CN106143048B - 一种相变储能的电动公交车辐射空调系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种相变储能的电动公交车辐射空调系统，包括相变储能罐、循环泵、分水器、温控阀、毛细管网换热器与集水器；其中，相变储能罐的左侧连接循环泵，相变储能罐的右侧连接集水器；冬季供暖时期，相变储能罐填充的是相变胶囊功能热流体，相变胶囊功能热流体的填充和回收在公交车枢纽站进行，相变胶囊功能热流体的蓄热量来自于城市集中供热管网；夏季制冷时期，相变储能罐填充的是动态冰浆，动态冰浆的填充和回收在公交车枢纽站进行，动态冰浆通过夜间运行制冷系统获得；所述的分水器入口处与循环泵连接，分水器的各支路出口连接温控阀的入口，温控阀的出口连接毛细管网换热器的入口，毛细管网换热器的出口连接集水器的入口。

Description

一种相变储能的电动公交车辐射空调系统

技术领域：

本发明属于空调领域，涉及电动公交车空调系统，尤其涉及一种相变储能的电动公交车辐射空调系统。

背景技术：

随着社会经济的快速发展、城市进程的加快和人们生活质量的提高，城市的公共交通系统也越来越发达，人们对乘坐公共交通工具舒适度的要求也越来越高。公交车在大多数没有地铁的城市成为了主要的公共交通工具，即使在有地铁的城市，由于地铁网络的限制，仍然存在着大量的公交线路。传统的公交车动力来源于燃烧化石燃料的原动机，比如汽油发动机、柴油发动机。面对日益严峻的资源环境压力，国家大力倡导节能减排与推广应用清洁能源政策，LNG(液化天然气)公交车逐渐替代了传统了燃油公交车。新世纪以来，随着电动汽车技术的日益成熟，电动公交车也逐渐成为公共交通系统中重要的组成部分。

相比于化石燃料驱动的公交车，电动公交车全部使用电能驱动汽车行驶，车体空间宽敞，运行噪音小，行驶过程中车身更加平稳，能够实现零排放，由于公交车运行线路短，在特定的两个枢纽站间进行循环往返，因此只需要在枢纽站设置公交车充电桩即可，从而决定了电动公交车在城市公共交通系统中具有绝对的优势。但是，电动公交车的发展也如同电动汽车的发展一样，面临着各种技术瓶颈，从而造成了市场推广存在一定障碍，特别是在寒冷地区的应用还很少。

目前，普遍公认电池是制约电动公交车发展的最大瓶颈，特别是在冬季供暖与夏季供冷地区。第一，冬季低温时期，电动公交车电池的电化学反应不够活跃，电池阻抗变大，充放电就会变得很困难，充放电功率下降，同时由于电动公交车需要运行热泵采暖系统，进一步的增加了耗电量，还会造成电动公交车的输出动力下降。第二，夏季高温时期，电动公交车需要运行制冷系统，也会大幅度的增加耗电量，缩短续航里程，降低汽车的动力输出。因此，一种能够替代传统蒸气压缩式汽车空调系统的新型供冷供热空调系统，将会大大节约公共交通系统的能源消耗，延长电动公交车的续航里程，增强电动公交车的输出动力，强化电动公交车的推广应用。

动态冰浆蓄冷技术，是冰蓄冷技术中一种极具发展前景的形式。其利用制冷系统产生流态冰来蓄冷，而不需要将蓄冷工质完全冻结，从而具有可流动的特性，由于制冷温度的提升，也极大的提高了制冷效率。此外，传统静态制冷过程中，水通过自然对流换热，冰层首先在换热壁面上形成，逐渐变厚，恶化传热，导致后续结冰困难。动态冰浆蓄冷形成的是冰粒与液体的混合物，制冷过程中的换热温差、流量等参数保持稳定，蓄冷效果好。

相变胶囊功能热流体(Latent functionally thermal fluid，LFTF)，是一种特殊的固-液两相流体，其中固体分散相是胶囊化的相变材料(相变材料胶囊，利用成膜材料将相变材料包覆成微小粒子)，液体连续相是热传输流体。由于相变胶囊在相变过程中释放或吸收潜热，以及在胶囊周围存在的微对流强化，与普通单相传热流体相比，LFTF有很大的表观比热，可明显增大传热流体与流道壁面间的传热能力，是一种集储热与强化传热功能于一身的新颖材料。

