基于围岩跨季节储热技术的能源隧道自防冻结构及方法

摘要

本发明公开了一种基于围岩跨季节储热技术的能源隧道自防冻结构及方法，结构包括热管、热交换管路、太阳能换热器、围岩温度监测系统、储热自动化控制系统，所述太阳能换热器安装于隧道外部，并受储热自动化控制系统控制，所述热交换管路通过分水管和集水管与太阳能换热器相连接，热交换管路埋设于隧道初衬与防水板之间，所述热管的一端埋入隧道初衬内，另一端埋入围岩内，所述热管靠近围岩的一端安装有温度传感器，所有温度传感器组成围岩温度监测系统。本发明通过在围岩内布设热管以将热能储存至不同深度的围岩中，突破了传统能源隧道防冻技术只从衬砌附近提取地热能的局限性，充分利用隧道围岩的储能空间，以低能耗解决隧道冻害问题。

说明书

技术领域

本发明涉及能源隧道的自防冻技术领域，特别涉及一种基于围岩跨季节储热技术的能源隧道自防冻结构及方法。

背景技术

能源隧道技术是新型的浅层地热能开发技术，将地源热泵热交换系统布置于隧道结构内，利用管内传热循环介质提取隧道围岩内的浅层地热能，用于隧道自身及周围建筑的供热和制冷，具有建造成本低和节省空间等优点。另外，具有一定长度的隧道，可以使用地源热泵系统采集隧道中部的浅层地热能，将主回路布置在温度较高的位置，将次回路布置在容易发生冻害的位置。能源隧道可以以较低的能耗解决隧道冻害问题。

然而，在工程应用中发现，传统的能源隧道防冻技术受外界气温影响较大。在冬季，由于地表温度较低，地源热泵系统的传热效率下降，从而影响隧道防冻效果。此外，在实际应用中，地热能的分布往往比较分散，需要在隧道内部多次进行热交换才能提取到足够的热能，且隧道围岩的导热性较差，使得地热能的提取效率降低，影响隧道防冻性能。

另外，各国学者针对不同围岩条件下能源隧道换热系统的换热潜力和经济效益等问题，开展了许多基于实际项目的可行性研究。研究表明，常规能源隧道单位面积围岩的换热量不高，数值由18 W/m

发明内容

本发明的目的在于针对背景技术中提出的问题，提供一种基于太阳能换热器实现围岩跨季节储热的能源隧道自防冻结构及方法，实现热能的跨季节利用，并通过在围岩内布设热管以将热能储存至不同深度的围岩中，突破了传统能源隧道防冻技术只从衬砌附近提取地热能的局限性，充分利用隧道围岩的储能空间，以低能耗解决隧道冻害问题。

为了实现上述目的，本发明提供以下技术方案：

一种基于围岩跨季节储热技术的能源隧道自防冻结构，包括热管、热交换管路、太阳能换热器、围岩温度监测系统、储热自动化控制系统，

所述太阳能换热器安装于隧道外部，并受储热自动化控制系统控制；

所述热交换管路沿隧道长度方向埋设于隧道初衬与防水板之间，通过分水管和集水管与所述太阳能换热器相连接；

所述热管的一端埋入隧道初衬内，另一端埋入围岩内，热管靠近围岩的一端安装有温度传感器，所有温度传感器组成围岩温度监测系统；

在夏季，当隧道外部气温升高到一定温度时，储热自动化控制系统自动开启隧道外部的太阳能换热器，太阳能换热器吸收的热能再由分水管和集水管通过隧道初衬与防水板之间的热交换管路传入隧道初衬，并通过热管将热能储存至围岩内，同时围岩温度监测系统对围岩温度进行实时监测，当围岩达到一定温度时，储热自动化控制系统自动关闭太阳能换热器，停止储热；

在冬季，围岩内的热能由热管缓慢释放至隧道初衬，使隧道初衬温度升高，达到自防冻的效果。

所述热管的类型为重力热管，安装在围岩中空锚杆内，或者直接安装于围岩钻孔内，且布置在围岩拱脚处。

所述热管包括储热热管和放热热管，考虑到重力热管可以将蒸发段的热量传至冷凝段的工作原理，储热热管和放热热管在安装时以一定倾角沿隧道轴向相间布置，最小间隔为1 m，储热热管为负倾角，放热热管为正倾角，倾角范围为±15～45度，以确保热管中的冷凝工质可依靠重力作用回流到蒸发段，进行循环传热。

所述热管长度不同，包括中温储热热管和高温储热热管，所述中温储热热管布置在围岩的储热中温区，所述中温储热热管的工作温度为20°C以上；

所述高温储热热管布置在围岩的储热高温区，所述高温储热热管的工作温度为30°C以上；

所述储热中温区为距离初衬表面0～5m处的围岩，储热高温区为距离初衬表面5～10m处的围岩。

热管布置完成后，在隧道二衬表面铺设保温隔热层，以减小围岩中热量的散失。

本发明进一步公开了一种基于围岩跨季节储热技术的能源隧道自防冻方法，基于所述基于围岩跨季节储热技术的能源隧道自防冻结构，夏季时储热自动化控制系统对围岩进行储热的过程分为两步，即先对储热中温区进行储热、后对储热高温区进行储热；储热温度的不同依靠储热自动化控制系统对太阳能换热器的功率调节来实现；具体流程如下：

