CN115626189A - 一种集成余热利用的轨道空调控制***及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种集成余热利用的轨道空调控制***，包括燃料电池、冷却液出口、第一二通阀、第二二通阀、换热器、燃料电池散热器和冷却液入口，所述第一二通阀设置于冷却液出口和换热器之间，所述第二二通阀设置于冷却液出口和燃料电池散热器之间，冷却液入口和燃料电池散热器连接。本发明可以通过第一二通阀和第二二通阀精准控制燃料电池不同发电功率下的冷却液流量分配，避免因冷却液流量分配不均导致燃料电池反应堆的损坏。本发明还涉及一种利用所述集成余热利用的轨道空调控制***的控制方法，根据室内温度与设定温度的差值对换热器档位进行控制，提高对车厢内温度的控制效果，提高乘客舒适性。

Description

一种集成余热利用的轨道空调控制***及控制方法

技术领域

本发明属于轨道交通空调***技术领域，具体地说，涉及一种集成余热利用的轨道空调控制***及控制方法。

背景技术

随着氢燃料电池的快速发展，氢燃料电池有轨电车是一种新型轨道车辆，具有零排放、无污染、转化效率高等优势。列车所需动力由氢燃料电池所提供，其电池反应堆在反应过程中，除产生所需电能外还会释放大量热量。通过在客室空调里增加余热换热器，冬季制热时，利用燃料电池***反应产生的高温冷却液，用管路连接使其流经轨道空调的换热器，由风机向换热器吹风，可有效利用燃料电池的热量对车厢内部加热。

申请公布号为CN110696591A的中国专利公开了一种利用燃料电池余热的车载空调，包括冷凝器、压缩机，冷凝器、压缩机通过冷媒管路构成循环路径；还包括一个燃料电池散热器，燃料电池散热器同冷却液管路与燃料电池连接，燃料电池散热器安装在车载空调的空气循环***中或与冷凝器集成在一起。该专利将燃料电池余热用来取暖，减小了整车能耗，但冷却液流量分配不均会导致燃料电池反应堆的损坏，在现有技术中缺乏相应的技术手段。

有鉴于此特提出本发明。

发明内容

本发明的一个目的在于克服现有技术的不足，提供一种对燃料电池***不同发电功率的冷却液流量分档的集成余热利用的轨道空调控制***。

本发明的另一目的在于提供一种利用上述集成余热利用的轨道空调控制***的控制方法。

为了实现第一发明目的，本发明采用如下技术方案：

一种集成余热利用的轨道空调控制***，包括燃料电池、冷却液出口、第一二通阀、第二二通阀、换热器、燃料电池散热器和冷却液入口，所述第一二通阀设置于冷却液出口和换热器之间，所述第二二通阀设置于冷却液出口和燃料电池散热器之间，冷却液入口和燃料电池散热器连接。

进一步的，在所述燃料电池散热器和换热器之间设置有第三二通阀。

进一步的，所述换热器采用不锈钢管铝翅片换热器。

为了实现第二发明目的，本发明采用如下技术方案：

一种利用上述集成余热利用的轨道空调控制***的控制方法，包括非制热模式、燃料电池***工作时的第一制热模式和燃料电池***停机时的第二制热模式三种控制模式；

当处于非制热模式，第一二通阀关闭，第二二通阀由燃料电池***自主调节开度；

当处于第一制热模式时，根据冷却液温度Ty判定是否开启第一二通阀，当冷却液温度Ty小于冷却液设定控制温度Tys时，控制第一二通阀关闭，第二二通阀由燃料电池***自主调节开度；

当冷却液温度Ty大于或等于冷却液设定控制温度Tys时，控制第一二通阀开启，第一二通阀和第二二通阀的开度根据燃料电池的输出功率进行调节。

进一步的，将换热器的换热量输出分为至少两个档位，档位1的换热量输出为100％，之后档位的换热量输出逐级减小。

进一步的，根据室内温度Tin与设定温度Ts之间关系判断换热器的换热量输出档位，

当Tin≥Ts+ΔT时，换热器关闭；

当Tin＜Ts时，运行档位1；

ΔT为温度余量，当Ts≤Tin＜Ts+ΔT时，运行其余档位，室内温度Tin与设定温度Ts的温差越小对应档位的换热量输出越高。

进一步的，燃料电池输出功率分成多个档位，第一二通阀和第二二通阀的开度根据换热器、燃料电池输出功率的档位进行判定。

进一步的，所述第一二通阀和第二二通阀与燃料电池输出功率档位、换热器档位的对应关系预先存储于控制单元中，所述控制单元对第一二通阀、第二二通阀的开度进行调节。

进一步的，处于第一制热模式时，当室外温度Tout小于或等于室外控制温度Tos，禁止热泵启动。

进一步的，处于第一制热模式时，当室外温度Tout大于室外控制温度Tos且第一二通阀开启时，对室内温度Tin与设定温度Ts的差值进行判定，若升温速率小于预设升温速率且室内温度Tin小于设定温度Ts，开启热泵***；当室内温度Tin达到设定温度Ts时，关闭热泵***。

