無論是公共汽車，電車還是火車：通過將乘客車廂內的溫度降低幾度，便可以大大降低當地公共交通的供暖成本。為了科學地節省能源，Applied Sciences Rapperswil大學正在通過MSR385WD型小型無線數據記錄儀確定乘客車廂供暖合適的電力需求。
作者：Sven Strebel，蘇黎世應用科學大學（Zurich University of Applied Sciences）“可再生能源”研究組研究助理。以下文章已發布在德國的“messtec drives Automation” trade journal, Sonderheft traffic (traffic special edition) 03/2018.
電動火車可以通過節能的車輛和設施（例如軌道系統，安全系統，火車站）以及使用現代牽引系統的創新火車運行來節省電力。車隊的現代化，制動能量的回收和節能駕駛減少了能耗。盡管近年來已經實現了牽引動力效率的提高，但是用于車廂加熱的節省潛力，特別是對于現有車隊的節省潛力尚未耗盡。
1、本地電力客運的巨大節省潛力
在公共交通中，乘客在車內停留的時間相對較短；因此，我們可以假設他們穿著與天氣相適應的衣服。因此，室內和室外氣候之間的溫差過大，可能會對乘客的熱舒適性產生負面影響，同時導致高度的能源需求。為了給車廂提供所需的供暖熱量，出于效率方面的考慮，公共交通中的電動車輛使用傳統的電阻加熱器（在建筑物和公寓中有一段時間未使用的電動“夜間儲藏加熱器”）。另外，由于其相對緊湊的設計，與建筑物相比，本地公共交通工具的隔熱值相對較差。因此，需要較高的熱量來給乘客車廂供暖。
通過適當降低電車的室內溫度，使得在節省能源的同時保證客戶乘坐的舒適感成為了可能，這主要是由于乘客在車艙內停留的時間短。除此之外，與此相關的不同研究表明，用于加熱電動汽車的能源需求占總能源需求的10％至50％。
在Applied Sciences Rapperswil大學的MSE（工程學碩士學位）碩士學位課程的碩士論文里，于冬季作業期間對Verkehrsbetriebe Zürich（蘇黎世的公共交通運營商）的“有軌電車”的特定熱能需求進行了檢查。為此，檢查了：在有軌電車正常運行期間用于加熱乘客艙的電力需求、通過窗戶輸入的太陽熱、來自乘客和設備的廢熱以及乘客車廂與環境之間的溫度差。
圖1丨電車
2、用于無線氣候測量的帶有無線傳感器的數據記錄儀
為了測量室內氣候，必須找到一種折衷辦法，以測量相關區域（就座椅和站立區域）的空氣溫度，同時以一種在操作過程中不能對其進行操作或拆卸的方式來安裝傳感器。此外，必須考慮電車內部的不同區域（腳和頭部，靠近門等）以及五個車廂部分；因此測量點必須分布在整個車輛上。
由瑞士測量技術公司MSR Electronics GmbH制造的小型傳感器模塊和數據記錄儀已經在工業，交通，物流和機器等領域的一系列應用中取得了成功，并為這些領域所需的測量技術提供了重要的幫助。
由于在內部連接傳統溫度傳感器會花費大量時間和精力，因此使用了該公司生產的帶有MSR385SM發射模塊的無線溫度傳感器和MSR385WD系列的無線數據記錄儀。整個車輛上共分配了20個傳感器；中央無線數據記錄儀安裝在電車的中央，并通過其移動網絡路由器將數據上傳到MSR云。傳感器由電池提供了足夠的電力。為了補充測量結果，在車頂上安裝了一個空氣溫度傳感器和幾個太陽輻射傳感器，以便記錄室外溫度和太陽輻射對車窗表面的影響。
小尺寸的溫度傳感器模塊，由其內置的電池供電，能夠持續自主操作足夠長的時間，并且能夠通過該公司提供的MSR云解決方案，輕松實現配置和監測測量值，最終定制出一個全面的標準化系統。
圖2丨集成ISM頻段接收器的MSR385WD無線數據記錄儀
圖3丨在ABS外殼中的MSR385SM發射器模塊
3、從傳感器模塊到云
MSR385WD無線數據記錄儀可用于永久記錄不同測量點并且工作環境溫度在-20°C至+125°C內的溫度，濕度和壓力，并且無論您身在何處都可以對其進行監測。這些功能使該記錄儀成為電車測量任務中的理想選擇。數據記錄儀具有集成的868 MHz ISM頻段接收器模塊，該模塊可從多達十個MSR385SM傳感器發射模塊接收數據并進行記錄。這些發射模塊通過傳感器記錄溫度曲線，濕度和壓力，并將測量值發送到ISM頻段中的數據記錄儀，無需許可證即可使用。根據測量和無線電傳輸的頻率，向發射模塊供電的時長為五年。由于其熱阻，發射模塊（根據外殼類型的不同）計量應用方面變得便利，即使是在高達+125°C的高工作溫度下。發射模塊的測量和傳輸間隔可以如下調整：1 s，10 s，1 min，15 min，1 h。根據選擇的情況的類型，通過可充電的260 mAh鋰聚合物電池或800 mAh的Li-SOCl2電池為發射模塊供電。經過優化的電源管理可確保（取決于測量和無線電傳輸的頻率）微型發射模塊的電量能夠長達五年。這種緊湊型的發射模塊配備了最小的外殼，重量約為25 g，外部尺寸僅為35 x 55 x 25 mm。因此，在這種情況下，它甚至可以放置在平時無法接近的位置。同時，集成的閃存功能可在斷電時保護數據的安全。
圖4丨MSR SmartCloud
數據記錄儀記錄的測量值可以通過USB接口讀取，并使用MSR PC軟件進行進一步處理及數據分析。此外，GSM模塊有助于將MSR385WD連接到“ MSR SmartCloud”，這是基于Web的服務，用于MSR Electronics進行移動數據監測。無線數據記錄儀配備有彩色OLED顯示屏，可立即查看數據。屏幕分辨率高，即使在完全黑暗的情況下，也幾乎可以從任何角度觀看，并輕松讀取測量值。
4、有意義的結果
測量的主要目的是調查電車的節能潛力。在此背景下，此處顯示的圖表顯示了在兩個多月的調查期內，傳感器和記錄儀記錄的有軌電車的室內溫度，室外空氣溫度和蘇黎世（Zurich）市區以上的平均氣溫的變化情況。
此外，另一張圖表顯示了調查期間每天來自不同熱源的熱量輸入（加熱，通過窗戶的太陽能輸入等）。請注意，數據不是標準化的，取決于當天電車的使用時間。在熱量輸入非常低（<50 kWh /天）的日子里，車輛無法正常運行。該圖表明，最大百分比的熱量輸入是由電加熱提供。根據電車的使用情況和環境溫度，每天每輛電車的測量功率在100至800 kWh之間。相比之下，一個典型的2人家庭的平均電力需求約為每年4500kWh。
基于這些氣候測量，有軌電車的年加熱能量需求可以估算為約72 MWh。如果將室內溫度降低2攝氏度，已經可以節省大約25％。假設Verkehrsbetriebe Zürich（蘇黎世的公共交通運營商）的所有的電車都具有相同的熱能需求，則將每年節省約3.3 GWh的電力。這相當于約730個單戶住宅的電力需求。與其他措施（例如優化隔熱效果或安裝更高效的加熱器）相比，從技術和財務角度來看，降低室內溫度是降低能耗的相對簡單措施。
圖5丨電車室內溫度，室外空氣溫度和蘇黎世（Zurich）市區以上的平均氣溫
圖6丨不同熱源的熱能輸入情況
