鐵路車輛太陽(yáng)能電熱開(kāi)水爐系統(tǒng)研究

盧衍偉,張軍民

（青島中車四方軌道車輛有限公司,山東 青島 266111）

0 引言

綠色是軌道交通裝備技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。太陽(yáng)能作為人類用之不竭的綠色可靠能源，對(duì)于促進(jìn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展、實(shí)現(xiàn)降本增效、推動(dòng)軌道交通產(chǎn)業(yè)可持續(xù)健康發(fā)展具有積極的意義。太陽(yáng)能電熱開(kāi)水爐在鐵路車輛中的應(yīng)用研究，一方面契合國(guó)家戰(zhàn)略，另一方面能夠減少能源消耗和二氧化碳排放，降低列車運(yùn)營(yíng)費(fèi)用。對(duì)于促進(jìn)列車創(chuàng)新創(chuàng)造、綠色制造、推進(jìn)先進(jìn)軌道交通裝備制造業(yè)創(chuàng)新升級(jí)具有重要意義。

太陽(yáng)能電熱開(kāi)水爐系統(tǒng)是利用集熱器吸收太陽(yáng)輻射能轉(zhuǎn)化為熱能，再將熱能傳遞給水從而使水的溫度不斷升高。夜間系統(tǒng)通過(guò)熔鹽儲(chǔ)熱系統(tǒng)進(jìn)行換熱傳導(dǎo)，通過(guò)供水控制器控制電磁閥打開(kāi)傳熱管道，涼水通過(guò)管道與熔鹽系統(tǒng)進(jìn)行熱交換，實(shí)現(xiàn)開(kāi)水爐溫水供給。

1 鐵路車輛太陽(yáng)能電熱開(kāi)水爐系統(tǒng)組成

太陽(yáng)輻射起源于太陽(yáng)在高溫、高壓下進(jìn)行的熱核聚變反應(yīng)。熱核聚變反應(yīng)時(shí)4個(gè)氫核（proton）聚變成一個(gè)氦核，質(zhì)量發(fā)生虧損，同時(shí)釋放出巨大的能量，按照現(xiàn)有熱核反應(yīng)速率計(jì)算，太陽(yáng)壽命有5×109年。

由于大氣層的存在和影響，到達(dá)地球表面的太陽(yáng)輻射可分為兩個(gè)部分：直接輻射和散射輻射。一般來(lái)說(shuō)，晴天直接輻射占總輻射的比例大；陰雨天散射輻射占總輻射的比例大。到達(dá)地球陸地表面可利用的太陽(yáng)能功率為1.785×1016W，我國(guó)太陽(yáng)能資源豐富，理論儲(chǔ)量達(dá)每年17 000億t標(biāo)準(zhǔn)煤，有巨大的開(kāi)發(fā)潛力。

鐵路車輛太陽(yáng)能電熱開(kāi)水爐系統(tǒng)由太陽(yáng)能平板集熱器、熔鹽儲(chǔ)能換熱系統(tǒng)、供水控制器、車頂太陽(yáng)能水箱、電熱開(kāi)水爐等構(gòu)成，如圖1所示。熱水供應(yīng)系統(tǒng)集成布置在車輛端部，通過(guò)供水管路、電熱開(kāi)水爐為旅客提供熱水供應(yīng)。

圖1 太陽(yáng)能電熱開(kāi)水爐系統(tǒng)框圖

1.1 平板集熱器

平板集熱器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠、吸熱面積大，可固定安裝（不需跟蹤太陽(yáng)），可以同時(shí)利用直射輻射和散射輻射，能夠較好地適應(yīng)軌道列車運(yùn)營(yíng)。平板集熱器是一種特殊的熱交換器，其吸熱體內(nèi)的流體能與太陽(yáng)輻射進(jìn)行能量傳遞，獲得有用的能量收益。為減少集熱器與外界熱傳導(dǎo)造成熱量損失，在吸熱體的背部和側(cè)面充填有保溫材料。平板集熱器能量平衡方程如下：

式中，QA——單位時(shí)間內(nèi)吸熱板吸收到的太陽(yáng)輻射能量；Qu——單位時(shí)間內(nèi)集熱器的有用輸出能量；QL——單位時(shí)間內(nèi)集熱器的熱損失；Qs——單位時(shí)間內(nèi)集熱器貯存的能量。

1.2 熔鹽儲(chǔ)能換熱系統(tǒng)

