道路能源——地缘热泵系统在寒区隧道防冻中的应用

陈明全，孟祥忠

(重庆交通大学机电与车辆工程学院，重庆400074)



道路能源
——地缘热泵系统在寒区隧道防冻中的应用

陈明全，孟祥忠

(重庆交通大学机电与车辆工程学院，重庆400074)

摘要：为了探索一种新的针对我国不同寒区类型而形成的具有适应性的防冻系统，本文主要介绍道路能源应用板块。采用道路能源应用系统不仅可以对隧道防冻，还可以利用太阳能实现对地热温度场的恢复和提高；是一种最节能的防冻措施，不仅在节能和效果上比传统方式要明显之外还增加隧道稳定性和使用寿命。

关键词：道路能源地源热泵隧道防冻节能

引言

随着我国西部大开发的进程,位于寒区的交通隧道数量还会继续增加,伴随而来的隧道冻害问题会更多更加突出,探索科学防治隧道冻害的技术措施十分紧迫。目前更多采用的是简单的被动措施,但是对于干寒和高寒这两种类型的寒区,其大多数温度都处于0度以下,而且夏秋季节昼夜温差比较大,导致隔热材料长期处于冷热应力交替状态,从而导致隔热材料的寿命大大降低。

太阳能既是一种可再生能源,受到许多国家的重视。太阳能是最充足、最可靠、也最不会耗尽的能源，太阳照射地球一小时，提供的热能比全世界一年的使用量还多[1-2]。

1沥青路面太阳能集热基本原理

1.1基本结构。沥青路面太阳能集热系统由铺设在沥青面层内的太阳能集热装置、储热器、辅助热源、用户热交换器、循环泵等关键部件组成。其中铺设在沥青面层内的太阳能集热装置结构为自上而下依次是乳化沥青混凝土封层、内有换热管组的导热型沥青混凝土层、隔热材料层。导热沥青混凝土层是对普通沥青混凝土进行复合改性,使其导热性能较普通沥青混凝土有较大提高的一类沥青混凝土,以提高集热效率为最终目的。乳化沥青混凝土防水层主要起到防水作用,保护导热沥青混凝土及其内部的管道不受水的侵害,提高混凝土的耐久性[3-4]。

沥青混凝土内部设置的换热管道组可以为U型或直线型,管道材料具有较高的导热系数,与沥青混凝土具有良好的粘附性,在180℃时耐25t压路机震动碾压。换热管道组的进出水口与地下热交换器、上壤热泵装置、用户热交换器和循环泵连接,构成本系统的热循环闭合回路。地下热交换器可以与岩石床、土壤及地下水储热器相连,实现能量的跨季节存储。

1.2工作过程。沥青路面太阳能集热利用太阳能的光热效应,其中沥青路面起到吸热板的作用。当太阳光辐射沥青路面上后,辐射能被沥青路面吸收并转换为热能,路面温度升高。在夏天时,路面局部温度可以升高到70℃。冬季供暖时,通过土壤源热汞装置从地下储热器中取出热量,用于隧道防冻。通过沥青路面的能量收集和释放过程可以在夏季给路面降温,防止路面的永久变形;在冬季给路面升温,避免温缩裂缝的形成。同时,给隧道防冻供暖,可以减少传统能源在建筑能耗中的比重。

2道路能源—地缘热泵隧道防冻系统设计

2.1系统简介。在原有道路的混凝土层和柏油层中铺设导热性能良好的流水管道及管道的固定收集装置。道路能源系统的主要目的就是从城市中普通柏油马路中获取太阳能,将其储藏。

通过一种格子窗形状的系统，把可弯曲的塑胶管固定在塑胶格子之上，外层覆上可让太阳能效能加倍的沥青，管中的冷水受热后，循环系统会将之打进地下的蓄水层，水温会维持在20℃左右。加热的水可在数月后重新取出使用，让隧道在寒冷的冬季也不会结冰。夏季,道路能源系统从柏油路中收集太阳热量,并将其存储于地下,以便冬季供暖。每年冬季,将热水从地下的热水区抽出,通过管道传送,为隧道供暖。

2.2系统运行模式。主要设计图如图1。

图1　道路集热系统示意平面图及3D立体图

注：A、水泵B、路面集热系统C、地源热泵D、地埋排管E、地下蓄热散热器F、隧道换热排管1,2,3,4、阀门

在夏季时，B进行集热，利用水泵A提供循环动力，经过B即热后流入地下散热器E进行向地下含沙水层进行散热。循环为：B-E-3-A-2-B。由于含沙水层的流动性，热量传递给D，D为地源热泵的地下埋管换热器，利用地源热泵制造热量。

3结论与展望

中国是如今建造隧道和拥有隧道最多的国家,而且中国的隧道地理环境恶劣,特别是冰冻灾害。本系统在在防冻效果上不仅高效,而且节能,所以在未来隧道防冻技术上有很大的发展空间和应用前景。

参考文献：

[1]2009-2010年中国能源消费结构深度研究及投资分析报告[R].北京:中国研究报告网,2009.9.

[2]李波.导热沥青混凝土及其性能研究[D].硕士学位论文.武汉:武汉理工大学,2008.5.

[3]沈金安.国外浙青路面设计方法总汇[M].北京:人民交通出版社,2004.

[4]陈明宇.沥青路面太阳能集热性能研究(硕士论文)[D].武汉:武汉理工大学，2010.

中图分类号:U44

文献标志码：A

文章编号：1671-1602(2016)04-0013-01