CN101736715A - 道路集热与融雪化冰释热的能量梯级系统 - Google Patents

Abstract

本发明提出管网布置、流程和温位控制的能量梯级系统和分布式控制方法，将能量梯级双流程管网布置模式和全天候实时调节模式应用于道路及其类似的建筑结构体的太阳能集热吸热和融雪化冰释热的热流体循环系统。该系统和流程控制方法在路面太阳能集热和冬季融雪化冰两个过程的联动系统中，强化路面内部换热，既保证夏季太阳能的有效收集，实现循环流体更高出口温度；又达到冬季交通路面中间路段积雪和结冰速化，改善交通路面状况，实现双循环流体在夏季集热和冬季释热过程中能量最大利用率。

Description

道路集热与融雪化冰释热的能量梯级系统

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融雪化冰系统设计，以及建筑环境的建筑设施的太阳能集热或融雪化冰系统设计应用。

背景技术

太阳能集热和地下蓄能的热流体循环加热路面融雪化冰技术作为一种新型融雪化冰方法，它不但实现夏季太阳能集热地下蓄能和冬季融雪化冰功能，还具有太阳能跨季节性利用优势，实现可再生能源的延续性利用。同时，夏季路面集热可以有效地降低路面温度，减轻热蚀破坏，又可提高冬季路面温度，防冻和减轻龟裂，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。

在太阳能集热和地下蓄能的热流体循环加热路面融雪化冰过程中，道路埋设的热流体循环系统对集热吸热和融雪释热效果起到举足轻重的作用，不但提高集热吸热过程的热效率和实现能量温位的分步利用，还要通过热流体循环系统组织，提高融雪化冰释热效率，更重要是结合道路交通路面特征，实施路面融雪分配。为此，本专利提出利用热流体循环系统的能量梯级系统和分布式控制方法，实现路面集热吸热和融雪化冰释热过程的热负荷和温度动态重整，达到两种传热过程热吸收和热释放的控制，形成能量的分布和梯级利用，最大限度提高集热吸热和融雪化冰释热功效。

道路集热吸热与融雪化冰释热已有发明，如中国专利“利用地热的融雪装置(003120732.4)”、“利用地热的融雪装置的控制方法(03124303.7)”、“一种导热型沥青路面太阳能集热系统及其应用(200610019477.X)”、“利用地下自然能源的路桥面冷却及融冰雪装置(200610151004.5)”和“混凝土太阳能集热及融雪化冰用试验装置(200910062073.2)”均分别提及了道路融雪或太阳能集热过程，但是这些专利没有涉及道路埋管热流体循环系统的能量梯级系统和分布式控制模式，以便提高集热吸热和融雪化冰释热有效性问题。此外，欧洲和美国专利“Snowmelting method utilizing heat retaining functionof underground aquifer without sprinkling water(EP0322489B1，US5062736)提出了地下含水层能量的道路或建筑的融雪方法；美国专利“Paving and solar energy system and method(US4132074)”、“Cement panel heat exchangers(US4257481)”、“Flexible hose heat exchanger construction(US4779673)”很早也提出了利用包括混凝土、陶瓷、树脂粘合颗粒物、沥青等材料制备的固体形态路面、房屋顶面和墙面等内置管道实现太阳能利用的方法；美国专利“Snow melt control system(US5643482)”公开了一个基于温度传感的道路融雪控制器，其中利用包括热循环流体进/出口温度、热源温度和环境温度实施启停控制。实际上，道路等固体建筑结构体太阳能集热和融雪化冰技术已经在能源领域开始得到应用，国际上也开展了许多实验应用。但是，迫于大量的能量耗用和能效控制问题，一直制约太阳能集热和地下蓄能的加热路面融雪化冰技术的快速发展。

因此，太阳能集热吸热和融雪化冰释热的热流体循环高效系统和控制方法问题就成为该技术深层次发展的关键。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。

发明内容

本发明提出管网布置、流程和温位控制的能量梯级系统和分布式控制方法，将能量梯级双流程管网布置模式和全天候实时调节模式应用于类似道路的建筑结构体太阳能集热吸热和融雪化冰释热的热流体循环系统中。本专利以道路为例实施技术说明，其核心创新思想与技术还可应用于其它诸如房顶、墙壁、院台等建筑结构体太阳能集热吸热或融雪化冰释热系统设计与控制中，具有同等作用。通过以道路中心为对称的对置盘管管网布置形式，以及夏季、冬季交替变向循环热流体流向调节，减小路面边缘热损失，降低路表面温度梯度，改善路面交通状况(冬季融雪)；同时，通过全天候实时调节模式，根据气候条件和路面状况变化情况，控制循环流体流动工况，加强夏季路面集热能力和冬季路面融雪化冰能力，提高集热蓄能融雪化冰系统综合用能效率。

