CN110396895B - 一种路面集热与融雪释热的能量循环系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种路面集热与融雪释热的能量循环系统及其控制方法，该系统包括：吸散热管网，其设置在路面下部；地下换热器，其能够和土壤进行换热；第一管线，其一端与吸散热管网连通，另一端与地下换热器连通；第二管线，其一端与吸散热管网连通，另一端与地下换热器连通；第一水箱，其设置在第一管线上；第二水箱，其设置在第二管线上；第一循环泵，其设置在第一管线上；第一调节阀，其设置在第一管线上；第一截止阀，其与第一循环泵及第一调节阀并联；第二循环泵，其设置在第二管线上；第二调节阀，其设置在第二管线上；第二截止阀，其与第二循环泵及第二调节阀并联；热泵，其进液端与地下换热器选择性的连通，出液端与第二水箱选择性的连通。

Description

一种路面集热与融雪释热的能量循环系统及其控制方法

技术领域

本发明属于可再生能源与新能源利用技术领域，特别涉及一种路面集热与融雪释热的能量循环系统及其控制方法。

背景技术

自地球上生命诞生以来，就主要以太阳提供的热辐射能生存，而自古人类也懂得以阳光晒干物件，并作为制作食物的方法，如制盐和晒咸鱼等。在化石燃料日趋减少的情况下，太阳能已成为人类使用能源的重要组成部分，并不断得到发展。夏季路面温度较高，热量过高会使路面受到热蚀破坏。而冬季路面温度较低，而又常常出现降雪导致路面积雪甚至结冰。如果能在夏季将路面热量收集可以有效地降低路面温度，减轻热蚀破坏；而冬季如果能提高路面温度，则可以有效防冻和减轻地面龟裂，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。

发明内容

本发明的目的之一是提供一种路面集热与融雪释热的能量循环系统，其能够在温度较高时吸收路面热量降低路面温度，而在温度较低路面积雪时向路面传递热量，加速积雪融化。

本发明的目的之二是提供一种路面集热与融雪释热的能量循环系统的控制方法，其能够根据环境情况和路面情况控制路面集热与融雪释热的能量循环系统的工作模式，以提高路面集热与融雪释热系统的能量利用率。

本发明提供的技术方案为：

一种路面集热与融雪释热的能量循环系统，包括：

吸散热管网，其设置在路面下部；

地下换热器，其深埋于地下，并且能够和土壤进行换热；

第一管线，其一端与所述吸散热管网的一端连通，另一端与所述地下换热器连通；

第二管线，其一端与所述吸散热管网的另一端连通，另一端与所述地下换热器连通；

第一水箱，其设置在所述第一管线上；

第二水箱，其设置在所述第二管线上；

第一循环泵，其设置在所述第一管线上，并且位于所述第一水箱和所述吸散热管网之间；

第一调节阀，其设置在所述第一管线上，并且位于所述第一水箱与所述第一循环泵之间；

第一截止阀，其与所述第一循环泵及所述第一调节阀并联；

第二循环泵，其设置在所述第二管线上，并且位于所述第二水箱和所述吸散热管网之间；

第二调节阀，其设置在所述第二管线上，并且位于所述第二水箱与所述第二循环泵之间；

第二截止阀，其与所述第二循环泵及所述第二调节阀并联；

热泵，其进液端与所述地下换热器选择性的连通，出液端与所述第二水箱选择性的连通。

优选的是，所述的路面集热与融雪释热的能量循环系统，还包括：

第三调节阀，其设置在所述热泵与所述地下换热器之间的管线上；以及

第三截止阀，其设置在所述热泵与所述第二水箱之间的管线上。

优选的是，所述的路面集热与融雪释热的能量循环系统，还包括：

第一温度传感器，其用于检测环境温度；

第二温度传感器，其用于检测路面温度；

空气流速传感器，其用于检测空气流速；

积雪厚度传感器，其用于检测路面积雪厚度；

第一水温传感器，其用于检测所述第一水箱内的水温；以及

第二水温传感器，其用于检测所述第二水箱内的水温。

优选的是，所述的路面集热与融雪释热的能量循环系统，还包括：

控制器，其电联所述第一温度传感器、所述第二温度传感器、所述空气流速传感器、所述积雪厚度传感器、所述第一水温传感器及所述第二水温传感器，并且控制所述路面集热与融雪释热的能量循环系统的工作模式。