动态冰浆与相变胶囊功能热流体，分别是一种优良的蓄冷蓄热材料，均属于相变储能材料。但目前还没有将其应用在汽车领域，特别是电动公交车空调领域。公交车不同于其他类型汽车，属于固定线路的交通工具，在两个交通枢纽之间进行往返行驶，枢纽站可作为相变储能材料的补给站，从而可以有效的降低相变储能材料的填充量，进行快速填充和排出，这也为相变储能技术在汽车空调中的应用提供了可能。因此，本发明提出了一种相变储能的电动公交车辐射空调系统，不仅能够在冬季低温环境下通过相变储能的方式提供制热功能，还能够在夏季高温环境下通过相变储能的方式提供制冷功能，全面的考虑了电动公交车在典型季节的供冷供热问题，该空调系统仅消耗用于输送载冷载热介质的电能，该部分电能相比于传统压缩式制冷系统的耗能十分微小，而用于温度调节部分的能量全部由相变储能提供。

公开号CN 101196316A的中国发明专利公开了一种电动汽车空调系统，该空调系统中采用了燃油加热器，燃油加热器与室内侧散热器相连，用于加热室内散热器中的换热介质以满足车室内的制热需求。虽然该发明有效解决了现有技术中电动车空调系统的运行会降低其驱动性能的问题，但是通过了不经济、不节能环保的燃烧化石燃料方法，只能解决冬季电动汽车的采暖问题，在夏季高温时期，仍然需要消耗大量的电池能耗来制冷。

发明内容：

本发明的目的在于提供一种相变储能的电动公交车辐射空调系统，将相变胶囊功能热流体蓄热技术、动态冰浆蓄冷技术与电动公交车运行线路短的特点相结合，降低电池耗电量，提升公交车的输出动力；将毛细管网换热器与电动公交车车体和座位相结合，提升空调系统的供冷供热效率，提高乘客的舒适度，从而形成集蓄电、蓄冷、蓄热为一体的新型储能式城市公交车，节能减排，绿色环保。

为达到上述目的，本发明采用如下的技术方案来实现：

一种相变储能的电动公交车辐射空调系统，包括相变储能罐、循环泵、分水器、温控阀、毛细管网换热器与集水器；其中，

相变储能罐的左侧连接循环泵，相变储能罐的右侧连接集水器；冬季供暖时期，相变储能罐填充的是相变胶囊功能热流体，相变胶囊功能热流体的填充和回收在公交车枢纽站进行，相变胶囊功能热流体的蓄热量来自于城市集中供热管网；夏季制冷时期，相变储能罐填充的是动态冰浆，动态冰浆的填充和回收在公交车枢纽站进行，动态冰浆通过夜间运行制冷系统获得；

所述的分水器入口处与循环泵连接，分水器的各支路出口连接温控阀的入口，温控阀的出口连接毛细管网换热器的入口，毛细管网换热器的出口连接集水器的入口。

本发明进一步的改进在于：相变储能罐包括罐体，设置在罐体内的螺旋换热管，以及设置在罐体侧壁上的注液口和排液口，螺旋换热管的入口和出口伸出至罐体外，且螺旋换热管的出口连接循环泵，入口连接集水器。

本发明进一步的改进在于：螺旋换热管的外侧均匀布满了用于强化换热的针翅。

本发明进一步的改进在于：毛细管网换热器包括左侧毛细管网、左侧座位毛细管网、地板毛细管网、右侧座位毛细管网和右侧毛细管网，其中，温控阀的出口分别连接左侧毛细管网的入口、左侧座位毛细管网的入口、地板毛细管网的入口、右侧座位毛细管网的入口和右侧毛细管网的入口，左侧毛细管网的出口、左侧座位毛细管网的出口、地板毛细管网的出口、右侧座位毛细管网的出口和右侧毛细管网的出口连接集水器的入口。

