能源隧道层埋式地温能热交换系统的制作方法

本发明涉及隧道围岩领域，尤其是一种能源隧道层埋式地温能热交换系统。

背景技术：

在地球浅表层数百米内的土壤温度随深度呈递增趋势，深度每增加100米地温升高约3-5℃，地下1000米处的地温约为40-50℃，埋深数百米的山岭隧道围岩内储存着巨大的地温能。现有的隧道围岩地温能提取技术有两种，一种是直接收集隧道围岩内的地热水，该技术属于被动提取技术，但该技术仅适用于地下水丰富的地区，在地下水量小或无地下水的地区则无法应用；另外一种是在隧道二衬与初衬之间埋设热交换管，通过管内的传热循环介质与围岩之间的温差提取隧道围岩地温能，该技术属于主动提取技术，不受气候条件限制，但该技术需要额外铺设热交换管路，增加建造成本和施工工期，热交换管管壁导热性不佳，导致热交换管的换热效率低。

技术实现要素：

为了克服现有隧道围岩地热水汇集技术无法应用于隧道全断面围岩地温能的提取，而铺设热交换管路会增加工程建造成本和拖延施工工期等难题，本发明提供一种适用性良好、换热效率更高、节省成本和节约施工周期的能源隧道层埋式地温能热交换系统。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种能源隧道层埋式地温能热交换系统，该隧道包括隧道初衬、隧道二衬、隧道仰拱和路面，路面上方为所述隧道初衬和隧道二衬，所述回填层位于所述隧道仰拱上，在所述隧道初衬和隧道二衬之间、所述隧道仰拱和回填层之间均设置热交换层，路面上方、下方的热交换层之间通过转换接头连接，所述热交换层的入水口与供水管连通，所述热交换层的回水口与回水管连通，所述供水管和回收管均与用户端或热泵连接形成封闭循环管路。

进一步，路面下方的热交换层上方设置下防水层，路面上方的热交换层内外设置上防水层。

再进一步，所述下防水层与所述回填层的底面相接；所述上防水层包括所述隧道初衬与热交换层之间的喷射防水层和所述热交换层与隧道二衬之间的复合式防水板。当然，也可以采用其他防水方式。

更进一步，所述热交换层内设置止水隔断，所述止水隔断将所述热交换层进行分区，每个分区分别与各自的供水管和回收管连通形成封闭循环子系统。

优选的，所述止水隔断的一端设有缺口，带有缺口的止水隔断相邻的分区相互贯通。

再进一步，相邻止水隔断的缺口错位布置。通过增设缺口数量可以获得任意长度的热交换器。

所述热交换层内填充透水材料，可以形成透水层。

所述回填层为轻量土回填层。

本发明的技术构思为：鉴于现有的隧道围岩地热水汇集技术无法应用于隧道全断面围岩地温能的提取，而铺设热交换管路会增加工程建造成本和拖延施工工期等难题，本发明提出了一种新型地温能提取技术。该技术在隧道全断面设置一层热交换层，路面以上的热交换层设置在隧道二衬与初衬之间，而位于路面下方的热交换层设置在仰拱上方，路面上、下方的热交换层通过转换接头、供水管和回水管密封连接，形成封闭的循环换热系统，通过热交换层内的循环流体提取隧道围岩内的地温能。每组换热系统的换热路径和长度可以通过设置止水隔断的不同组合获得；隧道二衬内表面铺设一定厚度的保温层，路基与仰拱之间的空间由轻量土回填，减少地温能流失。

所述热交换层的每个分区中，位于两边的止水隔断通长布置，而位于中间的隔断一段设置缺口，带有缺口的止水隔断相邻的分区相互贯通；止水隔断的缺口设置为交错布置，增设缺口数量可以获得任意长度的热交换器。

本发明的有益效果主要表现在：利用热交换层内的循环流动的传热介质提取隧道围岩内的地温能，解决了传统的收集地热水的被动提取技术只能应用于地下水丰富的隧道，对于欠发育和无地下水的隧道则不适用的难题，与传统的埋设热交换管系统的主动提取技术相比，热交换层内的循环流动水直接吸收围岩中的地温能，换热效率更高。该系统无需铺设热交换管，节省了大量的建造成本，节约了施工工期。