进一步的，在所述冷却液设定控制温度Tys处设置回差。

进一步的，当处于第一制热模式时，第三二通阀开启；当处于非制热模式和第二制热模式时，第三二通阀关闭。

采用上述技术方案后，本发明与现有技术相比具有以下有益效果：

1、本发明通过设置的第一二通阀和第二二通阀可以精准控制燃料电池不同发电功率下的冷却液流量分配，避免因冷却液流量分配不均导致燃料电池反应堆的损坏。

2、本发明采用不锈钢管铝翅片换热器，可以降低燃料电池***冷却液离子率，提升燃料电池***的稳定性。

3、本发明根据室内温度与设定温度的差值对换热器档位进行控制，提高对车厢内温度的控制效果，提高乘客舒适性。

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的描述。

附图说明

附图作为本发明的一部分，用来提供对本发明的进一步的理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，但不构成对本发明的不当限定。显然，下面描述中的附图仅仅是一些实施例，对于本领域普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。在附图中：

图1是燃料电池余热利用整体布局示意图。

图中：1、燃料电池；2、冷却液出口；3、第二二通阀；4、第一二通阀；5、换热器；6、第三二通阀；7、燃料电池散热器；8、冷却液入口。

需要说明的是，这些附图和文字描述并不旨在以任何方式限制本发明的构思范围，而是通过参考特定实施例为本领域技术人员说明本发明的概念。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

如图1所示，本发明提供一种集成余热利用的轨道空调控制***，包括燃料电池1，冷却液出口2，第一二通阀4，第二二通阀3，第三二通阀6，换热器5，燃料电池散热器7和冷却液入口8，第一二通阀4设置于冷却液出口2和换热器5之间，第二二通阀3设置于冷却液出口2和燃料电池散热器7之间，第三二通阀6设置于换热器5和燃料电池散热器7之间，冷却液入口8和燃料电池散热器7连接，图1中燃料电池1包括水泵和去离子器，换热器5安装在列车空调机组的空气循环***中或与冷凝器集成在一起。本发明的换热器5优选采用不锈钢铝翅片换热器，由于其具有极强的耐腐蚀性，可以降低燃料电池***冷却液离子率，提升燃料电池***的稳定性。

如图1所示，列车空调机组中压缩机的制冷剂出口与冷凝器的制冷剂入口连接，冷凝器的制冷剂出口通过节流阀与蒸发器的制冷剂入口连接，蒸发器的制冷剂出口和压缩机的制冷剂入口连接，图1中列车空调机组的箭头方向表示制冷剂流向。

本发明还涉及一种利用上述集成余热利用的轨道空调控制***的控制方法，包括非制热模式，燃料电池***工作时的第一制热模式和燃料电池***停机时的第二制热模式三种控制模式。

实施例一，当处于第一制热模式时，第三二通阀6开启，根据冷却液温度Ty判定是否需要开启第一二通阀4，当冷却液温度Ty小于冷却液设定控制温度Tys时，第一二通阀4关闭，此时冷却液从冷却液出口2流出，经第二二通阀3进入燃料电池散热器7，而后从冷却液入口8进入燃料电池1进行循环利用。

当冷却液温度Ty大于或等于冷却液设定控制温度Tys时，第一二通阀4开启，第二二通阀3由自主调节的开度更改到根据燃料电池1的输出功率判定。此时一部分冷却液经第二二通阀3进入燃料电池散热器7，另一部分冷却液经第一二通阀4进入换热器5，并经第三二通阀6进入燃料电池散热器7，在此过程中，燃料电池1流出的高温冷却液的热量传递给空气，加热后的空气进入车厢中实现对车厢的制热，流经第二二通阀4和第三二通阀6的冷却液在燃料电池散热器7中汇集并经冷却液入口8进入燃料电池1实现循环利用。

