[發明專利]寒區隧道襯砌太陽能-地源熱泵聯合蓄熱加熱系統及方式

無效

• 申請號: 201310017404.7
• 申請日: 2013-01-17
• 公開（公告）號: CN103090553A
• 公開（公告）日: 2013-05-08
• 發明（設計）人: 張國柱;夏才初;劉松玉;杜延軍;童立元;李仁民
• 申請（專利權）人: 東南大學
• 主分類號: F24J2/00
• 分類號: F24J2/00
• 代理公司: 南京蘇高專利商標事務所(普通合伙) 32204
• 代理人: 柏尚春

技術領域

本發明涉及寒區隧道的防凍保暖，特別是一種寒區隧道襯砌太陽能-地源熱泵聯合蓄熱加熱系統。

背景技術

從寒冷地區的鐵路、公路隧道的使用情況看，凍害現象十分嚴重，引發重大交通事故、導致隧道主體結構報廢等，寒區隧道急需解決洞口段凍害問題。本人的已獲授權的發明專利“隧道洞口段襯砌加熱系統（ZL200910196239.X）”是利用布置于隧道中部深埋段初襯與二襯之間的熱交換管吸收圍巖的地溫能，經地源熱泵設備提升后，實現對隧道洞口段襯砌加熱的節能技術。但卻遇到如下兩個難題：①嚴寒地區隧道圍巖的溫度過低導致熱泵運行效率低或無法啟動；②寒區隧道地源熱泵型加熱系統在供暖期間從圍巖中提取的熱量遠大于在非供暖期間洞內氣體和遠處圍巖向圍巖補給的熱量，導致換熱器周圍的圍巖熱量失去平衡，系統長期運行下的圍巖地溫將逐年下降，熱泵的運行效率也會逐年下降。該項技術對隧址區的氣候條件、工程地質條件和隧道工程條件要求非常高，其應用范圍具有一定的局限性。該項技術對隧道長度也有限制，在中長隧道中不適宜應用。

發明內容

本發明的目的在于克服上述現有技術的缺點，提供一種寒區隧道襯砌太陽能-地源熱泵聯合蓄熱加熱系統，以解決寒區隧道凍害嚴重問題，為隧道安全營運提供保障。

本發明的另一個目的是提供一種寒區隧道襯砌太陽能-地源熱泵聯合蓄熱加熱方式。

本發明采用以下技術方案：

一種寒區隧道襯砌太陽能-地源熱泵聯合蓄熱加熱系統，包括太陽能集熱器、地源熱泵換熱器、地源熱泵設備和供熱管路；

所述地源熱泵換熱器包括多組換熱器，多組換熱器安裝在隧道中部圍巖內，各組換熱器的兩端分別通過出水管路、進水管路與地源熱泵設備取熱端口連成隧道中部圍巖取熱環路；

所述太陽能集熱器的兩端分別通過出水管路、進水管路與地源熱泵換熱器連成隧道中部圍巖蓄熱環路；

所述供熱管路包括多組供熱管，多組供熱管安裝在隧道洞口段的初襯與二襯之間，各組供熱管的兩端分別通過出水管路、進水管路與地源熱泵設備供熱端口連成第一隧道洞口段襯砌供熱環路；

所述太陽能集熱器的兩端分別通過出水管路、進水管路與供熱管路形成第二隧道洞口段襯砌供熱環路。

優選地，所述地源熱泵換熱器為套管式換熱器,且安裝在隧道中部圍巖內的中空錨桿內。

本發明所述太陽能集熱器安裝在隧道洞口附近，所述出水管路、進水管路安裝有保溫套管。

一種上述聯合蓄熱加熱系統的運行方式，包括以下四種方式：

第一種運行方式為夏季太陽能存儲方式，太陽能分兩部分存儲，一部分太陽能通過太陽能集熱器與地源熱泵換熱器串聯成的封閉環路內的傳熱循環流體存儲于錨桿鉆孔周圍的隧道圍巖中，用于冬季供熱；另一部分太陽能通過太陽能集熱器與供熱管路串聯成的封閉環路內的傳熱循環流體存儲于洞口供熱段圍巖中，用于延緩隧道襯砌加熱的起始時間；

第二種運行方式為太陽能獨立供熱方式，利用太陽能集熱器與供熱管路串聯成的封閉環路內的傳熱循環流體加熱隧道襯砌；

第三種運行方式為太陽能-地源熱泵聯合供熱方式，通過太陽能集熱器、地源熱泵換熱器和地源熱泵設備取熱端口串聯成的封閉環路內的傳熱循環流體吸收圍巖中的熱量，經地源熱泵設備加熱提升后，通過地源熱泵設備供熱端口和供熱管路串聯成的封閉環路內的傳熱循環流體加熱隧道襯砌；

第四種運行方式為地源熱泵獨立供熱模式，通過地源熱泵換熱器和地源熱泵設備取熱端口串聯成封閉的封閉環路內的傳熱循環流體吸收圍巖中的熱量，經地源熱泵設備加熱提升后，通過地源熱泵設備供熱端口和供熱管路串聯成的封閉環路內的傳熱循環流體加熱隧道襯砌。

寒區隧道襯砌太陽能-地源熱泵聯合蓄熱加熱系統工作原理如下：在夏季，將強烈的太陽能分別存儲于隧道中部錨桿鉆孔周圍的圍巖中和隧道洞口段供熱管周圍的圍巖中，隧道錨桿鉆孔周圍的圍巖中存儲的太陽能用于彌補冬季供熱從圍巖中取走的熱量，及時對圍巖地溫能進行補充，避免因長期取熱而導致圍巖地溫逐年下降。而隧道洞口段供熱管周圍的圍巖中存儲的太陽能則用于延緩隧道襯砌的起始加熱時間，減少隧道襯砌加熱負荷；在冬季，實現太陽能和地源熱泵聯合供熱，以太陽能供熱為主，充分利用太陽能，地源熱泵供熱為輔。