附图说明

图1为能源隧道层埋式地温能热交换系统的横断面图。

图2为路面上方热交换层平面展开图。

图3为路面下方热交换层平面展开图。

图4为供、回水管与水泵的连接图。

图中 1为隧道初衬；21为喷射防水层；22为复合防水板；23为下防水层；3为热交换层；4为隧道二衬；5为保温板；6为转换接头；7为供水管；8为回水管；9为入水口；10为回水口；11为止水隔断；12为回填层；13为水泵；14为用户端；15为路面。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。

参照图1～图4，一种能源隧道层埋式地温能热交换系统，该隧道包括隧道初衬1、隧道二衬4、隧道仰拱和路面15，路面15上方为所述隧道初衬1和隧道二衬4，路面下方为回填层12，所述回填层12位于所述隧道仰拱上，在所述隧道初衬1和隧道二衬4之间、所述隧道仰拱和回填层12之间均设置热交换层3，路面上方、下方的热交换层3之间通过转换接头6连接，所述热交换层3的入水口9与供水管7连通，所述热交换层3的回水口10与回水管8连通，所述供水管7和回收管8均与用户端或热泵连接形成封闭循环管路。

进一步，路面下方的热交换层上方设置下防水层23，路面上方的热交换层内外设置上防水层。

再进一步，所述下防水层23与所述回填层12的底面相接；所述上防水层包括所述隧道初衬1与热交换层3之间的喷射防水层21和所述热交换层3与隧道二衬4之间的复合式防水板22。当然，也可以采用其他防水方式。

更进一步，所述热交换层3内设置止水隔断11，所述止水隔断11将所述热交换层3进行分区，每个分区分别与各自的供水管和回收管连通形成封闭循环子系统。

优选的，所述止水隔断11的一端设有缺口，带有缺口的止水隔断相邻的分区相互贯通。

再进一步，相邻止水隔断11的缺口错位布置。通过增设缺口数量可以获得任意长度的热交换器。

所述热交换层3内填充透水材料，可以形成透水层。

所述回填层12为轻量土回填层。

所述隧道二衬4的混凝土结构内掺加用于限制高地温围岩与洞内空气之间传热的相变材料。

所述隧道二衬4的内壁设置保温板5。

本实施例的能源隧道层埋式地温能热交换系统，该系统由热交换层、止水隔断、防水层、供水管、回水管、转换接头、轻量土保温回填层、保温层和水泵组成，位于路面上方的热交换层布设于隧道初衬和二衬之间，位于路面下方的热交换层则布设于仰拱上方，路面上、下方的热交换层通过转换接头连接；

利用止水隔断11对热交换层进行分割，各分区的热交换层分别与供水管和回水管进行连接形成封闭循环系统；通过改变止水隔断之间的组合可以获得任意长度的热交换器；

通过循环水泵13连接供水管7、回水管8和用户端14，形成封闭循环系统。

本实施例的能源隧道层埋式地温能热交换系统的施工过程为：

①施工隧道仰拱，并在仰拱上安置止水隔断，对路面下方的热交换层进行分区；

②施做路面下方的热交换层；

③施做下防水层；

④浇注轻量土保温回填层；

⑤施做路基路面层；

⑥在隧道初衬表面施做一定厚度的喷射防水层21；在喷射防水层21上安装止水隔断，对路面上方的热交换层进行分区；

⑦施做路面上方的热交换层，安装转换接头，连接路面上、下方的热交换层；

⑧安装供水管和回水管，与热交换层进行密封连接；

⑨浇注隧道二衬相变混凝土，安装隧道保温板和防火板；

⑩通过循环水泵连接供水管、回水管和用户端，形成封闭循环系统。

在实际应用中，如果地温较高，则直接应用，即通过循环水泵与用户端连接形成循环管路；如果地温不够高，不能直接利用，则需要热泵设备提升，即供水管和回水管与热泵连接形成循环管路。