专利名称：寒区隧道衬砌太阳能-地源热泵联合蓄热加热系统及方式的制作方法
技术领域：
本发明涉及寒区隧道的防冻保暖，特别是一种寒区隧道衬砌太阳能-地源热泵联合蓄热加热系统。
背景技术：
从寒冷地区的铁路、公路隧道的使用情况看，冻害现象十分严重，引发重大交通事故、导致隧道主体结构报废等，寒区隧道急需解决洞口段冻害问题。本人的已获授权的发明专利“隧道洞口段衬砌加热系统(ZL200910196239.X)”是利用布置于隧道中部深埋段初衬与二衬之间的热交换管吸收围岩的地温能，经地源热泵设备提升后，实现对隧道洞口段衬砌加热的节能技术。但却遇到如下两个难题:①严寒地区隧道围岩的温度过低导致热泵运行效率低或无法启动；②寒区隧道地源热泵型加热系统在供暖期间从围岩中提取的热量远大于在非供暖期间洞内气体和远处围岩向围岩补给的热量，导致换热器周围的围岩热量失去平衡，系统长期运行下的围岩地温将逐年下降，热泵的运行效率也会逐年下降。该项技术对隧址区的气候条件、工程地质条件和隧道工程条件要求非常高，其应用范围具有一定的局限性。该项技术对隧道长度也有限制，在中长隧道中不适宜应用。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种寒区隧道衬砌太阳能-地源热泵联合蓄热加热系统，以解决寒区隧道冻害严重问题，为隧道安全营运提供保障。本发明的另一个目的是提供一种寒区隧道衬砌太阳能-地源热泵联合蓄热加热方式。本发明采用以下技术方案:一种寒区隧道衬砌太阳能-地源热泵联合蓄热加热系统，包括太阳能集热器、地源热泵换热器、地源热泵设备和供热管路；所述地源热泵换热器包括多组换热器，多组换热器安装在隧道中部围岩内，各组换热器的两端分别通过出水管路、进水管路与地源热泵设备取热端口连成隧道中部围岩取热环路；所述太阳能集热器的两端分别通过出水管路、进水管路与地源热泵换热器连成隧道中部围岩蓄热环路；所述供热管路包括多组供热管，多组供热管安装在隧道洞口段的初衬与二衬之间，各组供热管的两端分别通过出水管路、进水管路与地源热泵设备供热端口连成第一隧道洞口段衬砌供热环路；所述太阳能集热器的两端分别通过出水管路、进水管路与供热管路形成第二隧道洞口段衬砌供热环路。优选地，所述地源热泵换热器为套管式换热器，且安装在隧道中部围岩内的中空锚杆内。
本发明所述太阳能集热器安装在隧道洞口附近，所述出水管路、进水管路安装有
保温套管。一种上述联合蓄热加热系统的运行方式，包括以下四种方式:第一种运行方式为夏季太阳能存储方式，太阳能分两部分存储，一部分太阳能通过太阳能集热器与地源热泵换热器串联成的封闭环路内的传热循环流体存储于锚杆钻孔周围的隧道围岩中，用于冬季供热；另一部分太阳能通过太阳能集热器与供热管路串联成的封闭环路内的传热循环流体存储于洞口供热段围岩中，用于延缓隧道衬砌加热的起始时间；第二种运行方式为太阳能独立供热方式，利用太阳能集热器与供热管路串联成的封闭环路内的传热循环流体加热隧道衬砌；第三种运行方式为太阳能-地源热泵联合供热方式，通过太阳能集热器、地源热泵换热器和地源热泵设备取热端口串联成的封闭环路内的传热循环流体吸收围岩中的热量，经地源热泵设备加热提升后，通过地源热泵设备供热端口和供热管路串联成的封闭环路内的传热循环流体加热隧道衬砌；第四种运行方式为地源热泵独立供热模式，通过地源热泵换热器和地源热泵设备取热端口串联成封闭的封闭环路内的传热循环流体吸收围岩中的热量，经地源热泵设备加热提升后，通过地源热泵设备供热端口和供热管路串联成的封闭环路内的传热循环流体加热隧道衬砌。