一种用于土壤温度调控的复合型热棒及其控制方法与流程

[0001]
本发明涉及温度调控装置领域，尤其涉及一种用于土壤温度调控的复合型热棒及其控制方法。


背景技术：

[0002]
对于多年冻土地区，暖季冻土融化等将引起路基变形、拱起和倾斜等不良现象，影响高速铁路的稳定性，严重时甚至造成人员伤亡等问题。因此，要保证多年冻土区路基工程的稳定性和安全性，必须要保证冻土的承载力和热稳定性，防止冻土温度升高，避免冻土层融化。
[0003]
为主动冷却路基，防止冻土区土壤温度升高，目前多采用块石层、通风管和热棒等技术。传统热棒一段埋入土壤，其余一段暴露在空气中。当空气温度明显低于土壤温度时，热棒土壤段的液态制冷剂被温度较高的土壤加热，吸收土壤热量并蒸发变成气态，上升至空气段；然后，气态制冷剂被低温空气冷凝，将热量释放至空气并冷凝成液态，在重力的作用下流回土壤段。但该类技术主要运用在冷季等大气温度较低的条件下，通过土壤的冷季蓄冷来抵抗暖季土壤温度的升高，无法实现土壤的全年制冷。特别是在冻土退化风险较高的暖季，传统热棒无法运行，不能有针对性地解决暖季冻土融化的问题。


技术实现要素：

[0004]
为了解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种用于土壤温度调控的复合型热棒，既可在冷季空气温度较低时采用靠热虹吸模式制冷，又可在暖季则依靠采用蒸汽压缩模式换热。
[0005]
本发明所采用的第一技术方案是：一种用于土壤温度调控的复合型热棒棒，包括太阳能光伏装置、复合制冷装置和控制模块，所述控制模块分别与太阳光伏装置和复合制冷装置连接，所述太阳能光伏装置包括太阳能光伏板、电能控制器、蓄电池、逆变器和电表，所述太阳能光伏板、电能控制器、逆变器和电表依次连接，所述电能控制器还与蓄电池连接，所述电能控制器与控制模块连接，所述复合制冷装置包括风冷式冷凝器、第一切换模块、第二切换模块和直膨式蒸发器，所述风冷式冷凝器和直膨式蒸发器分别与第一切换模块和第二切换模块连接，所述第一切换模块、第二切换模块和风冷式冷凝器分别与控制模块连接。
[0006]
进一步，所述第一切换模块包括电动阀和电动膨胀阀，所述电动阀和电动膨胀阀分别与风冷式冷凝器连接，所述电动阀和电动膨胀阀分别与直膨式蒸发器连接，所述电动阀和电动膨胀阀分别与控制模块连接。
[0007]
进一步，所述第二切换模块包括压缩机和自立式三通阀，所述压缩机和自立式三通阀分别与风冷式冷凝器连接，所述压缩机和自立式三通阀分别与直膨式蒸发器连接，所述压缩机和自力式三通阀分别与控制模块连接。
[0008]
进一步，所述控制模块包括温度传感器和控制器，所述温度传感器与控制器连接，
所述控制器分别与电动阀、电动膨胀阀、压缩机、自力式三通阀、风冷式冷凝器和电能控制器连接。
[0009]
本发明所采用的第二技术方案是：一种用于土壤温度调控的复合型热棒的控制方法，包括以下步骤：
[0010]
获取环境空气温度信息、土壤温度信息和太阳能光伏板发电量信息；
[0011]
根据环境空气温度信息、土壤温度信息、太阳能光伏板发电量信息和预设规则切换复合型热棒的工作模式。
[0012]
进一步，所述根据环境空气温度信息、土壤温度信息、太阳辐射强度信息和预设规则切换复合型热棒的工作模式这一步骤，其具体包括：
[0013]
判断到土壤温度低于预设温度且太阳能光伏板发电量大于第一预设发电量，复合制冷设备不运行，切换复合型热棒的工作模式为太阳能蓄电模式；