本发明进一步的改进在于：温控阀包括第一温控阀、第二温控阀、第三温控阀、第四温控阀和第五温控阀，其中，分水器的各支路出口分别连接第一温控阀的入口、第二温控阀的入口、第三温控阀的入口、第四温控阀的入口和第五温控阀的入口，第一温控阀的出口、第二温控阀的出口、第三温控阀的出口、第四温控阀的出口和第五温控阀的出口分别连接左侧毛细管网的入口、左侧座位毛细管网的入口、地板毛细管网的入口、右侧座位毛细管网的入口和右侧毛细管网的入口。

本发明进一步的改进在于：左侧毛细管网布置在电动公交车的车体左侧壁面夹层内；左侧座位毛细管网布置在电动公交车的车体左侧座位夹层内；地板毛细管网布置在电动公交车的车体地板夹层内；右侧座位毛细管网布置在电动公交车的车体右侧座位夹层内；右侧毛细管网布置在电动公交车的车体右侧壁面夹层内。

本发明进一步的改进在于：所述的左侧毛细管网、地板毛细管网、右侧毛细管网靠车体外的一侧包覆绝热材料，左侧座位毛细管网、右侧座位毛细管网靠座位背面一侧包覆绝热材料。

本发明进一步的改进在于：所述的毛细管网换热器、集水器、分水器内的换热介质均为乙二醇水溶液。

本发明进一步的改进在于：所述的相变储能罐、集水器、分水器以及连接各部件间的管路外均包裹着绝热保温材料。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

(1)采用相变储能技术，即相变胶囊功能热流体蓄热技术与动态冰浆蓄冷技术，替代了传统蒸气压缩式汽车空调供冷供热技术。结合公交车运行线路短的特点，在公交车枢纽站设置储能室。冬季供暖时期，利用城市集中供热管网给相变胶囊功能热流体进行热量补给，热源温度高且热量充足。夏季制冷时期，利用制冷系统进行夜间蓄冰，白天使用，实现电力系统的“移峰填谷”综合利用，还可以享受“峰谷电价”的优惠政策。该相变储能空调系统只有循环泵消耗公交车的电量，因此可以大幅度提升公交车的动力输出，降低电动公交车电量消耗。此外，电动公交车在超载、爬坡等运行状态下，仍然能够保持强劲的动力表现，驻车时，不需要发动机运行，仅依靠电机运行低功率的循环泵即可进行供冷供热。此外，新的公交车空调系统结构简单，与公交车自身设备联系少，降低了公交车的结构复杂程度，便于改装和制造。

(2)采用相变胶囊功能热流体作为储热工质，具有蓄热量大、可流动性好的特点。采用动态冰浆作为储冷工质，具有蓄冷量大，可流动性好，蓄冷过程中不会因壁面结冰变厚而恶化传热等优点。公交车在枢纽站填充和排出储能工质时，可以采用压力泵进行快速填充和排出，流程简单，耗费时间短。公交车往返线路短，可在每次往返到达枢纽站时进行蓄冷工质的填充和排出，因而可以保证相变储能罐的体积不会过大而造成大负荷。

(3)相变储能罐内部的螺旋换热管表面布置有针翅，形成外针翅管结构，换热介质与储能材料的换热面积进一步增大，又可以强化罐体内储能材料的自然对流，极大的强化了传热效果。分水器的各支路上设置温控阀，可以对各支路毛细管网的流量分别进行调节，从而可以达到对各支路毛细管网的温度调节作用，车体侧壁、地板与座位的毛细管网呈现不同的温度，使其更符合乘客需要。

(4)采用辐射空调末端，即毛细管网换热器，车体侧壁的毛细管网与人体主要通过热辐射的方式进行能量传递，车体座位的毛细管网与人体主要通过热传导的方式进行能量传递，相比于传统汽车空调的送回风系统而言，人体通过座位和地板直接与毛细管网换热或者接受毛细管网的热辐射，人体不会产生强烈的冷热吹风感，从而具有更高的热舒适性，增强了热量利用效率。此外，毛细管网还具有换热面积大，换热效率高，使用寿命长等优点。

