道路能源——地緣熱泵系統在寒區隧道防凍中的應用

陳明全，孟祥忠

(重慶交通大學機電與車輛工程學院，重慶400074)

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道路能源
——地緣熱泵系統在寒區隧道防凍中的應用

陳明全，孟祥忠

(重慶交通大學機電與車輛工程學院，重慶400074)

摘要：為了探索一種新的針對我國不同寒區類型而形成的具有適應性的防凍系統，本文主要介紹道路能源應用板塊。采用道路能源應用系統不僅可以對隧道防凍，還可以利用太陽能實現對地熱溫度場的恢復和提高；是一種最節能的防凍措施，不僅在節能和效果上比傳統方式要明顯之外還增加隧道穩定性和使用壽命。

關鍵詞：道路能源地源熱泵隧道防凍節能

引言

隨著我國西部大開發的進程,位于寒區的交通隧道數量還會繼續增加,伴隨而來的隧道凍害問題會更多更加突出,探索科學防治隧道凍害的技術措施十分緊迫。目前更多采用的是簡單的被動措施,但是對于干寒和高寒這兩種類型的寒區,其大多數溫度都處于0度以下,而且夏秋季節晝夜溫差比較大,導致隔熱材料長期處于冷熱應力交替狀態,從而導致隔熱材料的壽命大大降低。

太陽能既是一種可再生能源,受到許多國家的重視。太陽能是最充足、最可靠、也最不會耗盡的能源，太陽照射地球一小時，提供的熱能比全世界一年的使用量還多[1-2]。

1瀝青路面太陽能集熱基本原理

1.1基本結構。瀝青路面太陽能集熱系統由鋪設在瀝青面層內的太陽能集熱裝置、儲熱器、輔助熱源、用戶熱交換器、循環泵等關鍵部件組成。其中鋪設在瀝青面層內的太陽能集熱裝置結構為自上而下依次是乳化瀝青混凝土封層、內有換熱管組的導熱型瀝青混凝土層、隔熱材料層。導熱瀝青混凝土層是對普通瀝青混凝土進行復合改性,使其導熱性能較普通瀝青混凝土有較大提高的一類瀝青混凝土,以提高集熱效率為最終目的。乳化瀝青混凝土防水層主要起到防水作用,保護導熱瀝青混凝土及其內部的管道不受水的侵害,提高混凝土的耐久性[3-4]。

瀝青混凝土內部設置的換熱管道組可以為U型或直線型,管道材料具有較高的導熱系數,與瀝青混凝土具有良好的粘附性,在180℃時耐25t壓路機震動碾壓。換熱管道組的進出水口與地下熱交換器、上壤熱泵裝置、用戶熱交換器和循環泵連接,構成本系統的熱循環閉合回路。地下熱交換器可以與巖石床、土壤及地下水儲熱器相連,實現能量的跨季節存儲。

1.2工作過程。瀝青路面太陽能集熱利用太陽能的光熱效應,其中瀝青路面起到吸熱板的作用。當太陽光輻射瀝青路面上后,輻射能被瀝青路面吸收并轉換為熱能,路面溫度升高。在夏天時,路面局部溫度可以升高到70℃。冬季供暖時,通過土壤源熱汞裝置從地下儲熱器中取出熱量,用于隧道防凍。通過瀝青路面的能量收集和釋放過程可以在夏季給路面降溫,防止路面的永久變形;在冬季給路面升溫,避免溫縮裂縫的形成。同時,給隧道防凍供暖,可以減少傳統能源在建筑能耗中的比重。

2道路能源—地緣熱泵隧道防凍系統設計

2.1系統簡介。在原有道路的混凝土層和柏油層中鋪設導熱性能良好的流水管道及管道的固定收集裝置。道路能源系統的主要目的就是從城市中普通柏油馬路中獲取太陽能,將其儲藏。

通過一種格子窗形狀的系統，把可彎曲的塑膠管固定在塑膠格子之上，外層覆上可讓太陽能效能加倍的瀝青，管中的冷水受熱后，循環系統會將之打進地下的蓄水層，水溫會維持在20℃左右。加熱的水可在數月后重新取出使用，讓隧道在寒冷的冬季也不會結冰。夏季,道路能源系統從柏油路中收集太陽熱量,并將其存儲于地下,以便冬季供暖。每年冬季,將熱水從地下的熱水區抽出,通過管道傳送,為隧道供暖。

2.2系統運行模式。主要設計圖如圖1。

圖1　道路集熱系統示意平面圖及3D立體圖

注：A、水泵B、路面集熱系統C、地源熱泵D、地埋排管E、地下蓄熱散熱器F、隧道換熱排管1,2,3,4、閥門

在夏季時，B進行集熱，利用水泵A提供循環動力，經過B即熱后流入地下散熱器E進行向地下含沙水層進行散熱。循環為：B-E-3-A-2-B。由于含沙水層的流動性，熱量傳遞給D，D為地源熱泵的地下埋管換熱器，利用地源熱泵制造熱量。

3結論與展望

中國是如今建造隧道和擁有隧道最多的國家,而且中國的隧道地理環境惡劣,特別是冰凍災害。本系統在在防凍效果上不僅高效,而且節能,所以在未來隧道防凍技術上有很大的發展空間和應用前景。

參考文獻：

[1]2009-2010年中國能源消費結構深度研究及投資分析報告[R].北京:中國研究報告網,2009.9.

[2]李波.導熱瀝青混凝土及其性能研究[D].碩士學位論文.武漢:武漢理工大學,2008.5.

[3]沈金安.國外浙青路面設計方法總匯[M].北京:人民交通出版社,2004.

[4]陳明宇.瀝青路面太陽能集熱性能研究(碩士論文)[D].武漢:武漢理工大學，2010.

中圖分類號:U44

文獻標志碼：A

文章編號：1671-1602(2016)04-0013-01