[0014]
判断到环境空气温度低于土壤温度、土壤温度高于预设温度、太阳能光伏板发电量大于第一预设发电量，切换复合型热棒的工作模式为太阳能供电和热虹吸模式；
[0015]
判断到环境空气温度高于土壤温度、土壤温度高于预设温度、太阳能光伏板发电量大于第二预设发电量，切换复合型热棒的工作模式为太阳能供电和蒸汽压缩模式；
[0016]
判断到环境空气温度低于土壤温度、土壤温度高于预设温度，太阳能光伏板发电量小于第一预设发电量、蓄电池发电量高于第一预设发电量，切换复合型热棒的工作模式为蓄电池供电和热虹吸模式；
[0017]
判断到环境空气温度高于土壤温度、土壤温度高于预设温度、太阳能光伏板发电量小于第二预设发电量，蓄电池发电量高于第二预设发电量，切换复合型热棒的工作模式为蓄电池供电和蒸汽压缩模式；
[0018]
判断到环境空气温度低于土壤温度、土壤温度高于预设温度、太阳光伏板发电量大于第一预设发电量、蓄电池发电量小于第一预设发电量、太阳能和蓄电池联合发电量大于第一预发电量时，切换复合型热棒的工作模式为太阳能联合蓄电池供电和热虹吸模式；
[0019]
判断到环境空气温度低于土壤温度、土壤温度高于预设温度、太阳光伏板发电量大于第二预设发电量、蓄电池发电量小于第二预设发电量、太阳能和蓄电池联合发电量大于第二预发电量时，切换复合型热棒的工作模式为太阳能联合蓄电池供电和蒸汽压缩模式；
[0020]
否则，该复合热棒不运行。
[0021]
进一步，所述复合型热棒的工作模式具体包括：
[0022]
太阳能蓄电模式，该模式的复合制冷装置不运行，蓄电池接收太阳能光伏板发出的电量；
[0023]
太阳能供电和热虹吸模式，该模式由太阳能光伏板供电，压缩机和电动膨胀阀关闭，仅风冷式冷凝器的风机耗电，液态制冷剂在直膨式蒸发器中吸收土壤中的热量，蒸发为气态制冷剂，气态制冷剂经过电动阀，进入地表的风冷式冷凝器，冷凝器中的气态制冷剂被环境低温空气冷凝为液态制冷剂，释放热量，并通过自力式三通阀的流入直膨式蒸发器，完成热虹吸模式循环，若有剩余电量可进入蓄电池蓄电；
[0024]
太阳能供电和蒸汽压缩模式，该模式由太阳能光伏板供电，压缩机运行，自力式三通阀打开压缩机环路，电动膨胀阀打开，电动阀关闭，低温低压液态制冷剂在直膨式蒸发器
中吸收土壤中的热量变成低温低压气体制冷剂，进入压缩机压缩成高温高压气体，然后进入风冷式冷凝器冷却至高温高压液体，向周围的高温空气释放热量，然后进入电子膨胀阀膨胀为低温低压液态制冷剂，再进入直膨式蒸发器，完成蒸汽压缩模式循环，若有剩余电量可进入蓄电池蓄电；
[0025]
蓄电池供电和热虹吸模式，该模式由蓄电池供电，压缩机和电动膨胀阀关闭，仅风冷式冷凝器的风机耗电，态制冷剂在直膨式蒸发器中吸收土壤中的热量，蒸发为气态制冷剂，气态制冷剂经过电动阀，进入地表的风冷式冷凝器，冷凝器中的气态制冷剂被环境低温空气冷凝为液态制冷剂，释放热量，并通过自力式三通阀的流入直膨式蒸发器，完成热虹吸模式循环；
[0026]
蓄电池供电和蒸汽压缩模式，该模式由蓄电池供电，压缩机运行，自力式三通阀打开压缩机环路，电动膨胀阀打开，电动阀关闭，低温低压液态制冷剂在直膨式蒸发器中吸收土壤中的热量变成低温低压气体制冷剂，进入压缩机压缩成高温高压气体，然后进入风冷式冷凝器冷却至高温高压液体，向周围的高温空气释放热量，然后进入电子膨胀阀膨胀为低温低压液态制冷剂，再进入直膨式蒸发器，完成蒸汽压缩模式循环；
[0027]
