寒区隧道路面太阳能-地源热泵联合蓄热加热系统技术方案

本发明专利技术公开了一种寒区隧道路面太阳能-地源热泵联合蓄热加热系统，包括太阳能集热器、供热管路、地源热泵换热器和地源热泵设备。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，各自形成隧道洞口段路面的供热环路。本发明专利技术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隧道围岩中，用于冬季供热，实现了太阳能跨季利用。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及寒区隧道的防冻保暖，特别是一种寒区隧道路面太阳能-地源热泵联合蓄热加热系统。
技术介绍
由寒区隧道洞口段路面结冰导致的交通事故屡见不鲜，因此寒区隧道急需解决洞口段路面冻害问题。现有的寒区隧道路面加热系统有电加热系统和地温能加热系统两种。寒区隧道路面电加热系统需要消耗大量的电能，高额的运行费用给隧道运营管理带来巨大的经济负担。日本研究人员提出的寒区隧道路面地温能加热系统利用在隧道中部路面下1.2米处埋设水平单U管吸收围岩地温能，实现对隧道洞口段路面加热，但该技术对隧道长度、隧址区气象和地温等要求非常高，对于冻深大和气温低的严寒隧道，该技术则无法应用。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种寒区隧道路面太阳能-地源热泵联合蓄热加热系统，以解决寒区隧道路面冻害严重问题，为隧道营运提供保障。本专利技术采用以下技术方案:一种寒区隧道路面太阳能-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，多组供热管铺设于隧道洞口段路面保温层和路面结构基层之间，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路面供热环路；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路面供热环路。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。本专利技术所述太阳能集热器安装在隧道洞口附近。所述出水管路、进水管路安装保温套管。寒区隧道路面太阳能-地源热泵联合蓄热加热系统工作原理:在非供暖期，将强烈的太阳能存储于隧道中部锚杆钻孔周围的隧道围岩中，实现太阳能的跨季利用。在供暖期，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。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。本专利技术的有益效果:寒区隧道路面太阳能-地源热泵联合蓄热供暖系统属于主动供暖，可以彻底避免路面积水冻结的发生。与电加热系统相比，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；与日本研究人员提出的寒区隧道路面地温能加热系统相比，本专利技术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，与安装于路面下1.2深处的水平单U型热交换器相比，本专利技术中的安装于隧道围岩内的中空锚杆内的热交换器可以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，不受隧道长度限制。附图说明图1寒区隧道路面加热系统工作原理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为洞口段供热管路平面布置图。具体实施例方式参见图1至图5，寒区隧道路面太阳能-地源热泵联合蓄热供暖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18，铺挂防水板和浇注二衬19混凝土，随后施作隧道保温层20 ；4、在洞口段路基上方施作整平层17，在整平层17上方铺设一定厚度的保温板，作为隧道路面保温层16，并在保温板上方铺设供热管路8 ;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并联同程相连，与地源热泵设备5供热端连成供热环路，随后施作路面基层15和面层14 ；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。寒区隧道路面太阳能-地源热泵蓄热加热系统，包括太阳能集热器13、供热管路8、地源热泵换热器2和地源热泵设备5。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，利用太阳能集热器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将太阳能存储于锚杆钻孔12周围的隧道围岩中；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路面；第三种模式为太阳能-地源热泵联合供热模式，利用太阳能集热器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串联成的封闭管路内的传热循环流体加热隧道路面；第四种模式为地源热泵独立供热模式，利用地源热泵换热器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串联成的封闭管路内的循环传热流体加热隧道路面。应当指出，对于本
的普通技术人员来说，在不脱离本专利技术原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本专利技术的保护范围。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。本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种寒区隧道路面太阳能?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，多组供热管铺设于隧道洞口段路面保温层和路面结构基层之间，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路面供热环路；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路面供热环路。

【技术特征摘要】
1.一种寒区隧道路面太阳能-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...

【专利技术属性】
技术研发人员：张国柱，夏才初，刘松玉，杜延军，童立元，李仁民，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：