真空排水系统在高速列车上的应用与分析

蒋国涛

（南宁铁路局 南宁房产生活段，助理工程师 广西 南宁）

随着中国铁路的六次大提速，列车的排水配套设施发生了巨大变化，新型排水系统更是彻底解决了以往污水直接向线路排放所造成的环境污染问题。为满足高速列车对安静和卫生的更高、更严格要求，就必须在保证列车可承受的经济荷载下，采用合适的集中式排水系统来解决高速列车的排放污水问题。同时，列车要提速就必须减少其横截面、降低车辆重心，所以高速列车的排放水系统还必须满足占空间小、冲洗节水、运行安静等要求。综上，真空排水系统正是目前高速列车上最为适用的排水系统。

1 高速列车真空排水系统

真空排水系统是利用真空泵维持排水管道内负压梯度，将洁具和地漏的排水收集传输至真空贮存灌中，再通过排污泵将污水排放至室外的全封闭排水系统。该系统通常由真空泵站（包括真空泵、真空罐、排污泵、控制柜组成）、真空管网、真空大便器（包括真空坐便器、真空蹲便器）、控制显示器、真空污水收集传输装置（用以收集洗脸盆、小便斗等排水）及排气口等组成。

本文以某铁路列车车厢卫生间段为例介绍真空排水系统，该车段的卫生器包括洗手盆、开水炉、真空坐式便器和真空蹲式便器等（见图1）。相应的排水系统布置在车厢底部（见图2），给水排水电气模块控制原理（见图3）。真空泵站集中布置在车厢底部可降低列车重心，泵站可模块化设计占空间小。真空便器由电气控制辅以人工按钮控制冲洗排水。洗手盆和开水炉的排水先靠重力流入真空收集装置，再通过该装置的液位控制阀控制真空止回阀的启闭。最后，污水均依靠真空管道的抽吸将污水排入罐中并最终由真空泵排出车外。

图1 卫生器具平面布置图（单位：mm)

图2真空排水系统原理图图

图3给水排水电气控制原理图

2 列车真空排水系统计算

欧盟标准法，是国内外室内真空排水项目最为常用的一种计算方法，其来自欧盟室内真空排水系统 设 计 标 准（EN 12109∶1999，Vacuum drainage systems inside building）［3］，见下面公式（1）、（2）。

式中：QWW为某管段排水量，L/s；K为缩减因数；DUW为单个卫生间器具排水量，L/s；QWL为某管段抽气量，L/s；DUL为单个卫生器具抽气量，L/s。

该法中的参数K、DUW与DUL的取值规定：

①因数K值根据不同场合对卫具的使用频次确定，间歇性使用场所K=0.5，频繁使用场所K=0.7，集中使用地点K=1.0，人员相对密集使用情况K=1.2。

②卫具流量DUW分两种型号，类型Ⅱ的DUW=0.5 L/s，有便器、地漏等大排水量卫具；除此之外均为类型Ⅰ，DUW=0.3 L/s［3］；

③DUL该法中未具体给出，需由卫生洁具产品确定或实测确定，查紧凑型真空便器的抽气量50L/次，取抽气时间t=2s，则DUL=25 L/s。

根据列车厢内乘客的使用情况以及卫生器具布置，可以确定参数 K=0.7、DUW=0.3L/s、DUL=5L/s。按公式（1）、（2）计算出各管段流量，然后选用不锈钢管作为排水管且按污水满流考虑，排污管最小管径为DN50。查《建筑给水排水设计规范GB50015-2003》（2009年版）表3.6.9中的数据可以确定经济流速，最后由公式Q=AV=πt2V计算结果见下表1，计算管径标注见图2-2。

表1 Mc车卫生间段真空排水系统管径计算表

为了减少阻力损失，管路设计的最大水平长度不超过7米，最大提升距离不大于1.5 m，90°弯头最多4个，45°弯头最多8个。该排水系统如在寒冷环境中使用时，车内管道外包防寒材料防冷凝水，车下管道需增加伴热线和防寒材料。