太阳能联合蓄电池供电和热虹吸模式，该模式由太阳能光伏板和蓄电池共同供电，压缩机和电动膨胀阀关闭，仅风冷式冷凝器的风机耗电，复合制冷装置中的液态制冷剂在直膨式蒸发器中吸收土壤中的热量，蒸发为气态制冷剂，气态制冷剂经过电动阀，进入地表的风冷式冷凝器，冷凝器中的气态制冷剂被环境低温空气冷凝为液态制冷剂，释放热量，并通过自力式三通阀的流入直膨式蒸发器，完成热虹吸模式循环；
[0028]
太阳能联合蓄电池供电和蒸汽压缩模式，该模式由太阳能光伏板和蓄电池共同供电，压缩机运行，自力式三通阀打开压缩机环路，电动膨胀阀打开，电动阀关闭，复合制冷装置中的低温低压液态制冷剂在直膨式蒸发器中吸收土壤中的热量变成低温低压气体制冷剂，进入压缩机压缩成高温高压气体，然后进入风冷式冷凝器冷却至高温高压液体，向周围的高温空气释放热量，然后进入电子膨胀阀膨胀为低温低压液态制冷剂，再进入直膨式蒸发器，完成蒸汽压缩模式循环。
[0029]
本发明方法的有益效果是：相对于传统热棒，增加了蒸汽压缩的功能，既可在冷季空气温度较低时靠热虹吸模式制冷，又可在暖季则依靠蒸汽压缩模式换热。不仅可以将土壤中的热量高效排至低温空气，还可将其有效排至高温空气。此外，该复合热棒并非热虹吸技术和蒸汽压缩技术两套系统简单的叠加，而是通过共用冷凝器和蒸发器，巧妙设计阀门和制冷剂循环管路等，实现装置的经济高效。
附图说明
[0030]
图1是本发明一种用于土壤温度调控的复合型热棒装置图；
[0031]
图2是本发明一种用于土壤温度调控的复合型热棒的运行模式切换原理图；
[0032]
图3是本发明具体实施例中控制器的部分电路图；
[0033]
附图标记：1、太阳能光伏板；2、电能控制器；3、蓄电池；4、逆变器；5、电表；6、风冷式冷凝器；7、电动阀；8、电动膨胀阀；9、压缩机；10、自立式三通阀；11、直膨式蒸发器；12、控制器；13、温度传感器。
具体实施方式
[0034]
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的详细说明。对于以下实施例中的步骤编号，其仅为了便于阐述说明而设置，对步骤之间的顺序不做任何限定，实施例中的各步骤的执行顺序均可根据本领域技术人员的理解来进行适应性调整。
[0035]
如图1所示，本发明提供了一种用于土壤温度调控的复合型热棒，包括太阳能光伏装置、复合制冷装置和控制模块，所述控制模块分别与太阳光伏装置和复合制冷装置连接，所述太阳能光伏装置包括太阳能光伏板1、电能控制器2、蓄电池3、逆变器4和电5表，所述太阳能光伏板1、电能控制器2、逆变器4和电表5依次连接，所述电能控制器2还与蓄电池3连接，所述电能控制器2与控制模块连接，所述复合制冷装置包括风冷式冷凝器6、第一切换模块、第二切换模块和直膨式蒸发器11，所述风冷式冷凝器6和直膨式蒸发器11分别与第一切换模块和第二切换模块连接，所述第一切换模块、第二切换模块和风冷式冷凝器分别与控制模块连接。
[0036]
具体地，在太阳的辐射下，太阳能光伏板1可进行发电，产生的电能通过电能控制器2供应复合制冷装置。若电能仍有富余，则通过电能控制器2的调节，将电能蓄存至蓄电池3中。蓄电池3起到储存电能和平衡荷载的作用。在电能供应复合制冷装置的过程中，需采用逆变器4将太阳能光伏板1产生的直流电转换为交流电供应，驱动制冷模块的压缩机9和冷凝器风机。电表5用于电能的计量。
[0037]