换热器5根据换热量输出分为不同的档位，档位1的换热量输出最高，其余档位换热量输出逐级递减。例如，根据换热量输出将换热器5的档位设置为档位1和档位2，档位1为100％制热能力输出，档位2为50％制热能力输出，进一步的，100％制热能力输出对应20L/min冷却液流量，50％制热能力输出对应10L/min冷却液流量。

本实施例中更优选，根据室内温度Tin与设定温度Ts之间关系判定换热器5的运行档位，具体逻辑如下：

若Tin≥Ts+ΔT时，关闭换热器；

若Tin＜Ts，开启档位1；

其中，ΔT为温度余量，当Ts≤Tin＜Ts+ΔT，开启档位2，进一步的，本实施例将ΔT定义为1。

或者，根据换热量将换热器5的档位设置为档位1、档位2、档位3和档位4，档位1为100％制热能力输出，档位2为75％制热能力输出，档位3为50％制热能力输出，档位4为25％制热能力输出，进一步的，100％制热能力输出对应20L/min冷却液流量，75％制热能力输出对应15L/min冷却液流量，50％制热能力输出对应10L/min冷却液流量，25％制热能力输出对应5L/min冷却液流量。

则根据室内温度Tin与设定温度Ts之间判定换热器5运行档位的逻辑为：

若Tin≥Ts+ΔT时，关闭换热器；

若Tin＜Ts，开启档位1；

Ts≤Tin＜Ts+ΔT1，开启档位2；

Ts+ΔT1≤Tin＜Ts+ΔT2，开启档位3；

Ts+ΔT2≤Tin＜Ts+ΔT，开启档位4；

ΔT1、ΔT2分别为第一温度余量和第二温度余量，进一步的，可将ΔT1和ΔT2分别定义为0.3和0.6。

为避免第一二通阀4和第二二通阀3的冷却液流量分配不均导致燃料电池1反应堆损坏，根据燃料电池1提供的实时输出功率和换热器5档位对第一二通阀4和第二二通阀3的开度进行判定，从而避免由于余热***影响燃料电池***的冷却液循环量，燃料电池1输出功率和换热器5档位与第一二通阀4和第二二通阀3的对应关系预先存储于控制单元(图中未示出)中，控制单元对第一二通阀4和第二二通阀3的开度进行调节。

以燃料电池输出功率每10kW或20kW分一档，换热器5档位分为档位1和档位2为例，第一二通阀4的开度与不同的燃料电池1输出功率P(kW)和换热器5的档位对应关系如下表：

上表中，随燃料电池1输出功率的提高，燃料电池所需冷却液增加，因此从A1至A6，从B1至B6对应的第一二通阀4的开度逐渐减小；由于档位1对应的换热量输出大于档位2对应的换热量输出，因此对应的燃料电池1输出功率相同时，档位1对应的第一二通阀4的开度大于档位2对应的第一二通阀4的开度。

第二二通阀3的开度与不同的燃料电池1输出功率P(kW)和换热器5的档位对应关系如下表：

上表中，随燃料电池输出功率的提高，燃料电池所需冷却液增加，因此从C1至C6，从D1至D6对应的第二二通阀3的开度逐渐增加；由于档位1对应的换热量输出大于档位2对应的换热量输出，因此对应的燃料电池1输出功率相同时，档位1对应的第二二通阀3的开度大于档位2对应的第二二通阀3的开度。

需要说明的是，上述燃料电池1输出功率、换热器5档位与第一二通阀4和第二二通阀3开度的对应关系仅为示例性说明，并非用以限定被发明，当燃料电池1输出功率档位划分和换热器5档位划分与上述表格不同时，燃料电池1输出功率、换热器5档位与第一二通阀4和第二二通阀3开度的对应关系也应属于本发明的保护范围。

优选的，在冷却液设定控制温度Tys设置回差，避免空调***频繁动作，影响客室内舒适性。

优选的，当处于第一制热模式时，对室外温度Tout和室外控制温度Tos进行判定，若室外温度Tout小于或等于室外控制温度Tos，禁止热泵启动从而对压缩机进行保护；若室外温度Tout大于室外控制控制温度Tos，且第一二通阀4处于开启状态时，对室内温度Tin和设定温度Ts的差值进行判定，若升温速率低于预设升温速率，且室内温度Tin小于设定温度Ts，开启热泵***，当达到室内温度达到设定温度时，关闭热泵***。