寒区隧道衬砌太阳能-地源热泵联合蓄热加热系统工作原理如下:在夏季，将强烈的太阳能分别存储于隧道中部锚杆钻孔周围的围岩中和隧道洞口段供热管周围的围岩中，隧道锚杆钻孔周围的围岩中存储的太阳能用于弥补冬季供热从围岩中取走的热量，及时对围岩地温能进行补充，避免因长期取热而导致围岩地温逐年下降。而隧道洞口段供热管周围的围岩中存储的太阳能则用于延缓隧道衬砌的起始加热时间，减少隧道衬砌加热负荷；在冬季，实现太阳能和地源热泵联合供热，以太阳能供热为主，充分利用太阳能，地源热泵供热为辅。本发明的有益效果:寒区隧道衬砌太阳能-地源热泵联合蓄热加热系统属于主动供暖，可以彻底避免隧道冻害的发生。与本人已授权的发明专利“隧道洞口段衬砌加热系统(ZL200910196239.X)”相比，本发明将太阳能与地源热泵结合，充分发挥各自优势，弥补各自不足，围岩经过蓄热和取热过程，热交换器周围的热量又恢复到了原来甚至更高的水平，提高了热泵低温热源的温度，热泵的供暖性能得到提升，供热管路周围的围岩中存储的太阳能可延缓隧道衬砌的起始加热时间，减少隧道衬砌加热负荷。将地源热泵换热器安装在隧道围岩内的中空锚杆内，提取更深处围岩的热量，削弱了洞内气温对热交换器蓄热和取热效果的影响，在应用中不受隧道长度限制。从前期建设投资和后期运营两方面与其他防冻措施进行经济对比分析，与防寒泄水洞相比，初期建设投资可节省60%以上；与电锅炉加热系统相比，年运行费用可节省75%以上。将地源热泵换热器安装在隧道围岩内的中空锚杆内，从而替代传统的垂直钻孔，不占地，节省初期投资。而且与普通燃料锅炉相比，无C02排放。
图1为寒区隧道衬砌太阳能-地源热泵联合蓄热加热系统工作原理图。图2为锚杆钻孔内套管式换热器布置横断面图。图3为图2中A放大图。图4为图2中B放大图。图5为洞口段供热管布置横断面图。
具体实施例方式参见图1至图5，隧道衬砌太阳能-地源热泵联合蓄热加热系统包括太阳能集热器13、地源热泵换热器2、地源热泵设备5和供热管路8。寒区隧道衬砌太阳能-地源热泵联合蓄热加热系统可按如下步骤实施:1、在隧洞爆破开挖完成后，向围岩I内打设锚杆钻孔12，将地源热泵换热器2直接安装于锚杆钻孔12内的中空锚杆内；2、将每个锚杆钻孔12内的地源热泵换热器2的进、出口分别与第一出水总管3和第一进水总管4并联同程相连，与地源热泵设备5取热端口连成取热环路；3、管路连接完成后，施作隧道初衬14，铺挂防水板和浇注二衬15混凝土，随后施作隧道保温层16 ；4、在铺挂防水板前，首先在初衬14表面铺设供热管路8，并利用管线夹将供热管8固定在初衬14表面,随后即可施作防水板、二衬15和保温层16 ；5、将供热管路8的进、出口分别与第二出水总管6和第二进水总管7相连，与地源热泵设备5供热端口连成供热环路；6、在隧道洞口附近安装太阳能集热器13，通过第三出水总管10和第三进水总管11与供热管路8形成供热环路；7、通过转换开关9实现第三出水总管10与第一出水总管3和第二进水总管7之间的转换连接，以及第三进水总管11与第一进水总管4和第二出水总管6之间的转换连接。8、在系统满足密封性测试要求后，对进、出水总管及外露管路安装保温套管。系统有4种运行模式，通过转换开关9来选择:第一种运行模式为夏季太阳能存储模式，太阳能分两部分存储，一部分太阳能通过太阳能集热器13与地源热泵换热器2串联成的封闭环路内的传热循环流体存储于锚杆钻孔12周围的隧道围岩中，用于冬季供热，令一部分太阳能通过太阳能集热器13与供热管路8串联成的封闭环路内的传热循环流体存储于洞口供热段围岩中，用于延缓隧道衬砌加热的起始时间；第二种模式为太阳能独立供热模式，利用太阳能集热器13与供热管路8串联成的封闭环路内的传热循环流体加热隧道衬砌；第三种模式为太阳能-地源热泵联合供热模式，通过太阳能集热器13、地源热泵换热器2和地源热泵设备5取热端口串联成的封闭环路内的传热循环流体吸收围岩中的热量，经地源热泵设备5加热提升后，通过地源热泵设备5供热端口和供热管路8串联成的封闭环路内的传热循环流体加热隧道衬砌；第四种模式为地源热泵独立供热模式；通过地源热泵换热器2和地源热泵设备5取热端口串联成封闭的封闭环路内的传热循环流体吸收围岩中的热量，经地源热泵设备5加热提升后，通过地源热泵设备5供热端口和供热管路8串联成的封闭环路内的传热循环流体加热隧道衬砌。