太陽(yáng)能熔鹽儲(chǔ)能換熱技術(shù)是利用硝酸鹽等原料作為傳熱介質(zhì)，通過(guò)太陽(yáng)輻射能與熔鹽的內(nèi)能轉(zhuǎn)換來(lái)存儲(chǔ)能量。熔鹽儲(chǔ)能換熱系統(tǒng)具有很高的熱熔和熱傳導(dǎo)值，蓄熱密度高，蓄熱裝置結(jié)構(gòu)緊湊，熱穩(wěn)定性和質(zhì)量傳遞速度優(yōu)良，具備日間儲(chǔ)能夜間換熱供水能力，并且其價(jià)格比較低。

熔鹽儲(chǔ)能[1]技術(shù)已經(jīng)成功應(yīng)用在太陽(yáng)能熱發(fā)電站中，其原理是利用太陽(yáng)輻射能將熔鹽加熱至融化狀態(tài)，熔鹽通過(guò)管道流動(dòng)與水換熱，產(chǎn)生水蒸氣發(fā)電。熔鹽儲(chǔ)能換熱系統(tǒng)與之不同的是：熔鹽直接吸收太陽(yáng)輻射能和太陽(yáng)能平板集熱器的熱能后通過(guò)管道中的水的流動(dòng)進(jìn)行換熱，降低了系統(tǒng)復(fù)雜度和維護(hù)費(fèi)用，節(jié)約了成本，更適合應(yīng)用在移動(dòng)列車上。

1.3 電熱開(kāi)水爐

鐵路車輛客室電熱開(kāi)水爐設(shè)有溫度傳感器，電熱開(kāi)水爐設(shè)有溫水區(qū)和開(kāi)水區(qū)。通過(guò)控制管路電磁閥可以實(shí)現(xiàn)車頂水箱為開(kāi)水爐溫水區(qū)供水，供水控制器通過(guò)水溫檢測(cè)控制開(kāi)水爐電加熱器對(duì)溫水加熱，水開(kāi)后通過(guò)噴水管噴入開(kāi)水箱供乘客飲用；夜間供水時(shí)，供水控制器控制車頂水箱電磁閥開(kāi)通，水通過(guò)管道流過(guò)熔鹽系統(tǒng)循環(huán)換熱，水溫迅速升高進(jìn)入開(kāi)水爐溫水區(qū)。系統(tǒng)設(shè)有過(guò)濾系統(tǒng)去除太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)產(chǎn)生的水垢等雜質(zhì)，具備防漏電、防干燒、防雷擊保護(hù)功能。

電熱開(kāi)水爐結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2所示[2]，主要由電器箱、進(jìn)水組件、電磁閥、溫水箱、煮水箱、噴水管、開(kāi)水箱（內(nèi)設(shè)3個(gè)電極探頭）、保溫管、溫控器等構(gòu)成。

圖2 電熱開(kāi)水爐結(jié)構(gòu)圖

2 鐵路車輛太陽(yáng)能電熱開(kāi)水爐系統(tǒng)工作原理

鐵路車輛載客量大，特別對(duì)于長(zhǎng)途列車，乘客開(kāi)水消耗量較多。車輛通過(guò)電熱開(kāi)水爐進(jìn)行熱水供應(yīng)，電能消耗較大。通過(guò)太陽(yáng)能熱水供應(yīng)系統(tǒng)在光照充足時(shí)甚至能夠直接供應(yīng)開(kāi)水，有效減少電力消耗。熱水供應(yīng)系統(tǒng)的熔鹽能量?jī)?chǔ)存系統(tǒng)能夠?qū)⒐庹掌陂g吸收儲(chǔ)存的熱能通過(guò)換熱系統(tǒng)換熱確保熱水系統(tǒng)在夜間持續(xù)工作。

2.1 太陽(yáng)能電熱開(kāi)水爐溫水供水系統(tǒng)工作原理

車頂設(shè)有太陽(yáng)能水箱、熔鹽換熱系統(tǒng)、光照傳感器、電磁閥等，將傳統(tǒng)靜止太陽(yáng)能集熱供水變?yōu)殍F路車輛移動(dòng)式供熱，供水控制器根據(jù)傳感器信號(hào)自動(dòng)控制熱水供給。平板集熱器與太陽(yáng)能水箱集成設(shè)計(jì)，系統(tǒng)設(shè)有過(guò)濾系統(tǒng)去除太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)產(chǎn)生的水垢等雜質(zhì)，具備防雷擊保護(hù)功能。熔鹽換熱系統(tǒng)能夠保證太陽(yáng)能電熱開(kāi)水爐系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)夜間熱水供應(yīng)；不同于太陽(yáng)能熱站中熔鹽的工作原理，該系統(tǒng)中熔鹽并不需要流動(dòng)，減少了防止熔鹽凝固而加熱的成本。太陽(yáng)能電熱開(kāi)水爐系統(tǒng)工作原理如圖3所示。