进一步作为优选实施例，所述第一切换模块包括电动阀7和电动膨胀阀8，所述电动阀7和电动膨胀阀8分别与风冷式冷凝器6连接，所述电动阀7和电动膨胀阀8分别与直膨式蒸发器11连接，所述电动阀7和电动膨胀阀8分别与控制模块连接。
[0038]
进一步作为优选实施例，所述第二切换模块包括压缩机9和自立式三通阀10，所述压缩机9和自立式三通阀10分别与风冷式冷凝器6连接，所述压缩机9和自立式三通阀10分别与直膨式蒸发器11连接，所述压缩机9和自力式三通阀10分别与控制模块连接。
[0039]
进一步作为优选实施例，所述控制模块包括温度传感器13和控制器12，所述温度传感器13与控制器12连接，所述控制器12分别与电动阀7、电动膨胀阀8、压缩机9、自力式三通阀10、风冷式冷凝器6和电能控制器2连接，所述温度传感器包13括第一温度传感器和第二温度传感器，所述第一温度传感器用于检测环境空气温度，所述第二温度传感器用于检测土壤温度。
[0040]
具体地，当冻土区的环境空气温度明显低于表层土壤温度时，复合制冷装置的压缩机9不运行，自力式三通阀10自动连接风冷式冷凝器6出口和直膨式蒸发器11入口管路，电动膨胀阀8关闭，电动阀7打开，装置运行热虹吸模式。该模式下，复合制冷装置仅冷凝器6风机运行，耗电量较少。风冷式冷凝器6与直膨式蒸发器11构成分离式热虹吸管，在空气与土壤自然温差的驱动下，将土壤中的热量排放至空气中。此时，复合制冷装置中的液态制冷剂在直膨式蒸发器11中吸收土壤中的热量，蒸发为气态制冷剂，气态制冷剂经过电动阀7，进入地表的风冷式冷凝器6，冷凝6器中的气态制冷剂被环境低温空气冷凝为液态制冷剂，释放热量，并通过自力式三通阀10的流入直膨式蒸发器11，完成热虹吸模式循环。
[0041]
当冻土区的环境空气温度高于或仅略低于表层土壤温度时，复合制冷装置的压缩机9运行，自力式三通阀10打开压缩机环路，电动膨胀阀8打开，电动阀7关闭，装置运行压缩制冷模式。该模式下，复合制冷装置在压缩机9电能的驱动下可产生较大的制冷量和较低的
蒸发温度，快速给土壤降温。此时，复合制冷装置中的低温低压液态制冷剂在直膨式蒸发器11中吸收土壤中的热量变成低温低压气体制冷剂，进入压缩机9压缩成高温高压气体，然后进入风冷式冷凝器6冷却至高温高压液体，向周围的高温空气释放热量，然后进入电子膨胀阀8膨胀为低温低压液态制冷剂，再进入直膨式蒸发器11，完成蒸汽压缩模式循环。
[0042]
本复合型热棒的工作原理是：该调控土壤温度的复合热棒以太阳能作为驱动能源，高效地将冻土区土壤中的热量排放至不同温度的空气中。太阳能光伏模块可将太阳能转化为电能，并通过电能控制器和蓄电池的调节作用，平衡不同运行工况下的用电量。复合制冷装置可运行于热虹吸模式和蒸汽压缩模式。热虹吸模式下，复合制冷装置仅风冷式冷凝器的风机运行，压缩机关闭，仅需少量电能，便可实现对土壤温度的高效调节。蒸汽压缩模式下，复合制冷装置的压缩机和风机均运行，可提高制冷量并降低制冷温度，实现对土壤温度的大容量调节。该调控土壤温度的复合热棒能够根据太阳能辐射强度、空气温度和用户需求等条件运行在不同的模式。通过压缩机的启停和阀门的启闭在多种模式间切换，包括：太阳能蓄电模式，太阳能供电和热虹吸模式，太阳能供电和蒸汽压缩模式，蓄电池供电和热虹吸模式，蓄电池供电和蒸汽压缩模式，太阳能联合蓄电池供电和热虹吸模式，太阳能联合蓄电池供电和蒸汽压缩模式。
[0043]
所述一种用于土壤温度调控的复合型热棒，可以实现以下几种独立的运行模式，如图2所示：
[0044]