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。本实施例中未明确的各组成部分均可用现有技术加以实现。
权利要求
1.一种寒区隧道衬砌太阳能-地源热泵联合蓄热加热系统，其特征在于:包括太阳能集热器、地源热泵换热器、地源热泵设备和供热管路； 所述地源热泵换热器包括多组换热器，多组换热器安装在隧道中部围岩内，各组换热器的两端分别通过出水管路、进水管路与地源热泵设备取热端口连成隧道中部围岩取热环路； 所述太阳能集热器的两端分别通过出水管路、进水管路与地源热泵换热器连成隧道中部围岩蓄热环路； 所述供热管路包括多组供热管，多组供热管安装在隧道洞口段的初衬与二衬之间，各组供热管的两端分别通过出水管路、进水管路与地源热泵设备供热端口连成第一隧道洞口段衬砌供热环路； 所述太阳能集热器的两端分别通过出水管路、进水管路与供热管路形成第二隧道洞口段衬砌供热环路。
2.一种权利要求1所述寒区隧道衬砌太阳能-地源热泵联合蓄热加热系统的运行方式，其特征在于:包括以下四种方式: 第一种运行方式为夏季太阳能存储方式，太阳能分两部分存储，一部分太阳能通过太阳能集热器与地源热泵换热器串联成的封闭环路内的传热循环流体存储于锚杆钻孔周围的隧道围岩中，用于冬季供热；另一部分太阳能通过太阳能集热器与供热管路串联成的封闭环路内的传热循环流体存储于洞口供热段围岩中，用于延缓隧道衬砌加热的起始时间； 第二种运行方式为太阳能独立供热方式，利用太阳能集热器与供热管路串联成的封闭环路内的传热循环流体加热隧道衬砌； 第三种运行方式为太阳能-地源热泵联合供热方式，通过太阳能集热器、地源热泵换热器和地源热泵设备取热端口串联成的封闭环路内的传热循环流体吸收围岩中的热量，经地源热泵设备加热提升后，通过地源热泵设备供热端口和供热管路串联成的封闭环路内的传热循环流体加热隧道衬砌； 第四种运行方式为地源热泵独立供热模式，通过地源热泵换热器和地源热泵设备取热端口串联成封闭的封闭环路内的传热循环流体吸收围岩中的热量，经地源热泵设备加热提升后，通过地源热泵设备供热端口和供热管路串联成的封闭环路内的传热循环流体加热隧道衬砌。
3.根据权利要求1所述的寒区隧道衬砌太阳能-地源热泵联合蓄热加热系统，其特征在于:所述地源热泵换热器为套管式换热器，且安装在隧道中部围岩内的中空锚杆内。
全文摘要
本发明公开了一种寒区隧道衬砌太阳能-地源热泵联合蓄热加热系统及方式，包括太阳能集热器、地源热泵换热器、地源热泵设备和供热管路。其中地源热泵换热器分别与太阳能集热器和地源热泵设备连接，各自形成隧道中部围岩的蓄热环路和取热环路，供热管路分别与太阳能集热器和地源热泵设备连接，形成隧道洞口段围岩的蓄热环热和隧道洞口段衬砌的供热环路。将地源热泵换热器安装在隧道中部围岩内的中空锚杆内，从而替代传统地源热泵埋管所需的地下钻孔，不占地、节省初期投资，将夏季太阳能存储于热交换器和供热管周围的隧道围岩中，用于隧道抗防冻，实现了太阳能跨季利用。
文档编号F24J2/00GK103090553SQ20131001740
公开日2013年5月8日 申请日期2013年1月17日 优先权日2013年1月17日
发明者张国柱, 夏才初, 刘松玉, 杜延军, 童立元, 李仁民 申请人:东南大学