为了提高夏季集热冬季融雪化冰用能效率和改善道路交通状况，本发明提供一种以道路中心为对称的对置盘管管网布置形式的集热蓄能融雪化冰系统，以及基于该系统的温位梯级分布式控制方法，一方面保证夏季实现更有效的道桥路面太阳能集热，有力保证地下蓄能的温位梯级利用，减少路面吸热过程热损失；另一方面利用冬季融雪化冰释热过程路面温度分布控制，提高道路高频使用区域(道路中间部分)的融雪率，使其成为最先期融雪区域，并同时减小路面边缘热量损失，实现夏集热冬融雪全程最佳效能运行。

通过对称双流程管网变节距盘管布置，实现流程、温位和能量负荷控制的能量梯级系统和分布式控制方法，在路面太阳能集热和冬季融雪化冰两个过程的联动系统中，强化路面内部换热，即保证夏季太阳能的有效收集，实现循环流体更高出口温度；又达到冬季交通路面中间路段积雪和结冰速化，改善交通路面状况，实现双循环流体在夏季集热和冬季释热过程中能量最大利用率。

在夏季道路集热吸热和地下蓄能阶段，开启调节阀10和截止阀2，关闭调节阀4和截止阀8，循环冷流体经冷水箱7，由循环泵9泵入热流体循环系统管网1，分别由道路两侧边缘向中央循环流动，此时太阳能辐射(太阳能热源)12加热道桥路面13后，循环冷流体温度逐步上升。对称双流程管网变节距盘管布置和流程取向，充分利用道路中心高温度梯级能量特点，保证高的循环流体出口温度；小节距密排有利于道路中央高热负荷热量吸收和保证道路温度均衡；同时以道路边缘作为循环流体入口段，有利于相对降低道路边缘温度，减少道路边缘热损失；此外利用循环系统流量控制，实现循环流体出口温度温位控制，保证地下蓄能区域实现高效能量存储的地下温度场梯级分布。此后，热循环热流体流经热水箱5，根据地下蓄能温位要求，热水箱5可由高、中、低温水箱构成，输送至地下换热器组6，在地下换热器内，热流体与土壤之间进行换热，土壤吸热进行能量蓄存，热流体温度下降变成冷流体，经冷水箱7输送回热流体循环系统管网1中，重复上述过程，完成夏季集热蓄能循环过程。

在冬季道路融雪化冰释热阶段，开启调节阀4和截止阀8，关闭调节阀10和截止阀2，地下换热器组6或经热泵11加热的循环流体，进入水箱5，由循环泵3泵入热流体循环系统管网1，分别由道路中央向两侧边缘循环流动，此时由于融雪化冰释热，循环热流体温度逐步下降。对称双流程管网变节距盘管布置和流程取向，道路中央热流体先行加热路面，同时利用小节距密集排列盘管，保证道路繁忙中央区域先行积雪融化，其较高的温度配置有利于避免积雪实现交通便利；道路负荷分配的中央高两侧低温度场形态，有利于降低道路边缘温度，减少道路边缘热损失；此外利用循环系统流量控制，实现循环流体释热负荷和流体回流温度控制，保证融雪速率和进程。此后，循环冷流体流经冷水箱7输送至地下换热器组6，在地下换热器内，冷流体与土壤之间进行换热，流体吸热，或经热泵11再加热，经水箱5输送到热流体循环系统管网1中，重复上述过程，完成冬季道路融雪化冰循环过程。

本专利提出的能对称双流程管网变节距盘管布置，以及流程、温位和能量负荷控制的能量梯级系统和分布式控制方法，充分提高夏季集热量和集热温度，有利于道路温度均衡，提高能源利用效率；冬季有利于道路繁忙中央区域先行积雪融化，便利交通；此外，不论夏季、还是冬季的热流体循环过程，保证道路两边缘路体温度处于较低水平，减小边缘热损失。

本专利提出全天候实时调节工况模式，即根据太阳辐射强度、空气流速和温度、降雪量、路面积雪量、路面结冰量等气候条件和路面状况作为判断依据，调节夏季、冬季各流程循环流体流量，以合理的集热吸热和融雪化冰释热为基础，提高夏季集热效率和冬季融雪化冰效率。