附图说明：

图1为相变储能的电动公交车辐射空调系统的原理示意图；

图2为相变储能罐的结构示意图；其中，图2(a)为图2(b)的A-A向视图，图2(c)为图2(b)中螺旋换热管的结构示意图；

图3为含有相变储能的电动公交车辐射空调系统的电动公交车冬季运行示意图；

图4为含有相变储能的电动公交车辐射空调系统的电动公交车夏季运行示意图。

其中，1为相变储能罐，2为循环泵，3为分水器，4为第一温控阀，5为第二温控阀，6为第三温控阀，7为第四温控阀，8为第五温控阀，9为左侧毛细管网，10为左侧座位毛细管网，11为地板毛细管网，12为右侧座位毛细管网，13为右侧毛细管网，14为集水器，101为罐体，102为螺旋换热管，103为注液口，104为排液口。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明做进一步详细说明。

本发明总的构思是：采用相变储能技术替代传统蒸气压缩式汽车空调，节能环保，降低电动公交车的电池耗电量，并提升电动公交车的输出动力；采用毛细管网辐射空调末端替代传统空调的风系统，增强热量利用效率，提升乘客的热舒适性；采用螺旋针翅管替代传统换热光管，强化工质对流换热，提高换热效率。

为了详细说明本发明的技术内容以及构造和目的，下面结合附图介绍一种具体的实施例。

由图1到图2可知，本发明提供的一种相变储能的电动公交车辐射空调系统具体结构为：本发明由相变储能罐1、循环泵2、分水器3、温控阀、毛细管网换热器与集水器14组成。其中，相变储能罐1包括罐体101、螺旋换热管102、注液口103、排液口104，其具体结构为：罐体101的顶部设有注液口103，罐体101的底部设有排液口104，罐体101的内部设有螺旋换热管102，罐体101的两侧设有螺旋换热管102的进口和出口，其中，螺旋换热管102外均匀的布满了用于强化换热的针翅。相变储能罐1的左侧连接着循环泵2，相变储能罐1的右侧连接着集水器14。冬季供暖时期，相变储能罐1填充的是相变胶囊功能热流体，相变胶囊功能热流体的填充和回收可在公交车枢纽站进行，相变胶囊功能热流体的蓄热量可来自于城市集中供热管网；夏季制冷时期，相变储能罐1填充的是动态冰浆，动态冰浆的填充和回收可在公交车枢纽站进行，动态冰浆可通过夜间运行制冷系统获得。分水器3入口处与循环泵2连接，分水器3的各支路出口分别连接着第一温控阀4、第二温控阀5、第三温控阀6、第四温控阀7与第五温控阀8。第一温控阀4连接着左侧毛细管网9的入口，左侧毛细管网9布置在电动公交车的车体左侧壁面夹层内。第二温控阀5连接着左侧座位毛细管网10的入口，左侧座位毛细管网10布置在电动公交车的车体左侧座位夹层内。第三温控阀6连接着地板毛细管网11的入口，地板毛细管网11布置在电动公交车的车体地板夹层内。第四温控阀7连接着右侧座位毛细管网12的入口，右侧座位毛细管网12布置在电动公交车的车体右侧座位夹层内。第五温控阀8连接着右侧毛细管网13的入口，右侧毛细管网13布置在电动公交车的车体右侧壁面夹层内。集水器14的各支路入口处分别连接着左侧毛细管网9、左侧座位毛细管网10、地板毛细管网11、右侧座位毛细管网12与右侧毛细管网13的出口，集水器14的出口处连接着相变储能罐1。其中，毛细管网换热器、集水器14、分水器3内的换热介质为乙二醇水溶液，相变储能罐1、集水器14、分水器3以及连接各部件间的管路外均包裹着绝热保温材料，左侧毛细管网9、地板毛细管网11、右侧毛细管网13靠车体外的一侧包覆绝热材料，左侧座位毛细管网10、右侧座位毛细管网12靠座位背面的一侧包覆绝热材料。

