CN101509706A - 道路集热地下蓄能双温差梯级流量控制方法 - Google Patents

道路集热地下蓄能双温差梯级流量控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明将双温差梯级流量控制模式应用于道路集热和地下蓄能控制中。系统包括①路面埋管、②上游水箱、③循环泵、④调节阀、⑤地下换热器组、⑥下游水箱、⑦回水泵、⑧调节阀、⑨调节阀、⑩太阳能热源、⑪集热路面。采用的控制模式能提升太阳能集热效率，增强地下能量的传输和存储能力，保证更大的综合系统能效。

Description

道路集热地下蓄能双温差梯级流量控制方法
技术领域
本发明属于可再生能源与蓄能利用技术领域，特别涉及类似于道桥路面太阳能集热和地下蓄能系统的控制问题。
1、背景技术
利用道路集热蓄能融雪化冰技术，夏季集热蓄能一方面收集道路太阳能热量，实现“夏蓄能冬利用”季节性利用的目的；另一方面还有效地降低炎热夏季路面温度，减少路面热蚀破坏，提高道路寿命，特别对交通负载繁重路段(机场跑道、高速路端口、桥梁、坡路和弯道等)尤为必要。因此，集热蓄能融雪化冰技术的多重功效和作用也是其具有发展前景的优势所在，并被国际道路交通联合会(IRU)和国际能源组织(IEA)推荐应用的道路交通安全领域可再生能源利用绿色技术之一。
蓄能是未来能源领域可持续发展的重要组成部分和发展战略，是实现能源可再生化和高效利用的一种有效途径。地下作为一个良好的蓄能体和清洁能源库，越来越被人类所认识。集热蓄能融雪化冰系统将地能、太阳能等多种可再生能源整合利用，实现道路安全和环保，已经成为能源交通领域的创新技术和极具可持续发展前景的工程技术。专利03120732.4、03124304.5、200810049591.6分别应用地热能、太阳能、地下水进行了道路融雪化冰。
本发明将双温差梯级流量控制模式应用于道路集热和地下蓄能控制中。通过控制开启、关闭蓄能运行和循环流体流量逐级变化，避免路面平均温度过低(低太阳能辐射时段)地下热量回流散失问题；同时满足与地下热量扩散传输协同，抑制地下蓄能热量传输中拥塞，从而避免地下换热器热源周边局部温升加大和路面集热能力下降的不良现象，保证路面集热蓄能系统综合用能效率。实施路面太阳能集热地下蓄能实现循环热流体融雪化冰技术的可持续发展，能够使地下换热系统在多年融雪过程中保持较高换热能力，提高系统运行效能。
发明内容
为了提高能源利用和集热、储存效率，本发明提供一种路面太阳能集热地下蓄能联动系统和基于该系统的高效控制方法，即双温差梯级流量控制模式，不但保证更有效的道桥路面太阳能集热，提高运行功耗利用率；而且有利于地下能量存蓄，并达到汲取热量与存入热量的协同与统一，实现集热蓄能最大功效。本专利通过提出双温差和梯级可变流量概念，在路面太阳能集热和地下蓄能两个过程的联动系统中，利用路面太阳能集热的上游温差和地下蓄能过程的下游温差控制，以及梯级可变流量调节，重整各循环系统中的能流强度和温度水平，既保证有效的路面太阳能集热，又达到传入地下能量更有效的扩散和储存。避免路面埋管内循环流体平均温度与路面平均温度差过低时集热效果不良的影响，以及避免路面平均温度过低(低太阳能辐射时段)地下热量回流散失问题；利用循环流体流量逐级变化和开、关调节的有效缓冲控制，协同输入地下能量的扩散，避免地下热量拥塞，保证能量更有效的地下蓄存；从而保证集热和蓄能两个过程的有效联动，实现系统综合能效最大化。
在夏季集热和蓄能阶段，双温差梯级流量控制方法在路面太阳能加热流体温度较高时，太阳能辐射(太阳能集热源)(10)加热道桥路面(11)后，由路面下铺设排管(埋管)(1)内的流体收集热量；此时，流入路面太阳能集热系统入口的冷流体被加热为热流体，热流体经上游水箱(2)和循环泵(3)，经由开启的控制阀(4)，输送至地下换热器组(5)；此后，通过地下换热器，热流体与土壤之间进行换热，把热量传递给周边土壤，进行热量储存；随着地下换热器内热流体与土壤进行热量交换，流体温度下降，变成冷流体，再经下游水箱(6)通过循环泵(7)，输送回至道桥路面太阳能集热器的排管(1)中，再次与路面高温路面(11)进行换热，完成整个集热蓄能循环过程。
在夏季路面太阳能集热和地下蓄能的双换热联动过程中，当太阳辐射强度处于较低时段时，会导致路面温度较低，这时如果继续实行上述单调非控制的连续蓄能过程，则有可能导致地下热量回流散失，造成功耗损失，综合能效下降。此外，在太阳辐射处于较高时段时，这时如果仍然实行上述单调非控制的连续蓄能过程，则可能造成输入地下的瞬时热量能流强度过大，由于地下岩土或土壤的热传输能力较弱，不能快速地向周边扩散，导致地下换热器近壁处温度升高，而使返回的循环冷流体温度不断升高。这样进入路面集热系统内的流体温度高，而造成收集太阳能热量的能力下降，集热效率降低。可通过增加地面流量，将热量先缓存在上游水箱(2)中，同时降低地下流量来减少地下热量负荷，使地下换热器(5)温度逐步下降。显然，在路面集热和地下蓄能两个联动循环控制中，存在热量和温度的协同最优控制问题。