1太阳能蓄电模式：当太阳能辐射较强的时候，太阳能光伏板1发电量较多。若此时冻土区土壤温度较低，不需制冷，则制冷装置可不运行，太阳能所发电量直接蓄存到蓄电池3中。
[0045]
2太阳能供电和热虹吸模式：当环境空气温度明显低于土壤温度且土壤需要制冷时，制冷装置运行热虹吸模式。此时若太阳辐射强、发电量可满足该模式需求，则复合热棒运行太阳能供电和热虹吸模式。该模式的压缩机9和电动膨胀阀8关闭，仅风冷式冷凝器6的风机耗电。复合制冷装置中的液态制冷剂在直膨式蒸发器11中吸收土壤中的热量，蒸发为气态制冷剂，气态制冷剂经过电动阀7，进入地表的风冷式冷凝器6，冷凝器中的气态制冷剂被环境低温空气冷凝为液态制冷剂，释放热量，并通过自力式三通阀10的流入直膨式蒸发器11，完成热虹吸模式循环，若有剩余电量可进入蓄电池蓄电。
[0046]
3太阳能供电和蒸汽压缩模式：当环境空气温度高于土壤温度且土壤需要制冷时，制冷装置运行蒸汽压缩模式。此时若太阳辐射强、发电量可满足该模式需求，则复合热棒运行太阳能供电和蒸汽压缩模式。该模式的压缩机9运行，自力式三通阀10打开压缩环路，电动膨胀阀8打开，电动阀7关闭。复合制冷装置中的低温低压液态制冷剂在直膨式蒸发器11中吸收土壤中的热量变成低温低压气体制冷剂，进入压缩机9压缩成高温高压气体，然后进入风冷式冷凝器6冷却至高温高压液体，向周围的高温空气释放热量，然后进入电子膨胀阀8膨胀为低温低压液态制冷剂，再进入直膨式蒸发器11，完成蒸汽压缩模式循环，若有剩余电量可进入蓄电池蓄电。
[0047]
4蓄电池供电和热虹吸模式：当环境空气温度明显低于土壤温度且土壤需要制冷时，制冷装置运行热虹吸模式。此时若太阳辐射强度几乎为零、无法正常发电，而蓄电池3有蓄存电量可满足该模式需求，则复合热棒运行蓄电池供电和热虹吸模式。该模式的压缩机9和电动膨胀阀8关闭，仅风冷式冷凝器6的风机耗电。复合制冷装置中的液态制冷剂在直膨
式蒸发器11中吸收土壤中的热量，蒸发为气态制冷剂，气态制冷剂经过电动阀7，进入地表的风冷式冷凝器6，冷凝器6中的气态制冷剂被环境低温空气冷凝为液态制冷剂，释放热量，并通过自力式三通阀10的流入直膨式蒸发器11，完成热虹吸模式循环。
[0048]
5蓄电池供电和蒸汽压缩模式：当环境空气温度高于土壤温度且土壤需要制冷时，制冷装置运行蒸汽压缩模式。此时若太阳辐射强度几乎为零、无法正常发电，而蓄电池有蓄存电量可满足该模式需求，则复合热棒运行蓄电池供电和蒸汽压缩模式。该模式的压缩机9运行，自力式三通阀10打开压缩机环路，电动膨胀阀8打开，电动阀7关闭。复合制冷装置中的低温低压液态制冷剂在直膨式蒸发器11中吸收土壤中的热量变成低温低压气体制冷剂，进入压缩机9压缩成高温高压气体，然后进入风冷式冷凝器6冷却至高温高压液体，向周围的高温空气释放热量，然后进入电子膨胀阀8膨胀为低温低压液态制冷剂，再进入直膨式蒸发器11，完成蒸汽压缩模式循环。
[0049]
6太阳能联合蓄电池供电和热虹吸模式：当环境空气温度明显低于土壤温度且土壤需要制冷时，制冷装置运行热虹吸模式。此时若太阳辐射强度不高、发电量不能完全满足热虹吸模式运行，蓄电池3中有蓄存电量，蓄电池3可与太阳能光伏板1共同供电，则复合热棒运行太阳能联合蓄电池供电和热虹吸模式。该模式的压缩机9和电动膨胀阀8关闭，仅风冷式冷凝器6的风机耗电。复合制冷装置中的液态制冷剂在直膨式蒸发器11中吸收土壤中的热量，蒸发为气态制冷剂，气态制冷剂经过电动阀7，进入地表的风冷式冷凝器6，冷凝器6中的气态制冷剂被环境低温空气冷凝为液态制冷剂，释放热量，并通过自力式三通阀10的流入直膨式蒸发器11，完成热虹吸模式循环。