由图1、图2和图3可知，本发明提供的一种相变储能的电动公交车辐射空调系统夏季工作流程为：制冷系统在夜间运行，生产并储存动态冰浆。在白天的时候，含有相变储能的电动公交车辐射空调系统的电动公交车，在公交车枢纽站的储冷室进行蓄冷工质(动态冰浆)的填充，动态冰浆在储冷室压力泵的作用下从注液口103注入相变储能罐1的罐体101中，待动态冰浆注满以后，关闭注液口103。电动公交车开始沿着固定线路运行，公交车的电机给循环泵2提供动力，循环泵2开始工作。螺旋换热管102内的乙二醇水溶液与动态冰浆换热降温后流入分水器3中，再通过分水器3各支路出口上的温控阀流入相应的毛细管网中，温控阀的温度统一设定，设定值高于车内空气露点温度2度，当车体内温度变化时，温控阀通过不同的阀门开度来控制流量，进而控制毛细管网的温度。左侧毛细管网9、地板毛细管网11与右侧毛细管网13主要通过热辐射的形式释放冷量，左侧座位毛细管网10与右侧座位毛细管网12主要通过热传导的形式冷却乘客身体。各毛细管网中的乙二醇水溶液在车体内换热升温以后沿着集水器14的各支路入口，回流到集水器14中。集水器14中的乙二醇水溶液再回流到相变储能罐1中与动态冰浆换热，从而形成了电动公交车空调系统的供冷循环。待电动公交车完成一个固定线路的往返，回到公交车枢纽站，此时的蓄冷工质由于温度升高已经完全融化，与乙二醇水溶液的换热温差减小，从而换热效率低，蓄冷工质在储冷室压力泵的抽吸作用下由排液口104排出，回到储冷室等待制冷系统的再次冷却。由于公交车固定线路的往返时间短，对供冷量的需求不是很大，填充蓄冷工质并不会造成公交车的负荷大幅度增加。此外，动态冰浆可以选择盐溶液、乙二醇水溶液等具有低凝固点的混合液体，降低动态冰浆的温度，从而提升蓄冷量，降低蓄冷工质的填充量。

由图1、图2和图3可知，本发明提供的一种相变储能的电动公交车辐射空调系统冬季工作流程为：城市集中供热管网给储热室提供大量的热能，储热室内的相变胶囊功能热流体吸收热量并通过相变储存起来。含有相变储能的电动公交车辐射空调系统的电动公交车，在公交车枢纽站的储热室进行蓄热工质(相变胶囊功能热流体)的填充，相变胶囊功能热流体在储热室压力泵的作用下从注液口103注入相变储能罐1的罐体101中，待相变胶囊功能热流体注满以后，关闭注液口103。电动公交车开始沿着固定线路运行，公交车的电机给循环泵2提供动力，循环泵2开始工作。螺旋换热管102中的乙二醇水溶液与相变胶囊功能热流体换热升温后流入分水器3中，再通过分水器3各支路出口上的温控阀流入相应的毛细管网中，左侧毛细管网9、地板毛细管网11与右侧毛细管网13连接的温控阀温度设定为35度，左侧座位毛细管网10与右侧座位毛细管网12连接的温控阀温度设定为20度，左侧毛细管网9、地板毛细管网11与右侧毛细管网13主要通过热辐射的形式释放热量，左侧座位毛细管网10与右侧座位毛细管网12主要通过热传导的形式加热乘客身体。热空气自下而上，乘客坐在座位上直接接触散热末端，会感觉到十分舒适。各毛细管网中的乙二醇水溶液在车体内换热降温以后沿着集水器14的各支路入口，回流到集水器14中。集水器14中的乙二醇水溶液再回流到相变储能罐中与相变胶囊功能热流体换热，从而形成了电动公交车空调系统的供热循环。待电动公交车完成一个固定线路的往返，回到公交车枢纽站，此时的蓄热工质由于温度降低，与乙二醇水溶液的换热温差减小，从而换热效率低，蓄热工质在储热室压力泵的抽吸作用下由排液口104排出，回到储热室等待城市集中供热管网的再次加热。由于公交车固定线路的往返时间短，对供热量的需求不是很大，填充蓄热工质并不会造成公交车的负荷大幅度增加。相变胶囊功能热流体中的相变胶囊可以采用相变温度点较高的相变材料制作，提升蓄热量，降低蓄热工质的填充量。

Claims (7)

