鐵路車輛太陽能電熱開水爐系統研究

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的發展趨勢。太陽能作為人類用之不竭的綠色可靠能源，對于促進經濟發展、實現降本增效、推動軌道交通產業可持續健康發展具有積極的意義。太陽能電熱開水爐在鐵路車輛中的應用研究，一方面契合國家戰略，另一方面能夠減少能源消耗和二氧化碳排放，降低列車運營費用。對于促進列車創新創造、綠色制造、推進先進軌道交通裝備制造業創新升級具有重要意義。

太陽能電熱開水爐系統是利用集熱器吸收太陽輻射能轉化為熱能，再將熱能傳遞給水從而使水的溫度不斷升高。夜間系統通過熔鹽儲熱系統進行換熱傳導，通過供水控制器控制電磁閥打開傳熱管道，涼水通過管道與熔鹽系統進行熱交換，實現開水爐溫水供給。

1 鐵路車輛太陽能電熱開水爐系統組成

太陽輻射起源于太陽在高溫、高壓下進行的熱核聚變反應。熱核聚變反應時4個氫核（proton）聚變成一個氦核，質量發生虧損，同時釋放出巨大的能量，按照現有熱核反應速率計算，太陽壽命有5×109年。

由于大氣層的存在和影響，到達地球表面的太陽輻射可分為兩個部分：直接輻射和散射輻射。一般來說，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。到達地球陸地表面可利用的太陽能功率為1.785×1016W，我國太陽能資源豐富，理論儲量達每年17 000億t標準煤，有巨大的開發潛力。

鐵路車輛太陽能電熱開水爐系統由太陽能平板集熱器、熔鹽儲能換熱系統、供水控制器、車頂太陽能水箱、電熱開水爐等構成，如圖1所示。熱水供應系統集成布置在車輛端部，通過供水管路、電熱開水爐為旅客提供熱水供應。

圖1 太陽能電熱開水爐系統框圖

1.1 平板集熱器

平板集熱器結構簡單、運行可靠、吸熱面積大，可固定安裝（不需跟蹤太陽），可以同時利用直射輻射和散射輻射，能夠較好地適應軌道列車運營。平板集熱器是一種特殊的熱交換器，其吸熱體內的流體能與太陽輻射進行能量傳遞，獲得有用的能量收益。為減少集熱器與外界熱傳導造成熱量損失，在吸熱體的背部和側面充填有保溫材料。平板集熱器能量平衡方程如下：

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

1.2 熔鹽儲能換熱系統

太陽能熔鹽儲能換熱技術是利用硝酸鹽等原料作為傳熱介質，通過太陽輻射能與熔鹽的內能轉換來存儲能量。熔鹽儲能換熱系統具有很高的熱熔和熱傳導值，蓄熱密度高，蓄熱裝置結構緊湊，熱穩定性和質量傳遞速度優良，具備日間儲能夜間換熱供水能力，并且其價格比較低。

熔鹽儲能[1]技術已經成功應用在太陽能熱發電站中，其原理是利用太陽輻射能將熔鹽加熱至融化狀態，熔鹽通過管道流動與水換熱，產生水蒸氣發電。熔鹽儲能換熱系統與之不同的是：熔鹽直接吸收太陽輻射能和太陽能平板集熱器的熱能后通過管道中的水的流動進行換熱，降低了系統復雜度和維護費用，節約了成本，更適合應用在移動列車上。

1.3 電熱開水爐

鐵路車輛客室電熱開水爐設有溫度傳感器，電熱開水爐設有溫水區和開水區。通過控制管路電磁閥可以實現車頂水箱為開水爐溫水區供水，供水控制器通過水溫檢測控制開水爐電加熱器對溫水加熱，水開后通過噴水管噴入開水箱供乘客飲用；夜間供水時，供水控制器控制車頂水箱電磁閥開通，水通過管道流過熔鹽系統循環換熱，水溫迅速升高進入開水爐溫水區。系統設有過濾系統去除太陽能集熱系統產生的水垢等雜質，具備防漏電、防干燒、防雷擊保護功能。

電熱開水爐結構見圖2所示[2]，主要由電器箱、進水組件、電磁閥、溫水箱、煮水箱、噴水管、開水箱（內設3個電極探頭）、保溫管、溫控器等構成。

圖2 電熱開水爐結構圖

2 鐵路車輛太陽能電熱開水爐系統工作原理

鐵路車輛載客量大，特別對于長途列車，乘客開水消耗量較多。車輛通過電熱開水爐進行熱水供應，電能消耗較大。通過太陽能熱水供應系統在光照充足時甚至能夠直接供應開水，有效減少電力消耗。熱水供應系統的熔鹽能量儲存系統能夠將光照期間吸收儲存的熱能通過換熱系統換熱確保熱水系統在夜間持續工作。

2.1 太陽能電熱開水爐溫水供水系統工作原理

車頂設有太陽能水箱、熔鹽換熱系統、光照傳感器、電磁閥等，將傳統靜止太陽能集熱供水變為鐵路車輛移動式供熱，供水控制器根據傳感器信號自動控制熱水供給。平板集熱器與太陽能水箱集成設計，系統設有過濾系統去除太陽能集熱系統產生的水垢等雜質，具備防雷擊保護功能。熔鹽換熱系統能夠保證太陽能電熱開水爐系統實現夜間熱水供應；不同于太陽能熱站中熔鹽的工作原理，該系統中熔鹽并不需要流動，減少了防止熔鹽凝固而加熱的成本。太陽能電熱開水爐系統工作原理如圖3所示。