一种路面集热与融雪释热的能量循环系统的控制方法，包括：

获取环境温度、路面温度、空气流速、路面积雪厚度、第一水箱内的水温及第二水箱内的水温；

其中，当路面温度大于设定路面温度时，进入路面集热模式：开启第一调节阀、第一循环泵和第二截止阀，并且关闭第二调节阀和第一截止阀；

当积雪厚度大于设定积雪厚度时，进入融雪释热模式：开启第二调节阀、第二循环泵和第一截止阀，并且关闭第一调节阀和第二截止阀。

优选的是，当进入路面集热模式时，控制所述第一调节阀的开度为：

其中，α_{1_0}为第一调节阀的初始开度，T_L为路面温度，T_L0为设定的基准路面温度，t₁为第一水箱内的水温，t₂为第二水箱内的水温。

优选的是，当进入融雪释热模式时，控制所述第二调节阀的开度为：

其中，α_{2_0}为第二调节阀的初始开度，v_f为空气流速，v_f0为设定的基准空气流速，L为路面积雪厚度，L₀为所述设定的基准积雪厚度，T_h为环境温度，T_h0为设定的基准环境温度，t₁为第一水箱内的水温，t₂为第二水箱内的水温，e为自然对数的底数。

优选的是，当进入融雪释热模式时，还包括：

当所述第二水箱内的水温低于设定水温时，开启第三调节阀、第三截止阀和热泵。

优选的是，所述的路面集热与融雪释热的能量循环系统的控制方法，还包括：

控制所述第三调节阀的开度为：

其中，α_{3_0}为第三调节阀的初始开度，v_f为空气流速，v_f0为设定的基准空气流速，L为路面积雪厚度，L₀为所述设定的基准积雪厚度，T_h为环境温度，T_h0为设定的基准环境温度，e为自然对数的底数。

优选的是，所述设定水温为35～40℃。

本发明的有益效果是：

本发明提供的路面集热与融雪释热的能量循环系统，能够在温度较高时吸收路面热量降低路面温度，而在温度较低路面积雪时向路面传递热量，加速积雪融化。

本发明提供的路面集热与融雪释热的能量循环系统的控制方法，能够根据环境情况和路面情况控制路面集热与融雪释热的能量循环系统的工作模式，以提高路面集热与融雪释热系统的能量利用率。

附图说明

图1为本发明所述的路面集热与融雪释热的能量循环系统总体结构示意图。

图2为本发明所述的吸散热管网从路面集热的示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

如图1-2所示，本发明提供了一种路面集热与融雪释热的能量循环系统，主要包括：吸散热管网110，地下换热器120，第一管线130，第二管线140，第一水箱131，第二水箱141，第一循环泵132、第二循环泵142，第一调节阀133、第二调节阀143、第一截止阀150、第二截止阀160及热泵170。

吸散热管网110设置在路面下部；地下换热器120深埋于地下，并且能够和土壤进行换热；第一管线130的一端与吸散热管网110的一端连通，第一管线130的另一端与地下换热器120连通；第二管线140的一端与吸散热管网110的另一端连通，第二管线140的另一端与地下换热器110连通。

第一水箱131设置在第一管线130上；第一循环泵132设置在所述第一管线上，并且位于第一水箱131和所述吸散热管网110之间；第一水箱131与第一循环泵132之间设置有第一调节阀133，用于调节通过第一循环泵132的流量；第一截止阀150与第一循环泵132及第一调节阀133并联。第二水箱141设置在第二管线140上；第二循环泵142设置在第二管线140上，并且位于第二水箱141和吸散热管网110之间，第二水箱141与第二循环泵142之间设置有第二调节阀143，用于调节通过第二循环泵142的流量；第二截止阀160与第二循环泵142及第二调节阀143并联。热泵170的出液端与第二水箱141之间通过管路连通，热泵170的进液端与地下换热器120之间通过管路连通；其中，热泵170的出液端与第二水箱141之间的管路设置有第三截止阀171，热泵170的进液端与地下换热器120之间的管路连通设置有第三调节阀172。

在本实施例中，所述的路面集热与融雪释热的能量循环系统，还包括：第一温度传感器，其用于检测环境温度；第二温度传感器，其用于检测路面温度；空气流速传感器，其用于检测空气流速；积雪厚度传感器，其用于检测路面积雪厚度；第一水温传感器，其用于检测所述第一水箱131内的水温；第二水温传感器，其用于检测所述第二水箱141内的水温；以及控制器，其电联所述第一温度传感器、所述第二温度传感器、所述空气流速传感器、所述积雪厚度传感器、所述第一水温传感器及所述第二水温传感器，第一循环泵132、第二循环泵142，第一调节阀133、第二调节阀143、第一截止阀150、第二截止阀160、热泵170、第三截止阀171及第三调节阀172分别与所述控制器通过控制电路连接；即由所述控制器控制所述路面集热与融雪释热的能量循环系统的工作模式。