在本专利控制模式下，还可形成另外三种流程。其一，在输入地下热量过剩时，从地下换热系统回流的冷流体温度较高，此时需要进一步提高热流体温度，以提升地下换热能力；所以，该流程是太阳能集热系统出口的热流体通过上游水箱(2)和循环泵(3)后，只有一部分流体经由控制阀(4)，输送至地下换热器组(5)，通过地下换热器后，变成冷流体。另一部分流体储存在上游水箱中(2)，这样能有效控制地下换热温度。其二，上游集热循环过程独立运行，提升集热后的热流体温度，较高温度热流体存储在上游水箱(2)中；流程为，由太阳能集热系统出口的热流体，热流体经上游水箱(2)和循环泵(3)，经由开启的控制阀(9)(控制阀(4)关闭)，热流体直接回流至路面集热系统再升温；该流程在过渡季节(夏末或初秋)太阳能辐射强度较弱的时段，固定的单调路面循环过程无法达到满足的热流体温度，所以需要一定的直接往复循环。其三，下游地下蓄能循环过程独立运行，在不断降低的负荷能力下，降低由地下换热系统回流的冷流体温度，较低温度冷流体存储在下游水箱(6)中；流程为，由地下换热系统出口流出的冷流体，通过下游水箱(6)和循环泵(7)，经由开启的控制阀(8)和(4)(控制阀(9)关闭)，流体直接回流至地下换热系统再降温；该流程在过渡季节(夏末或初秋)太阳能辐射强度较低的时段，通过有效降低和调整冷流体温度，提高太阳能集热效率。
在上述四中流程中，均可以根据路面温度、路面太阳能集热系统的流体进、出口温度，以及地下换热系统的流体进、出口温度，决定控制各流程的启闭和流量调节，达到联动系统的最大化协同。
本专利提出采用双温差梯级流量模式，即以路面平均温度与路面太阳能集热系统循环流体入口温度之差作为上游(路面集热过程)控制温差参数ΔTup判据；以地下换热器系统循环流体的进、出口温度差为下游(地下蓄能过程)控制温差参数ΔTunder判据；以两个过程联动的循环流体流量G为控制目标，达到路面集热和地下蓄能过程的换热量和换热强度的控制目的，实现上、下游换热过程的最佳协调控制。该控制模式用于启动运行后的控制过程。系统启用的启动控制通常由气候信息数据和时间控制。
该控制方法不但有利于实现道桥路面太阳能集热地下蓄能应用，还有利于实现夏季建筑结构体固面集热地下蓄能，以及生活、生产余热热源和热泵制冷运行工况的地下蓄能过程高效控制。通过热源过程与地下蓄能过程的能量强度和温位控制，达到两个过程的能流协同，提升太阳能集热效率，增强地下能量的传输和存储能力，保证更大的综合系统能效。这些技术理念的实施，将成为双温差梯级流量控制太阳能集热地下蓄能控制方法的关键特征，从而提高能量蓄存的有效性。
本专利控制模式和理念，可适用路面太阳能集热和地下蓄能换热分别由多个单元组成的系统。
附图说明
图1为“道路集热地下蓄能控制方法”的示意图。
图2为“道路集热地下蓄能控制方法”路面集热的示意图。
图中各部件的编号和对应名称如下：
图1中：(1)-路面埋管、(2)-上游水箱、(3)-循环泵、(4)-调节阀、(5)-地下换热器组、(6)-下游水箱、(7)-回水泵、(8)-调节阀、(9)-调节阀、(10)-太阳能热源、(11)-集热路面
图2中：路面集热埋管管道呈蛇形布置，单独回路中管道总长度不应超过250米。
具体实施方式
夏季集热蓄能的过程为太阳能热源(10)加热集热路面(11)，通过温度测量设备分别测量出路面平均温度和地下换热系统循环流体平均温度，比较两温度的差值，则当温差大于设定范围时，蓄能系统开启，通过路面内部导热把收集的热量传递给路面埋管(1)内的流体，此时流体被加热成热流体，热流体经上游水箱(2)由循环泵(3)泵送至地下换热器组(5)；然后，通过换热器与土壤之间换热，把热量传递给土壤进行储存。换热器与土壤进行换热后的流体温度下降，变成冷流体后通过下游水箱(6)由回水泵(7)送回至地面，再次参与路面集热换热。并根据温差的大小通过调节阀(4)、(8)、(9)调节流量，以使系统效率达到最佳。当该温差低于设定范围时，通过关闭调节阀(9)将蓄能系统关闭。
例如，选取启用后上游控制温差参数ΔTup范围为a～b时(其中，a<b)，则当夏季路面平均温度与集热系统循环流体入口温度差值高于b时，集热系统全负荷运行；当夏季路面平均温度与集热系统循环流体入口温度差值处于a～b范围内时，可梯级变流量调节控制运行；当夏季路面平均温度与集热系统循环流体入口温度差值低于a时，集热系统关闭。
同时，选取启动后地下控制温差参数ΔTunder范围c～d时(其中，c<d)，则当地下换热器系统循环流体的进口与出口温度差值大于d时，地下蓄能系统全负荷运行；当地下换热器系统循环流体的进口与出口温度差值处于c～d范围内时，可梯级变流量调节控制；当地下换热器系统循环流体的进口与出口温度差值小于c时，地下蓄能系统关闭。上述a、b值决定于路面集热系统构成，及其换热能力；c、d值决定与地下换热器系统构成、地质状况及其换热能力。

