Системы обеспечения микроклимата на объектах железнодорожного транспорта

СИСТЕМЫ ОБЕСПЕЧЕНИЯ 
МИКРОКЛИМАТА
НА ОБЪЕКТАХ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО 
ТРАНСПОРТА

Под редакцией Ю.П. Сидорова

Рекомендовано
Московским государственным университетом путей сообщения
к использованию в качестве учебника для студентов,
обучающихся по направлению подготовки
280700 «Техносферная безопасность» ВО.
Регистрационный номер рецензии 277
от 16 июня 2014 г. базового учреждения
ФГАУ «Федеральный институт развития образования»

Москва
2015

УДК 697:656.2
ББК 38.762:39.2
       С34

Рецензент: заведующий лабораторией «Экономическая безопасность» ОАО 
«ВНИИЖТ», д-р физ.-мат. наук В.М. Бельков

Сидоров Ю.П., Гаранина Т.В., Тимошенкова Е.В.
Системы обеспечения микроклимата на объектах железнодорожного транспорта: учеб. пособие / Под ред. Ю.П. Сидорова. — 
М.: ФГБОУ «Учебно-методический центр по образованию на 
железнодорожном транспорте», 2015. — 260 с.
ISBN 978-5-89035-828-8
Рассмотрены термодинамические свойства влажного воздуха, методы выбора его расчетных параметров и тепловлажностной обработки. Приведены 
принципиальные схемы систем отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха, применяемые на объектах железнодорожного транспорта. Даны 
методики теплотехнических и аэродинамических расчетов отдельных аппаратов систем отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха, а также основные принципы их выбора и эксплуатации. 
Предназначено для студентов, обучающихся по направлению подготовки «Инженерная защита окружающей среды», «Безопасность жизнедеятельности», а также может быть полезно для студентов специальности «Промышленная теплоэнергетика».
УДК 697:656.2
ББК 38.762:39.2

© Сидоров Ю.П., Гаранина Т.В., 
 
Тимошенкова Е.В., 2015
© ФГБОУ «Учебно-методический центр 
 
по образованию на железнодорожном 
 
транспорте», оформление, 2015

С34

ISBN 978-5-89035-828-8

Введение 

Системы обеспечения микроклимата применяют для создания 
и поддержания искусственного микроклимата — оптимальной рабочей температуры, влажности, чистоты и подвижно сти воздуха в 
общественных, жилых, производственных помещениях, а также в 
подвижном составе железных дорог. 
Система обеспечения микроклимата осуществляет следующие 
функции: отопление, вентиляция, охлаждение и поддержание требуемой санитарно-гигиенической чистоты.
Согласно санитарно-гигиеническим нормативам система обеспечения микроклимата предназначена для создания комфортных условий на рабочих местах. При этом она должна обеспечивать непрерывную работу приточной вентиляции с подогревом воздуха в 
холодный период года и охлаждением — в жаркий. 
Системы отопления, вентиляции и кондиционирования получили широкое распространение на железнодорожном транспорте. 
В настоящее время пассажирские вагоны оснащены микроклиматическими системами. Устанавливают эти системы и в кабинах 
тепловозов и электровозов, особенно если они эксплуатируются 
на железных дорогах, находящихся в зонах сухого или влажного 
теплого климата. Системами поддержания микроклимата необходимо оснащать в первую очередь высокоскоростной подвижной 
состав.
Для прохождения сертификационных испытаний по санитарно-гигиеническим показателям локомотивы и вагоны необходимо 
оборудовать не только системами отопления и вентиляции, но и 
системой кондиционирования воздуха. Условия труда, в которых 
находятся локомотивные бригады и проводники, а также бригады, работающие на путевых машинах, часто являются неблагоприятными.
Окружающий человека воздух является существенным фактором, определяющим его самочувствие. Исследования показали, 
что температура, относительная влажность и скорость конвективных потоков воздуха в помещениях, пассажирских вагонах и элек

тропоездах пригородного сообщения часто не отвечают требованиям комфорта как в летний, так и в зимний периоды эксплуатации. 
Системы обеспечения микроклимата должны эффективно поддерживать в помещениях, независимо от условий окружающей среды, заданные состав, влажность и температуру воздуха. 