在本实施例中，吸散热管网110以道路中轴线为对称轴对称布置，对称轴的两侧为两个相同的变节距盘管布置，由道路中轴线向道路两侧盘管节距逐渐变大。两个相同的变节距盘管(吸散热管网110)分别在靠近道路两侧的位置设置有第一端口，在靠近路面轴轴线处设置有第二端口，两个第一端口分别连通第一管线130，两个第二端口分别连通第二管线140。这样设置一方面能够保证夏季实现更有效的路面太阳能集热，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。

本发明还提供了一种路面集热与融雪释热的能量循环系统的控制方法，其特征在于，包括：通过传感器分别获取环境温度T_h、路面温度T_L、空气流速v_f、路面积雪厚度L、第一水箱内的水温t₁及第二水箱内的水温t₂；其中，当路面温度T_L大于设定路面温度T_Ls时，进入路面集热模式：开启第一调节阀133、第一循环泵132和第二截止阀160，并且关闭第二调节阀143、第二循环泵142、第一截止阀150、热泵170、第三截止阀171及第三调节阀172。使循环冷流体从地下换热器120中经第一水箱131，由第一循环泵132泵入吸散热管网110，分别由道路两侧边缘向中央循环流动，太阳能辐射(太阳能热源)180加热路面190后，循环冷流体温度逐步上升。此后，热循环热流体流经第二水箱141，输送至地下换热器120，在地下换热器120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，经第一水箱131输送回吸散热管网110中，重复上述过程，完成夏季集热蓄能循环过程。当积雪厚度L大于设定积雪厚度Ls时，进入融雪释热模式：开启第二调节阀143、第二循环泵142和第一截止阀150，并且关闭第一调节阀133、第一循环泵132和第二截止阀160；并选择性的开启热泵170、第三截止阀171及第三调节阀172。地下换热器组120或经热泵170加热的循环流体，进入第二水箱141，第二循环泵142泵入吸散热管网110，分别由道路中央向两侧边缘循环流动。此后，循环冷流体流经第一水箱131输送至地下换热器组120，在地下换热器120内，冷流体与土壤之间进行换热，流体吸热，或经热泵170再加热，经第二水箱141输送到吸散热管网110中，重复上述过程，完成冬季道路融雪化冰循环过程。

在另一个实施例中，为提高能量的综合利用率，在夏季集热蓄能循环过程中，控制第一调节阀133的开度为：

式中，α_{1_0}为第一调节阀的初始开度，T_L为路面温度，单位℃；T_L0为设定的基准路面温度，单位℃；t₁为第一水箱内的水温，单位℃；t₂为第二水箱内的水温，单位℃。同时根据第一调节阀的开度适应性的对第一循环泵进行变频调节，以防止第一调节阀开度过大造成能量浪费，而第一调节阀开度过小，又达不到很好的集热和路面冷却效果。

在另一个实施例中，为进一步提高综合能量利用率，冬季道路融雪化冰循环过程中，控制第二调节阀143的开度为：

其中，α_{2_0}为第二调节阀的初始开度，v_f为空气流速，单位m/s；v_f0为设定的基准空气流速，单位m/s；L为路面积雪厚度，单位cm；L₀为所述设定的基准积雪厚度，单位cm；T_h为环境温度，单位℃；T_h0为设定的基准环境温度，单位℃；t₁为第一水箱内的水温，单位℃；t₂为第二水箱内的水温，单位℃；e为自然对数的底数。同时根据第二调节阀的开度适应性的对第二循环泵进行变频调节，以防止第二调节阀开度过大造成能量浪费，而第二调节阀开度过小，又达不到很好的融雪效果。

其中，当进入融雪释热模式时，为了进一步保证融雪效果及节约能量，还包括：

当所述第二水箱内的水温低于设定水温时，开启第三调节阀172、第三截止阀171和热泵170；并且控制所述第三调节阀的开度为：

其中，α_{3_0}为第三调节阀的初始开度，v_f为空气流速，单位m/s；v_f0为设定的基准空气流速，单位m/s；L为路面积雪厚度，单位cm；L₀为所述设定的基准积雪厚度，单位cm；T_h为环境温度，单位℃；T_h0为设定的基准环境温度，单位℃；e为自然对数的底数。根据经验，所述设定水温可设置为35～40℃。

在另一个实施例中，根据经验设置T_Ls＝20～25℃，α_{1_0}＝50％～60％，α_{2_0}＝50％～60％，α_{3_0}＝40％～60％，T_L0＝45～55℃；T_h0＝-10℃；v_f0＝3.3～3.5m/s，Ls＝0.5～1cm，L₀＝1.5～2cm。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (8)