Claims (8)

1、道路路面集热地下蓄能控制方法，其特征在于通过太阳能热源(10)加热集热路面(11)，通过路面内部热量传递把收集的热量传递给路面埋管(1)内的流体，此时流体被加热成热流体，热流体经上游水箱(2)由循环泵(3)泵送至地下换热器组(5)；然后，通过换热器与岩土或土壤之间换热，把热量传递给岩土或土壤进行储存；在换热器内与岩土或土壤进行换热后的流体温度下降，变成冷流体后通过下游水箱(6)由回水泵(7)送回至地面再次参与路面集热换热。
2、根据权利要求1，所述的道路路面集热地下蓄能控制方法，其特征在于集热路面(11)内的路面集热埋管管道呈蛇形布置，单独回路中管道总长度不超过250米，根据实际路面的长度进行多组并联集热。
3、根据上述权利要求1，所述地下换热器组(5)的组成，其特征在于各换热器组的地下换热器数量差异应小于75％，便于各组的流量平衡控制，各组地下换热器间采取并联连接，避免地下换热器失效导致负面影响。
4、根据权利要求1，所述的道路路面集热地下蓄能控制方法，其特征在于循环水在经过地下换热前，应先对路面平均温度以及地下换热系统循环流体出口温度进行测量，当夏季路面平均温度与地下换热系统循环流体出口温度差值超过设定值时，蓄热系统开启。
5、根据权利要求1，所述的道路路面集热地下蓄能控制方法，其特征在于当路面平均温度与地下换热系统循环流体出口温度差值小于设定值时，调节阀(4)、(8)关闭，地下蓄能系统关闭；经太阳能热源(10)加热集热路面(11)后，通过热量传递把收集的热量传递给路面埋管(1)和上游水箱(2)内的流体，流体仅在地面系统内循环。
6、根据权利要求1，所述的道路路面集热地下蓄能控制方法，其特征在于可以控制调节阀(4)、(8)的开度来控制循环流量，以实现能量的高效利用。
7、根据权利要求2、4、5，所述多组并联集热路面(11)平均温度的测量采用多点布置方式，由道路中心向外前后10米、左右5米一间隔布置测温装置。
8、根据权利要求3、4、5，所述地下换热系统循环流体出口温度的测量采用多组换热器出口温度的平均值进行计算。
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