3 列车真空排水系统分析

3.1 系统工作分析

1）真空便器：由便盆、真空止回阀和电气控制柜组成。当人工按钮启动时信号控制冲水阀打开，增压供水冲洗3 s后真空止回阀开启约2 s后关闭，最后冲水阀继续打开3 s后关闭，每次冲洗水量为0.9～1.5 L（以上时间可自行设定）。该便器具有冲洗记忆，采用低真空度控制，真空便器用不低于0.18 MPa水压冲洗，运行真空度为-50～-65 kPa，单次动作进气量（60±10）L/次。

2）废水洁具：洗手盆、开水炉等非便器排水为废水洁具，其排水先是依靠重力流入收集容器，容器里装有液位控制阀，待水位到达设定值时传递信号开启真空止回阀抽吸，水位降到设定值时再传递信号关闭阀门。

3）排水管道：采用抗压1.0 MPa的不锈钢管焊接，以满足真空管道承压。支管接入干管时必须采用45°斜弯头、三通或四通，使水气尽可能混合理想，以保证污水高效通行。真空管路用支架和管卡固定在列车侧墙中或车厢底部，转输装置接入真空端、便器排入真空管端、支管汇入干管处及直线距离每隔10～30 m处的真空管均要向上弯起成两个45°斜弯衔接状且提升坡度不小于1%，据此设计安装真空管路便呈现出阶梯状，详见图2。

4）管道计算：管段管径是按污水满流考虑、污水流速取压力流的经济流速，再代入流量公式计算确定。但实际由于真空抽吸比压力流的排水能力要强的多，水气混合流不仅沿程损失小而且流速最高可达5 m/s，因此设计计算的结果偏大即预留排水空间足够大，排水管堵塞可能性更小。

5）真空泵站：通常真空罐内下部1/3空间存储污水混合物，其余空间用于真空保证。真空泵排气维持系统负压，当负压低于下限值时，启泵排气，当负压达设定值时停泵。便器与管道、转输装置与管道以及泵与外界管道上均要安装真空止回阀以防止空气倒灌破坏负压，真空罐顶部安装安全阀，防止罐内负压过大。

6）自动清洗：真空排水系统具有自动清洗功能，真空便器冲洗水量非常少，易导致固体物滞留真空管道内，故必须配备专门自动清洗单元，这也是真空排水系统的优势，不需要人工频繁疏通。该单元采用序批处理装置与真空便器相连，自动清洗可能会被堵塞的管道，每次冲洗污水累积量达5～6 L时，清洗处理器便通过液位开关传递信号打开真空止回阀，对真空管道进行强力冲洗以防止结垢。

3.2 系统优势分析列车排水放先后经历了重力流直排和重力流收集两种排水方式，这两类传统排水均有各自优缺点，但总体上是弊大于利的落后技术，不适用高速列车的排水。现将高速列车的新型排水系统同传统排水系统做如下优势比较，相关内容详见表2。

表2 新型排水系统与传统排水系统优势比较

4 结束语

真空排水技术虽在国内起步晚，但凭借其诸多优势已受到越来越多的行业青睐。随着中国高铁的快速发展，高速列车真空排水系统已替代传统排水系统，而且随着技术应用不断成熟其优势将会更加明显。该新型排水系统不仅比传统排水节水60%～70%，而且还适用对声环境和卫生有特殊要求的场所，在环保、节水和运行管理方便具有巨大优势。可以预测，随着不断应用、改进和研发以及人们对室内卫生环境要求的不断提高下，真空排水系统将不仅局限于铁路行业，而将在更多的领域推广并取代传统排水的主导地位。

［1］《全国民用建筑工程设计技术措施-给水排水》（2009年版）.

［2］《建筑给水排水设计规范》GB50015-2003（2009年版）.

［3］EN12109：1999.

［4］沈浦源.高速列车项目给排水及卫生系统设计［J］.机械工程与自动化，2015（3)∶208-209

［5］全国钢标准化技术委员会.GB/T 14967-2012流体输送用不锈钢无缝钢管［S］.北京：中国标准出版社，2012：1-3.

［6］徐巍.浅析室内真空排水系统［J］.建筑与设备，2011（3）：22-23.