1.一种路面集热与融雪释热的能量循环系统的控制方法，其特征在于，所述的路面集热与融雪释热的能量循环系统，包括：

吸散热管网，其设置在路面下部；

地下换热器，其深埋于地下，并且能够和土壤进行换热；

第一管线，其一端与所述吸散热管网的一端连通，另一端与所述地下换热器连通；

第二管线，其一端与所述吸散热管网的另一端连通，另一端与所述地下换热器连通；

第一水箱，其设置在所述第一管线上；

第二水箱，其设置在所述第二管线上；

第一循环泵，其设置在所述第一管线上，并且位于所述第一水箱和所述吸散热管网之间；

第一调节阀，其设置在所述第一管线上，并且位于所述第一水箱与所述第一循环泵之间；

第一截止阀，其与所述第一循环泵及所述第一调节阀并联；

第二循环泵，其设置在所述第二管线上，并且位于所述第二水箱和所述吸散热管网之间；

第二调节阀，其设置在所述第二管线上，并且位于所述第二水箱与所述第二循环泵之间；

第二截止阀，其与所述第二循环泵及所述第二调节阀并联；

热泵，其进液端与所述地下换热器选择性的连通，出液端与所述第二水箱选择性的连通；

所述的控制方法包括：

获取环境温度、路面温度、空气流速、路面积雪厚度、第一水箱内的水温及第二水箱内的水温；

其中，当路面温度大于设定路面温度时，进入路面集热模式：开启第一调节阀、第一循环泵和第二截止阀，并且关闭第二调节阀和第一截止阀；

当积雪厚度大于设定积雪厚度时，进入融雪释热模式：开启第二调节阀、第二循环泵和第一截止阀，并且关闭第一调节阀和第二截止阀；

当进入路面集热模式时，控制所述第一调节阀的开度为：

其中，α_{1_0}为第一调节阀的初始开度，T_L为路面温度，T_L0为设定的基准路面温度，t₁为第一水箱内的水温，t₂为第二水箱内的水温。

2.根据权利要求1所述的路面集热与融雪释热的能量循环系统的控制方法，其特征在于，所述的路面集热与融雪释热的能量循环系统还包括：

第三调节阀，其设置在所述热泵与所述地下换热器之间的管线上；以及

第三截止阀，其设置在所述热泵与所述第二水箱之间的管线上。

3.根据权利要求2所述的路面集热与融雪释热的能量循环系统的控制方法，其特征在于，所述的路面集热与融雪释热的能量循环系统还包括：

第一温度传感器，其用于检测环境温度；

第二温度传感器，其用于检测路面温度；

空气流速传感器，其用于检测空气流速；

积雪厚度传感器，其用于检测路面积雪厚度；

第一水温传感器，其用于检测所述第一水箱内的水温；以及

第二水温传感器，其用于检测所述第二水箱内的水温。

4.根据权利要求3所述的路面集热与融雪释热的能量循环系统的控制方法，其特征在于，所述的路面集热与融雪释热的能量循环系统还包括：

控制器，其电联所述第一温度传感器、所述第二温度传感器、所述空气流速传感器、所述积雪厚度传感器、所述第一水温传感器及所述第二水温传感器，并且控制所述路面集热与融雪释热的能量循环系统的工作模式。

5.根据权利要求4所述的路面集热与融雪释热的能量循环系统的控制方法，其特征在于，当进入融雪释热模式时，控制所述第二调节阀的开度为：

其中，α_{2_0}为第二调节阀的初始开度，v_f为空气流速，v_f0为设定的基准空气流速，L为路面积雪厚度，L₀为所述设定的基准积雪厚度，T_h为环境温度，T_h0为设定的基准环境温度，t₁为第一水箱内的水温，t₂为第二水箱内的水温，e为自然对数的底数。

6.根据权利要求4或5所述的路面集热与融雪释热的能量循环系统的控制方法，其特征在于，当进入融雪释热模式时，还包括：

当所述第二水箱内的水温低于设定水温时，开启第三调节阀、第三截止阀和热泵。

7.根据权利要求6所述的路面集热与融雪释热的能量循环系统的控制方法，其特征在于，还包括：

控制所述第三调节阀的开度为：

其中，α_{3_0}为第三调节阀的初始开度，v_f为空气流速，v_f0为设定的基准空气流速，L为路面积雪厚度，L₀为所述设定的基准积雪厚度，T_h为环境温度，T_h0为设定的基准环境温度，e为自然对数的底数。

8.根据权利要求7所述的路面集热与融雪释热的能量循环系统的控制方法，其特征在于，所述设定水温为35～40℃。

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