圖3 太陽能電熱開水爐系統原理

車頂太陽能水箱在系統工作期間，溫度為60 ℃左右（按全年平均水溫），電熱開水爐只需將水加熱40 ℃便可成為開水為旅客飲用，節約大量的電能，系統工作時溫水通過電開水爐進水組件進行供水。

平板集熱器吸收太陽光熱與太陽能水箱進行熱量交換。熔鹽換熱系統在太陽光照期間吸收熱量儲能，正常模式下供夜間換熱使用。車頂太陽能水箱光照傳感器檢測到光照信號時，電磁閥1在電開水爐使用期間始終處于關斷狀態；陰雨天及夜晚時供水控制器自動關斷電磁閥1，開通電磁閥2，系統由換熱系統供水。

供水控制器采集車頂太陽能水箱溫度傳感器信號，在水溫大于95 ℃時，換熱系統始終處于關閉狀態；熔鹽換熱系統溫度傳感器與車頂太陽能水箱溫度傳感器信號通過供水控制器實時檢測，熔鹽溫度等于水溫時，停止換熱，供水期間電磁閥1始終處于關斷狀態；電開水不需要補水時（通過采集電開水爐水位傳感器），電磁閥1和電磁閥2處于關斷狀態；太陽能水箱及換熱系統供水不足95 ℃時，供水控制器控制電開水爐加熱器加熱。鐵路車輛太陽能電熱開水爐系統通過智能顯示屏進行人機交互，實時處理系統信息。

2.2 電熱開水爐系統工作原理

當打開車頂水箱溫水進水組件水閥，接通電源后，電開水爐在規定的正常水壓、電壓情況下工作時，自來水經過過濾器→電磁閥→進水組件→溫水箱→煮水箱→煮沸后通過噴水管向上噴入開水箱內。

電開水爐工作時，若溫水箱水位低于9號電極，電磁閥自動通電進水，當溫水箱水位高于10號電極時，電磁閥自動斷電停止進水。若溫水箱水位高于8號電極，煮水箱內的發熱管開始通電工作，當溫水箱水位低于7號電極時，煮水箱內的發熱管自動斷電停止工作。當開水箱的開水水位高于4號電極時，保溫發熱管開始通電工作，開水箱的開水水位高于6號電極，煮水箱內的電熱管斷電停止工作，開水箱的開水水位低于5號電極，煮水箱內的發熱管通電煮水。

電熱開水爐專為鐵路車輛旅客飲用開水而設計，具有抗振、缺水保護功能，缺水時能自動切斷電源，防止燒壞開水爐；設有低水壓、高可靠性自動控制供水閥及方便拆洗的供水過濾器；供應開水快，接通電源約8 min，發熱筒內的水即可沸騰噴入開水箱內，約10 min即可有開水供應，并可以連續不停地以額定流量供應開水；設有開水保溫功能，開水箱內有電熱管保溫裝置。儲存在開水箱內的開水，可保證在 90 ℃以上。

3 經濟效益與CO2減排分析

峰值日照時間是指將當地的太陽輻射量，折算成標準測試條件下的時數，即一段時間內（逐年或逐月）太陽總輻射量H與地表面上標準輻照度G之比（輻照度G=1 000 W/m2），有時也稱之為等效利用時數。鐵路車輛運行在祖國大江南北，穿越不同的太陽輻射帶，取峰值日照時間 1 750 h/年。

3.1 經濟效益

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

式中，m——水的質量，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——系統工作天數，取365。

熔鹽換熱系統工作溫度設計為250 ℃，通過保溫系統與外界隔熱。為了達到與日間相同的節能效果，供熱系統每日換熱量Q換=Q/365 J=108J=28 kWh，所需熔鹽質量m為：

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

太陽能電熱開水爐系統每輛車全年可節約能量為Q每輛/年=2Q=20 440 kWh。熔鹽材料價格成本 526 元 /kWh，每輛車熔鹽造價1.5萬元；車頂太陽能水箱部分為車輛原裝，幾乎不需要增加成本；太陽能平板集熱器、保溫及供熱控制器造價0.5萬元；總的太陽能熱水供應系統造價為2萬元。車輛設計壽命為30年，應用太陽能電熱開水爐系統后共計可節約電量61 320 kWh，將近6萬余元。

3.2 CO2減排分析

太陽能作為綠色可再生能源，能夠減少能源消耗對環境的CO2排放量。太陽能電熱開水爐系統CO2減排潛力公式為[3]：

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

經計算，每輛車預計30年可減少CO2排放量為42 t。

4 結語

太陽能電熱開水爐系統綠色環保，能夠減少CO2排放量，促進軌道交通產業循環發展。太陽能技術能夠降低車輛運營成本，增加鐵路運營收益。高鐵裝備作為“一帶一路”標志產品，綠色制造運營能夠提高大國制造競爭力。太陽能電熱開水爐系統全生命周期每輛車可為運營單位節約成本4萬元，具有較好的發展前景。