[0050]
7太阳能联合蓄电池供电和蒸汽压缩模式：当环境空气温度高于土壤温度且土壤需要制冷时，制冷装置运行蒸汽压缩模式。若太阳辐射强度不高、发电量不能完全满足蒸汽压缩模式运行，蓄电池3中有蓄存电量，蓄电池3可与太阳能光伏板1共同供电，则复合热棒运行太阳能联合蓄电池供电和蒸汽压缩模式。该模式的压缩机9运行，自力式三通阀10打开压缩机环路，电动膨胀阀8打开，电动阀7关闭。复合制冷装置中的低温低压液态制冷剂在直膨式蒸发器11中吸收土壤中的热量变成低温低压气体制冷剂，进入压缩机9压缩成高温高压气体，然后进入风冷式冷凝器6冷却至高温高压液体，向周围的高温空气释放热量，然后进入电子膨胀8阀膨胀为低温低压液态制冷剂，再进入直膨式蒸发器11，完成蒸汽压缩模式循环。
[0051]
为了实现上述7种运行模式的切换，可以由电压比较器和逻辑门来实现。具体参照图3，第二温度传感器输出值小于参考电压一，第二比较器u2输出低电平；逆变器发电量大于参考电压二，电压比较器u3输出高电平，运行太阳能蓄电模式。第一温度传感器输出值小于第二温度传感器输出值，第一比较器u1输出低电平；第二温度传感器输出值大于参考电压一，第二比较器u2输出高电平；逆变器发电量大于参考电压二，第三比较器u3输出高电平，运行太阳能供电和热虹吸模式。第一温度传感器输出值大于第二温度传感器输出值，第一比较器u1输出高电平；第二温度传感器输出值大于参考电压一，第二比较器u2输出高电平；逆变器发电量大于参考电压三，第四比较器u4输出高电平，运行太阳能供电和蒸汽压缩模式。第一温度传感器输出值小于第二温度传感器输出值，第一比较器u1输出低电平；第二温度传感器输出值大于参考电压一，第二比较器u2输出高电平；逆变器发电量小于参考电压二，第三比较器u3输出低电平；蓄电池供电量高于参考电压二，第五比较器u5输出高电
平，运行蓄电池供电和热虹吸模式。第一温度传感器输出值大于第二温度传感器输出值，第一比较器u1输出高电平；第二温度传感器输出值大于参考电压一，第二比较器u2输出高电平；逆变器发电量小于参考电压三，第四比较器u4输出低电平；蓄电池供电量高于参考电压三，第六比较器u6输出高电平，运行蓄电池供电和蒸汽压缩模式。第一温度传感器输出值小于第二温度传感器输出值，第一比较器u1输出低电平；第二温度传感器输出值大于参考电压一，第二比较器u2输出高电平；逆变器发电量小于参考电压二，第三比较器u3输出低电平；蓄电池供电量低于参考电压二，第五比较器u5输出低电平；逆变器与蓄电池联合发电量大于参考电压二，第七比较器u7输出高电平，则运行太阳能联合蓄电池供电和热虹吸模式。第一温度传感器输出值大于第二温度传感器输出值，第一比较器u1输出高电平；第二温度传感器输出值大于参考电压一，第二比较器u2输出高电平；逆变器发电量小于参考电压三，第四比较器u4输出低电平；蓄电池供电量低于参考电压三，第六比较器u6输出低电平；逆变器与蓄电池联合发电量大于参考电压三，第八比较器u8输出高电平，则运行太阳能联合蓄电池供电和蒸汽压缩模式。
[0052]
以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做作出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。