Глава 1. ОСНОВЫ ВЫБОРА И ЭКСПЛУАТАЦИИ 
ОТОПИТЕЛЬНО-ВЕНТИЛЯЦИОННЫХ СИСТЕМ

Рассмотрим требования, которым воздух должен удовлетворять 
для поддержания необходимых санитарно-гигиенических условий.
Человек за сутки в среднем потребляет около 15 кг воздуха. При 
этом содержание в нем кислорода должно быть 18—20 %. Максимальное процентное содержание углекислоты при отсутствии других выделяемых в воздухе газов и паров может быть принято равным 0,5 %. С учетом же выделения других вредных веществ допустимую концентрацию углекислоты следует принять равной 0,2 %. 
Выдыхаемый человеком воздух полностью насыщен влагой, поэтому величина фоновой влажности воздуха будет оказывать существенное влияние на процесс удаления влаги из организма человека, а вместе с ней и на процесс теплообмена с окружающей средой.
Существенно влияет на качество воздушной среды и его запыленность. Частицы пыли, находящиеся во взвешенном состоянии, 
попадают при вдохе в организм человека, оказывая на него неблагоприятное воздействие и вызывая раздражение слизистой, а иногда аллергию. Запыленный воздух способствует износу трущихся поверхностей в технологическом процессе на производстве или же 
просто загрязняет (при осаждении) территорию. 
По своему происхождению пыль может быть органическая, неорганическая и смешанная. В зависимости от степени дисперсности пыль может постоянно находиться во взвешенном состоянии или же оседать на поверхностях ограждений и оборудования. 
В первом случае микрочастицы пыли с адсорбированной влагой называются аэрозолем, а во втором — аэрогелем. Следует учитывать 
и тот фактор, что пыль с размерами частиц менее 50 нм по своим физико-химическим свойствам может значительно отличаться 
от свойств твердого вещества — источника пылеобразования при 
его диспергировании.
При диспергировании или дроблении вещества многократно увеличивается его поверхность, на которой появляются адсорбцион

ные слои влаги, адсорбируются ионы, появляющиеся в воздухе изза ультрафиолетового излучения солнца, изменяется заряд частиц 
пыли, что приводит к возникновению разрядов и опасности взрыва. 
Немаловажное значение с точки зрения качества воздуха имеют 
и различного рода запахи. И хотя они и не являются первостепенными при определении объемов воздухообмена и выбора вентиляционных систем, требования по условиям отсутствия запаха желательно все же выполнять. 
Помимо требований, предъявляемых к воздуху как к вдыхаемой 
среде, на первое место выдвигаются требования, предъявляемые к 
воздуху как к окружающей нас среде.
Самочувствие человека будет лишь тогда наилучшим, когда его 
окружает воздух не только безупречный для дыхания с точки зрения физико-химического состава, но и отвечающий определенным 
нормам по температуре, влажности и циркуляции. Выделяемая человеком в процессе его жизнедеятельности теплота рассеивается в 
окружающую среду. Мощность теплового потока, поступающего от 
человека, в среднем составляет 100 Вт в час. Когда имеется соответствие между количеством теплоты и влаги, выделяемой телом 
человека, и количеством теплоты и влаги, уносимой газом за счет 
конвективного тепло- и массопереноса, то такое состояние принято называть термодинамическим комфортом. Этим термином выражается такое тепловое ощущение человека, когда он не ощущает ни холода, ни жары [4—5, 1].

1.1. Физические свойства влажного воздуха

Влажный воздух представляет собой смесь сухого воздуха с водяным паром. Если пар находится в воздухе в перегретом состоянии, то воздух называется ненасыщенным, если же пар в воздухе насыщен, то такой влажный воздух называется насыщенным.
Водяной пар в насыщенном воздухе имеет максимальное парциальное давление при данной температуре. Состояние насыщенного влажного воздуха является неустойчивым, так как незначительное повышение температуры переводит насыщенный пар в перегретый, при понижении температуры будет происходить конденсация и появляться микрокапли влаги, т.е. появится туман [4, 5, 10].
Пар, находящийся во влажном воздухе в небольших количествах, имеет небольшое парциальное давление, поэтому его можно 

рассматривать как газ, подчиняющийся в смеси с воздухом закону Дальтона:
р = рв + рп,                               (1.1)

где рв — парциальное давление сухого воздуха;
рп — парциальное давление пара, находящегося в воздухе.
Влажный воздух характеризуется абсолютной и относительной 
влажностью. Под абсолютной влажностью понимается масса пара, содержащаяся в 1 м3 влажного воздуха. Она численно равна 
парциальной плотности пара ρп (кг/м3) во влажном воздухе.
В насыщенном воздухе абсолютная влажность или плотность 
пара будет отвечать максимальному значению при данной температуре воздуха — ρп.н.
Отношение абсолютной влажности в ненасыщенном воздухе 
к абсолютной влажности в насыщенном воздухе при одной и той 
же температуре и давлении воздуха называется его относительной 
влажностью.