圖3 太陽(yáng)能電熱開(kāi)水爐系統(tǒng)原理

車頂太陽(yáng)能水箱在系統(tǒng)工作期間，溫度為60 ℃左右（按全年平均水溫），電熱開(kāi)水爐只需將水加熱40 ℃便可成為開(kāi)水為旅客飲用，節(jié)約大量的電能，系統(tǒng)工作時(shí)溫水通過(guò)電開(kāi)水爐進(jìn)水組件進(jìn)行供水。

平板集熱器吸收太陽(yáng)光熱與太陽(yáng)能水箱進(jìn)行熱量交換。熔鹽換熱系統(tǒng)在太陽(yáng)光照期間吸收熱量?jī)?chǔ)能，正常模式下供夜間換熱使用。車頂太陽(yáng)能水箱光照傳感器檢測(cè)到光照信號(hào)時(shí)，電磁閥1在電開(kāi)水爐使用期間始終處于關(guān)斷狀態(tài)；陰雨天及夜晚時(shí)供水控制器自動(dòng)關(guān)斷電磁閥1，開(kāi)通電磁閥2，系統(tǒng)由換熱系統(tǒng)供水。

供水控制器采集車頂太陽(yáng)能水箱溫度傳感器信號(hào)，在水溫大于95 ℃時(shí)，換熱系統(tǒng)始終處于關(guān)閉狀態(tài)；熔鹽換熱系統(tǒng)溫度傳感器與車頂太陽(yáng)能水箱溫度傳感器信號(hào)通過(guò)供水控制器實(shí)時(shí)檢測(cè)，熔鹽溫度等于水溫時(shí)，停止換熱，供水期間電磁閥1始終處于關(guān)斷狀態(tài)；電開(kāi)水不需要補(bǔ)水時(shí)（通過(guò)采集電開(kāi)水爐水位傳感器），電磁閥1和電磁閥2處于關(guān)斷狀態(tài)；太陽(yáng)能水箱及換熱系統(tǒng)供水不足95 ℃時(shí)，供水控制器控制電開(kāi)水爐加熱器加熱。鐵路車輛太陽(yáng)能電熱開(kāi)水爐系統(tǒng)通過(guò)智能顯示屏進(jìn)行人機(jī)交互，實(shí)時(shí)處理系統(tǒng)信息。

2.2 電熱開(kāi)水爐系統(tǒng)工作原理

當(dāng)打開(kāi)車頂水箱溫水進(jìn)水組件水閥，接通電源后，電開(kāi)水爐在規(guī)定的正常水壓、電壓情況下工作時(shí)，自來(lái)水經(jīng)過(guò)過(guò)濾器→電磁閥→進(jìn)水組件→溫水箱→煮水箱→煮沸后通過(guò)噴水管向上噴入開(kāi)水箱內(nèi)。

電開(kāi)水爐工作時(shí)，若溫水箱水位低于9號(hào)電極，電磁閥自動(dòng)通電進(jìn)水，當(dāng)溫水箱水位高于10號(hào)電極時(shí)，電磁閥自動(dòng)斷電停止進(jìn)水。若溫水箱水位高于8號(hào)電極，煮水箱內(nèi)的發(fā)熱管開(kāi)始通電工作，當(dāng)溫水箱水位低于7號(hào)電極時(shí)，煮水箱內(nèi)的發(fā)熱管自動(dòng)斷電停止工作。當(dāng)開(kāi)水箱的開(kāi)水水位高于4號(hào)電極時(shí)，保溫發(fā)熱管開(kāi)始通電工作，開(kāi)水箱的開(kāi)水水位高于6號(hào)電極，煮水箱內(nèi)的電熱管斷電停止工作，開(kāi)水箱的開(kāi)水水位低于5號(hào)電極，煮水箱內(nèi)的發(fā)熱管通電煮水。

電熱開(kāi)水爐專為鐵路車輛旅客飲用開(kāi)水而設(shè)計(jì)，具有抗振、缺水保護(hù)功能，缺水時(shí)能自動(dòng)切斷電源，防止燒壞開(kāi)水爐；設(shè)有低水壓、高可靠性自動(dòng)控制供水閥及方便拆洗的供水過(guò)濾器；供應(yīng)開(kāi)水快，接通電源約8 min，發(fā)熱筒內(nèi)的水即可沸騰噴入開(kāi)水箱內(nèi)，約10 min即可有開(kāi)水供應(yīng)，并可以連續(xù)不停地以額定流量供應(yīng)開(kāi)水；設(shè)有開(kāi)水保溫功能，開(kāi)水箱內(nèi)有電熱管保溫裝置。儲(chǔ)存在開(kāi)水箱內(nèi)的開(kāi)水，可保證在 90 ℃以上。