例如在上述情况下每3min对室内温度Tin进行一次判定，若两次判定之间的温差小于3℃，则其升温速率小于预设升温速率，若此时室内温度Tin小于设定温度Ts，则开启热泵***，优选的，为避免换热器运行一段时间后室内温度Tin大于或等于设定温度Ts导致频繁开关热泵***，热泵***延时开启，进一步的，本实施例的延时设定为8min。

实施例二，当处于第二制热模式，空调机组按正常控制逻辑开启热泵。

实施例三，当处于非制热模式时，第一二通阀4和第三二通阀6全关，第二二通阀3由燃料电池1自主调节开度，此时第三二通阀6处于关闭状态可以避免处于高温的冷却液回流到换热器5中，影响空调制冷效果。

以上所述仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专利的技术人员在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述提示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，上述实施例中的实施方案可以进一步组合或者替换，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明方案的范围内。

Claims (12)

1.一种集成余热利用的轨道空调控制***，其特征在于：包括燃料电池(1)、冷却液出口(2)、第一二通阀(4)、第二二通阀(3)、换热器(5)、燃料电池散热器(7)和冷却液入口(8)，所述第一二通阀(4)设置于冷却液出口(2)和换热器(5)之间，所述第二二通阀(3)设置于冷却液出口(2)和燃料电池散热器(7)之间，冷却液入口(8)和燃料电池散热器(7)连接。

2.根据权利要求1所述的一种集成余热利用的轨道空调控制***，其特征在于：在所述燃料电池散热器(7)和换热器(5)之间设置有第三二通阀(6)。

3.根据权利要求1或2所述的一种集成余热利用的轨道空调控制***，其特征在于：所述换热器(5)采用不锈钢管铝翅片换热器。

4.一种利用权利要求1-3任一项所述的集成余热利用的轨道空调控制***的控制方法，其特征在于：包括非制热模式、燃料电池***工作时的第一制热模式和燃料电池***停机时的第二制热模式三种控制模式；

当处于非制热模式，第一二通阀(4)关闭，第二二通阀(3)由燃料电池***自主调节开度；

当处于第一制热模式时，根据冷却液温度Ty判定是否开启第一二通阀(4)，当冷却液温度Ty小于冷却液设定控制温度Tys时，控制第一二通阀(4)关闭，第二二通阀(3)由燃料电池***自主调节开度；

当冷却液温度Ty大于或等于冷却液设定控制温度Tys时，控制第一二通阀(4)开启，第一二通阀(4)和第二二通阀(3)的开度根据燃料电池(1)的输出功率进行调节。

5.根据权利要求4所述的控制方法，其特征在于：将换热器(5)的换热量输出分为至少两个档位，档位1的换热量输出为100％，之后档位的换热量输出逐级减小。

6.根据权利要求5所述的控制方法，其特征在于：根据室内温度Tin与设定温度Ts之间关系判断换热器的换热量输出档位，

当Tin≥Ts+ΔT时，换热器关闭；

当Tin＜Ts时，运行档位1；

ΔT为温度余量，当Ts≤Tin＜Ts+ΔT时，运行其余档位，室内温度Tin与设定温度Ts的温差越小对应档位的换热量输出越高。

7.根据权利要求5所述的控制方法，其特征在于：燃料电池(1)输出功率分成多个档位，第一二通阀(4)和第二二通阀(3)的开度根据换热器(5)、燃料电池(1)输出功率的档位进行判定。

8.根据权利要求7所述的控制方法，其特征在于：所述第一二通阀(4)和第二二通阀(3)与燃料电池(1)输出功率档位、换热器档位的对应关系预先存储于控制单元中，所述控制单元对第一二通阀(4)、第二二通阀(3)的开度进行调节。

9.根据权利要求4所述的控制方法，其特征在于：处于第一制热模式时，当室外温度Tout小于或等于室外控制温度Tos，禁止热泵启动。

10.根据权利要求4所述的控制方法，其特征在于：处于第一制热模式时，当室外温度Tout大于室外控制温度Tos且第一二通阀(4)开启时，对室内温度Tin与设定温度Ts的差值进行判定，若升温速率小于预设升温速率且室内温度Tin小于设定温度Ts，开启热泵***；当室内温度Tin达到设定温度Ts时，关闭热泵***。

11.根据权利要求4所述的控制方法，其特征在于：在所述冷却液设定控制温度Tys处设置回差。

12.根据权利要求4-11任一项所述的控制方法，其特征在于：当处于第一制热模式时，第三二通阀(6)开启；当处于非制热模式和第二制热模式时，第三二通阀(6)关闭。

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