1.一种相变储能的电动公交车辐射空调系统，其特征在于：包括相变储能罐(1)、循环泵(2)、分水器(3)、温控阀、毛细管网换热器与集水器(14)；其中，

相变储能罐(1)的左侧连接循环泵(2)，相变储能罐(1)的右侧连接集水器(14)；冬季供暖时期，相变储能罐(1)填充的是相变胶囊功能热流体，相变胶囊功能热流体的填充和回收在公交车枢纽站进行，相变胶囊功能热流体的蓄热量来自于城市集中供热管网；夏季制冷时期，相变储能罐(1)填充的是动态冰浆，动态冰浆的填充和回收在公交车枢纽站进行，动态冰浆通过夜间运行制冷系统获得；

所述的分水器(3)入口处与循环泵(2)连接，分水器(3)的各支路出口连接温控阀的入口，温控阀的出口连接毛细管网换热器的入口，毛细管网换热器的出口连接集水器(14)的入口；

所述的相变储能罐(1)包括罐体(101)，设置在罐体(101)内的螺旋换热管(102)，以及设置在罐体(101)侧壁上的注液口(103)和排液口(104)，螺旋换热管(102)的入口和出口伸出至罐体(101)外，且螺旋换热管(102)的出口连接循环泵(2)，入口连接集水器(14)；

所述的螺旋换热管(102)的外侧均匀布满了用于强化换热的针翅。

2.根据权利要求1所述的一种相变储能的电动公交车辐射空调系统，其特征在于：毛细管网换热器包括左侧毛细管网(9)、左侧座位毛细管网(10)、地板毛细管网(11)、右侧座位毛细管网(12)和右侧毛细管网(13)，其中，温控阀的出口分别连接左侧毛细管网(9)的入口、左侧座位毛细管网(10)的入口、地板毛细管网(11)的入口、右侧座位毛细管网(12)的入口和右侧毛细管网(13)的入口，左侧毛细管网(9)的出口、左侧座位毛细管网(10)的出口、地板毛细管网(11)的出口、右侧座位毛细管网(12)的出口和右侧毛细管网(13)的出口连接集水器(14)的入口。

3.根据权利要求2所述的一种相变储能的电动公交车辐射空调系统，其特征在于：温控阀包括第一温控阀(4)、第二温控阀(5)、第三温控阀(6)、第四温控阀(7)和第五温控阀(8)，其中，分水器(3)的各支路出口分别连接第一温控阀(4)的入口、第二温控阀(5)的入口、第三温控阀(6)的入口、第四温控阀(7)的入口和第五温控阀(8)的入口，第一温控阀(4)的出口、第二温控阀(5)的出口、第三温控阀(6)的出口、第四温控阀(7)的出口和第五温控阀(8)的出口分别连接左侧毛细管网(9)的入口、左侧座位毛细管网(10)的入口、地板毛细管网(11)的入口、右侧座位毛细管网(12)的入口和右侧毛细管网(13)的入口。

4.根据权利要求2所述的一种相变储能的电动公交车辐射空调系统，其特征在于：左侧毛细管网(9)布置在电动公交车的车体左侧壁面夹层内；左侧座位毛细管网(10)布置在电动公交车的车体左侧座位夹层内；地板毛细管网(11)布置在电动公交车的车体地板夹层内；右侧座位毛细管网(12)布置在电动公交车的车体右侧座位夹层内；右侧毛细管网(13)布置在电动公交车的车体右侧壁面夹层内。

5.根据权利要求2所述的一种相变储能的电动公交车辐射空调系统，其特征在于：所述的左侧毛细管网(9)、地板毛细管网(11)、右侧毛细管网(13)靠车体外的一侧包覆绝热材料，左侧座位毛细管网(10)、右侧座位毛细管网(12)靠座位背面一侧包覆绝热材料。

6.根据权利要求1所述的一种相变储能的电动公交车辐射空调系统，其特征在于：所述的毛细管网换热器、集水器(14)、分水器(3)内的换热介质均为乙二醇水溶液。

7.根据权利要求1所述的一种相变储能的电动公交车辐射空调系统，其特征在于：所述的相变储能罐(1)、集水器(14)、分水器(3)以及连接各部件间的管路外均包裹着绝热保温材料。