附图说明

图1为道路集热与融雪化冰释热的能量梯级系统道路热循环流程系统图(示例图)。

图2为道路集热与融雪化冰释热的能量梯级系统的道路管网布置图(示例图)。

图中各部件的编号和对应名称如下：

图1中：1-热流体循环系统管网、2-截止阀、3-循环泵、4-调节阀、5-水箱、6-地下换热器组、7-水箱、8-截止阀、9-循环泵、10-调节阀、11-热泵。图1中虚线框内为地下换热器组6，本专利不涉及地下蓄能换热系统具体结构和流程，故简述表征。图1中，虚线联接的热泵11系统为地源热泵系统，本专利不涉及地源热泵系统具体结构和内在流程，故简述表征。

图2中：12-太阳能热源、13-道路路面或固体结构体表面。

具体实施方式

道路或固体结构体的太阳能集热吸热和融雪化冰释热的热流体循环系统管网1，采用以道路中心线为对称的两个相同变节距盘管布置，形成对称双流程。其中由中心向两侧节距逐步变大或内密外疏的多级不同节距分布，节距变差通常可在1.5倍以内，或根据道路和气候条件确定。

在夏季道路集热吸热和地下蓄能阶段，开启调节阀10和截止阀2，关闭调节阀4和截止阀8，循环冷流体经冷水箱7，由循环泵9泵入热流体循环系统管网1，分别由道路两侧边缘向中央循环流动，此时太阳能辐射(太阳能热源)12加热道桥路面13后，循环冷流体温度逐步上升。此后，循环热流体流经热水箱5，输送至地下换热器组6，在地下换热器内，热流体与土壤之间进行换热，土壤吸热进行能量蓄存，热流体温度下降变成冷流体，经冷水箱7输送回热流体循环系统管网1中，重复上述过程，完成夏季集热蓄能循环过程。

在冬季道路融雪化冰释热阶段，开启调节阀4和截止阀8，关闭调节阀10和截止阀2，地下换热器组6或经热泵11加热的循环流体，进入水箱5，由循环泵3泵入热流体循环系统管网1，此后，循环冷流体流经冷水箱7输送至地下换热器组6，在地下换热器内，冷流体与土壤之间进行换热，流体吸热，或再经热泵加热，经水箱5输送到热流体循环系统管网1中，重复上述过程，完成冬季道路融雪化循环过程。

Claims (6)

1.道路集热与融雪化冰释热的能量梯级系统，其特征在于道路或固体结构体的太阳能集热吸热和融雪化冰释热的热流体循环系统管网1，采用以道路中心线为对称的两个相同变节距盘管布置，形成对称双流程，其中由中心向两侧节距逐步变大或内密外疏的多级不同节距，节距变差通常可在1.5倍以内，或根据道路和气候条件确定。

2.道路集热与融雪化冰释热的能量梯级系统，其特征在于在夏季道路集热吸热和地下蓄能阶段，开启调节阀10和截止阀2，关闭调节阀4和截止阀8，循环冷流体经冷水箱7，由循环泵9泵入热流体循环系统管网1，分别由道路两侧边缘向中央循环流动，此时太阳能辐射(太阳能热源)12加热道桥路面13后，循环冷流体温度逐步上升成为热流体，热循环热流体流经热水箱5，输送至地下换热器组6进行能量地下蓄存，后经水箱7输送回热流体循环系统管网1中，如此完成夏季集热蓄能循环过程；在冬季道路融雪化冰释热阶段，开启调节阀4和截止阀8，关闭调节阀10和截止阀2，地下换热器组6或经热泵11加热的循环流体，进入热水箱5，由循环泵3泵入热流体循环系统管网1，此后，循环热流体流经冷水箱7输送至地下换热器组6吸热，或再经热泵再加热，经热水箱5输送到热流体循环系统管网1中，如此完成冬季道路融雪化循环过程。

3.道路集热与融雪化冰释热的能量梯级系统，其特征在于热流体循环系统采用循环流量可变负荷控制和全天候实时调节工况模式。

4.根据权利要求1，所述的太阳能集热吸热和融雪化冰释热的热流体循环系统管网1以道路中央为对称的对置相同盘管布置，采用非均匀排列的内密外疏变节距形式，流程为反向对称双流程。

5.根据权利要求2，所述的夏季道路集热吸热和地下蓄能阶段热流体循环系统采用循环流量可变负荷控制和全天候实时调节工况模式，其控制特征在于可根据太阳辐射强度等气候条件，适度控制调节阀10和循环泵9。

6.根据权利要求2、3，所述的冬季道路融雪化冰释热阶段和热流体循环系统采用循环流量可变负荷控制和全天候实时调节工况模式，其控制特征在于可适度控制调节阀4和循环泵3。

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