首先对储热中温区进行储热，当围岩温度监测系统测得储热中温区围岩温度达到18～20°C时，储热自动化控制系统增大太阳能换热器的功率，从而对储热高温区进行储热；

当围岩温度监测系统测得储热高温区围岩温度达到28～30°C时，储热自动化控制系统关闭太阳能换热器，停止储热。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

本发明将太阳能换热器和能源隧道技术相结合，并引入重力热管，实现围岩的跨季节储热，解决了传统能源隧道防冻方法由于隧道围岩的导热性较差，地热能分布较分散，且提取效率受外界气温影响较大，防冻性能一般的问题，提高能源利用效率，解决能源隧道冻害问题，延长隧道的使用寿命，具有重要意义。

附图说明

图1为本发明的基于太阳能换热器实现围岩跨季节储热的能源隧道自防冻结构的断面图；

图2为采用此结构的能源隧道的剖面图；

图中：热管1，热交换管路2，隧道初衬3，防水板4，隧道二衬5，保温隔热层6，太阳能换热器7，分水管8，集水管9，围岩10，温度传感器11，储热自动化控制系统12。

实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例

一种基于太阳能换热器实现围岩跨季节储热的能源隧道自防冻结构，如图1所示，包括热管1、热交换管路2、太阳能换热器7、围岩温度监测系统、储热自动化控制系统12，所述太阳能换热器7安装于隧道外部，并受储热自动化控制系统12控制，所述热交换管路2通过分水管8和集水管9与太阳能换热器7相连接，所述热交换管路2埋设于隧道初衬3与防水板4之间，所述热管1的一端埋入隧道初衬3内，所述热管1的另一端埋入围岩10内，所述热管1靠近围岩10的一端安装有温度传感器11，所有温度传感器11组成围岩温度监测系统；

首先，在夏季，当隧道外部气温升高到一定温度时，储热自动化控制系统12自动开启隧道外部的太阳能换热器7，太阳能换热器7吸收的热能再由分水管8和集水管9通过隧道初衬3与防水板4之间的热交换管路2传入隧道初衬3，并通过热管1将热能储存至围岩10内，同时围岩温度监测系统对围岩温度进行实时监测，当围岩10达到30°C时，储热自动化控制系统12自动关闭太阳能换热器7，停止储热；其次，在冬季，围岩10内的热能由热管1缓慢释放至隧道初衬3，使隧道初衬3温度升高，达到自防冻的效果。

所述热管1的类型为重力热管，可以安装在围岩中空锚杆内，也可直接安装于围岩钻孔内。考虑到隧道冻害多发生在拱脚处，主要在拱脚围岩内布置热管。

实施例

作为本发明的另外一个实施例，该实施例与实施例1的区别在于，所述热管1包括储热热管和放热热管，考虑到重力热管可以将蒸发段的热量传至冷凝段的工作原理，储热热管和放热热管在安装时以一定倾角沿隧道轴向相间布置，最小间隔为1 m，储热热管为负倾角，放热热管为正倾角，倾角范围为±15～45度，以确保热管中的冷凝工质可依靠重力作用回流到蒸发段，进行循环传热。

实施例

作为本发明的另外一个实施例，该实施例与实施例1的区别在于，所述热管1长度不同，包括中温储热热管和高温储热热管，所述中温储热热管被安装于储热中温区，所述高温储热热管被安装于储热高温区。储热中温区为距离初衬表面0～5m处的围岩，储热高温区为距离初衬表面5～10m处的围岩。所述中温储热热管的工作温度为20°C以上；所述高温储热热管的工作温度为30°C以上。

实施例

作为本发明的另一个实施例，该实施例是在上述实施例的基础上的进一步优化，热管1布置完成后，在隧道二衬5表面铺设保温隔热层6，以最大限度减小围岩10中热量的散失。

本发明的工作原理：

夏季时储热自动化控制系统12对围岩进行储热的过程分为两步，即先对储热中温区进行储热、后对储热高温区进行储热。储热温度的不同可以依靠储热自动化控制系统12对太阳能换热器7的功率调节来实现。具体流程如下：首先对储热中温区进行储热，当围岩温度监测系统测得储热中温区围岩温度达到18～20°C时，储热自动化控制系统12增大太阳能换热器7的功率，从而对储热高温区进行储热，当围岩温度监测系统测得储热高温区围岩温度达到28～30°C时，储热自动化控制系统12关闭太阳能换热器7，停止储热。需要注意的是，在实际操作中，围岩温度的变化会受到多种因素的影响，如气象条件、隧道结构形式、材料等，因此，具体的关闭温度需要根据实际情况进行确定。

重力热管利用重力和热传导原理来传输热能，具有高效传输、节省能源、简单易维护、适应多种环境等优势。通过在围岩中布设不同长度的重力热管，将热能储存在不同深度的围岩中，突破了传统能源隧道防冻技术只从衬砌附近提取地热能的局限性，可以充分发挥隧道围岩的储能空间。

利用热管和太阳能换热器来实现跨季节储热。在夏季，太阳能换热器吸收太阳能热能，通过分水管和集水管将热能传入隧道初衬，并储存在围岩内。在冬季，围岩内的热能通过热管缓慢释放至隧道初衬，达到自防冻的效果。这种结构实现了热能的高效储存和释放，降低了能源消耗，具有高效、环保、节能等优点。

以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。