п

п.н
.
ρ
′
ϕ = ρ
                                 (1.2)

Отношение плотности пара с достаточно хорошей степенью точности можно заменить отношением парциальных давлений пара в 
ненасыщенном и насыщенном воздухе при постоянной температуре и давлении смеси:

п

п.н
.
р

р
′
ϕ =
                                (1.3)

На практике относительную влажность воздуха принято обозначать в процентах:
ϕ = 100 ϕ′, %.                           (1.4)
В расчетах систем вентиляции и кондиционирования воздуха 
количество влаги в воздухе удобнее оценивать не по абсолютной 
влажности, а с помощью влагосодержания, т.е. количеством влаги, приходящейся на 1 кг сухого воздуха.
Если масса пара Мп в воздухе и масса сухого воздуха Мс.в выражаются в кг, то под влагосодержанием понимается:

п

с.в

М
х
М
=
, кг/кг сух. возд.                    (1.5)

Если же масса пара определяется в граммах, то влагосодержание выражается как

п

с.в

М
d
М
=
, г/кг сух. возд.                    (1.6)

Принимая воздух и пар идеальными газами, а также учитывая, 
что число молей отдельных газов в смеси относятся между собой 
как их парциальные давления, получим: 

п.н

п.н
622
p
d
р
р

′
ϕ
=
′
− ϕ
                          (1.7)

или 
п.н

п.н
0,622
.
p
х
р
р

′
ϕ
=
′
− ϕ
                        (1.8)

Плотность влажного воздуха ρв по физическому смыслу равна сумме парциальных плотностей сухого воздуха ρс.в и водяного пара ρп:
ρв = ρс.в + ρп.                            (1.9)

Значения ρс.в и ρп определяются по соответствующим парциальным давлениям и температуре влажного воздуха:

с.в
с.в
с.в
;
р

R
T
ρ
=
                           (1.10)

п
п
п
.
р

R T
ρ =
                            (1.11)

Следовательно: 

с.в
п
в
с.в
п

1
.
p
р

T
R
R

⎛
⎞
⎜
⎟
ρ =
+
⎜
⎟
⎝
⎠

                      (1.12)

Если учесть, что газовая постоянная сухого воздуха Rс.в = 287 
Дж/кг·К, а водяного пара Rп = 462 Дж/кг·К, то с учетом что ρс.в = 
= ρ – ρп, получим:

в
п.н
1
0,00132
.
287
p
р
T
⎛
⎞
′
ρ =
−
ϕ
⎜
⎟
⎝
⎠

                (1.13)

Таким образом, плотность влажного воздуха с увеличением его 
относительной влажности убывает.
Теплоемкость влажного воздуха относится к 1 кг сухого воздуха, поэтому она определяется соотношением

c = cс.в + хcп.                            (1.14)

При использовании воздуха с температурами в пределах от –50 
до 100 °С с достаточно хорошей степенью точности можно принять cс.в = 1,0 кДж/кг·К, cп = 1,95 кДж/кг·К. 
При этом получим: c = 1 + 1,95х кДж/кг·К.
Энтальпия влажного воздуха также относится к 1 кг сухого воздуха и определяется соотношением

i = iс.в + хiп.                             (1.15)

Энтальпия сухого воздуха:

iс.в = cс.вt ≈ t,                           (1.16)

cс.в = 1005 Дж/кг·К ≈ 1,0 кДж/кг·К.

Энтальпия пара, находящегося в перегретом состоянии, определяется как сумма энтальпий кипящей жидкости, теплоты парообразования r и теплоты перегрева пара.
Энтальпия кипящей жидкости:

iж = сжtнас = 4,19tнас.                     (1.17)

Теплота парообразования r в интервале температур до 100 °С 
может определяться по отношению

r = 2500 – 2,28tнас.                      (1.18)

Теплота перегрева пара:

qпер = сп(t – tнас) = 1,95(t – tнас).              (1.19)

С учетом приведенных соотношений для определения энтальпий влажного воздуха получим формулу

i = t + х(2500 + 1,8t), кДж/кг.                (1.20)

При измерении энтальпии влажного воздуха в ккал/кг формула имеет вид:

i = 0,24t + х(597 + 0,43t), ккал/кг.             (1.21)