3 經(jīng)濟(jì)效益與CO2減排分析

峰值日照時(shí)間是指將當(dāng)?shù)氐奶?yáng)輻射量，折算成標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件下的時(shí)數(shù)，即一段時(shí)間內(nèi)（逐年或逐月）太陽(yáng)總輻射量H與地表面上標(biāo)準(zhǔn)輻照度G之比（輻照度G=1 000 W/m2），有時(shí)也稱之為等效利用時(shí)數(shù)。鐵路車輛運(yùn)行在祖國(guó)大江南北，穿越不同的太陽(yáng)輻射帶，取峰值日照時(shí)間 1 750 h/年。

3.1 經(jīng)濟(jì)效益

車頂太陽(yáng)能水箱容量為400 L=0.4 m3，水箱、水管及熔鹽換熱系統(tǒng)具有保溫層，可減少熱量散失。按照峰值日照時(shí)間折算列車每日日間運(yùn)營(yíng)5 h，消耗熱水量400 L，水箱吸收的總能量Q如下（按一年計(jì)）：

式中，m——水的質(zhì)量，取400 kg；c——水的比熱容（specific heat），取 4.2×103 J/（kg·℃）；Δt—— 水溫變化量，取60 ℃；T——系統(tǒng)工作天數(shù)，取365。

熔鹽換熱系統(tǒng)工作溫度設(shè)計(jì)為250 ℃，通過(guò)保溫系統(tǒng)與外界隔熱。為了達(dá)到與日間相同的節(jié)能效果，供熱系統(tǒng)每日換熱量Q換=Q/365 J=108J=28 kWh，所需熔鹽質(zhì)量m為：

式中，m——熔鹽的質(zhì)量；c——熔鹽的比熱容，取1.42×103 J/（kg·℃ )；Δt—— 熔鹽溫度變化量，取 200 ℃。

太陽(yáng)能電熱開(kāi)水爐系統(tǒng)每輛車全年可節(jié)約能量為Q每輛/年=2Q=20 440 kWh。熔鹽材料價(jià)格成本 526 元 /kWh，每輛車熔鹽造價(jià)1.5萬(wàn)元；車頂太陽(yáng)能水箱部分為車輛原裝，幾乎不需要增加成本；太陽(yáng)能平板集熱器、保溫及供熱控制器造價(jià)0.5萬(wàn)元；總的太陽(yáng)能熱水供應(yīng)系統(tǒng)造價(jià)為2萬(wàn)元。車輛設(shè)計(jì)壽命為30年，應(yīng)用太陽(yáng)能電熱開(kāi)水爐系統(tǒng)后共計(jì)可節(jié)約電量61 320 kWh，將近6萬(wàn)余元。

3.2 CO2減排分析

太陽(yáng)能作為綠色可再生能源，能夠減少能源消耗對(duì)環(huán)境的CO2排放量。太陽(yáng)能電熱開(kāi)水爐系統(tǒng)CO2減排潛力公式為[3]：

式中，PM——二氧化碳減排潛力（kg）；K——綜合系統(tǒng)效率，取0.7；P0——太陽(yáng)能系統(tǒng)功率（折算功率），為1.17 kW；Yr——太陽(yáng)能年峰值日照時(shí)數(shù)（加上夜晚折算時(shí)數(shù)），取2 100 h；N——壽命周期年數(shù)，取30年；EI——CO2排放指數(shù)，我國(guó)為 0.814 kg/（kWh）。

經(jīng)計(jì)算，每輛車預(yù)計(jì)30年可減少CO2排放量為42 t。

4 結(jié)語(yǔ)

太陽(yáng)能電熱開(kāi)水爐系統(tǒng)綠色環(huán)保，能夠減少CO2排放量，促進(jìn)軌道交通產(chǎn)業(yè)循環(huán)發(fā)展。太陽(yáng)能技術(shù)能夠降低車輛運(yùn)營(yíng)成本，增加鐵路運(yùn)營(yíng)收益。高鐵裝備作為“一帶一路”標(biāo)志產(chǎn)品，綠色制造運(yùn)營(yíng)能夠提高大國(guó)制造競(jìng)爭(zhēng)力。太陽(yáng)能電熱開(kāi)水爐系統(tǒng)全生命周期每輛車可為運(yùn)營(yíng)單位節(jié)約成本4萬(wàn)元，具有較好的發(fā)展前景。