、防腐、不污染水質等各項要求，同時具有優異的防火性能。為了降低重量，國外部分車輛的車內小水箱采用了塑料材質，不僅重量輕，且防腐性能優異，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，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。由于不銹鋼或銅本身的材質特性，安裝時調整量較小，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，但是需重點關注防火和環保性能，滿足相應標準的要求。

1.3.3 污物箱

污物箱是儲存污物的裝置，材質一般為不銹鋼材質。日本新干線車輛的污物箱首次采用了FRP復合材料制造，其結構為在FRP復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復合材料的夾層結構。FRP復合材料重量較小，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構，不能充分利用列車空間，工藝較復雜，大面積應用存在困難。

1.3.4 衛生間

目前國內外衛生間殼體和地板主要采用玻璃鋼材質[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，國內外已經開始探索這些輕型材料在衛生間上的應用，但也發現了紙蜂窩剛度不足、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 給水衛生系統發展趨勢

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93 dB～96 dB，對鄰近的客室乘客產生影響，尤其是對臥鋪車的乘客產生較大影響。目前國內外對于集便裝置的隔音降噪研究不足，并無有效的措施。基于旅客舒適性需求，未來可從2個方面進行研究。1）對噴射器產生的噪聲，可以在噴射器外圍設置隔音裝置，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;衛生間區域可以整體進行隔離降噪，使噪聲不能傳遞到客室區域。

2.2 綠色環保

2.2.1 微生物降解

深入研究微生物降解技術，減少外界環境對微生物的影響，提高微生物降解的效率，達到直排水的標準是未來研究的重點[4]。另外，為了提高污物降解的效率，也可以采用電化學方法降解污物，但是需要考慮周期性添加試劑產生的成本，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，污染雜質只占0.1%左右，比海水的3.5%還少，經過適當處理可再重復利用。灰水再利用技術可將洗盆的灰水經過簡單處理后沖洗便器，一方面節省水箱用水，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、質量輕的設備。2）列車運行時間有限，要選用速率快、最好能實現即開即停的處理技術手段。3）應平衡處理效果和制造費用的矛盾，達到處理效益和成本的平衡。

目前國內外灰水再利用技術處于靜態研究階段，主要通過過濾的方式處理洗盆灰水，出水基本可以達到中水回用的標準。不過暫未經過實際運營的驗證，濾料的更換周期、成本和可靠性等有待驗證，并繼續優化。

2.2.3 除異味措施

衛生間內的清潔劑、消毒劑氣味以及隱蔽角落潮濕的環境滋生細菌微生物而產生霉味，垃圾異味，可通過加裝除菌除味小設備或環保健康版來解決。

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

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

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，通常會設置筋板，重量較大，對于整個車輛的設計不利。盡管法國部分車輛和我國CRH1前期車型的車內小水箱采用過密度較小的塑料材質，但是技術并不成熟，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步，各種性能優異的塑料也源源不斷地出現，基于減重需求的塑料材質的水箱發展前景廣闊。車內容積較小的水箱可優先考慮采用塑料材質，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、內外層聚乙烯塑料以及層與層之間熱熔膠共擠復合而成的新型管道。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。鋁塑復合管內部平滑、不腐蝕，不結水垢，彎曲容易，最可貴的是鋁塑管不易結霜，保溫性好，非常適合使用于水管路系統中使用。

2.3.3 衛生間

隨著減重需求越來越迫切，新型輕質材料逐漸開始在衛生間中使用，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生間中，僅在減重要求非常高的車輛中進行嘗試，主要原因是這2種材質的成本較高。隨著碳纖維和紙蜂窩材料的發展，相信未來可以突破成本的枷鎖，大面積應用在衛生間中。

3 結語

我國的給水衛生技術經過了引進消化再吸收的過程，已經比較成熟可靠，可滿足運營維護需求。未來可以在中國軌道車輛給水衛生系統中，積極研究新材料、新技術，在舒適性、綠色環保和輕量化等方面實現給水衛生新一輪的變革。

參考文獻

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

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

[3]崔婧美，李瑞淳.國外鐵路車輛衛生間設計[J].科技創新，2014（3）：13-14.

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