[发明专利]寒区隧道衬砌太阳能-地源热泵联合蓄热加热系统及方式

说明书

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。