CN106087608A - 一种基于地源热泵的铁路道岔融雪系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于地源热泵的铁路道岔融雪系统，包括道岔底座内的热水管、热泵机组、垂直式地埋管换热器、循环泵、控制阀、控制装置。本发明提供的基于地源热泵的铁路道岔融雪系统，将地源热泵和铁路道岔融雪化冰相结合的一种新的用能方式，该技术从地下岩土层中提取低位热能，经热泵机组提升后，最终将热能传给道岔，从而达到融雪化冰的需要。另一方面，基于地源热泵的道岔融雪系统在夏季，埋管内流体将铁路道岔线路吸收的太阳辐射热能通过热泵技术“带走”储存到地下，即能供冬季融雪取用，又能降低线路温度，改善高温对道岔产生的不良影响。

Description

一种基于地源热泵的铁路道岔融雪系统

技术领域

本发明属于自然能源利用技术领域，尤其涉及一种基于地源热泵的铁路道岔融雪系统。

背景技术

目前我国在铁路道岔融雪设备的开发和应用方面主要采用电加热融雪设备进行道岔除雪，并且已于部分铁路线路道岔上安装使用；

电加热融雪系统通过采集铁路现场道岔温度、湿度、雨雪等信息自动控制安装在道岔基本轨轨腰、尖轨或轨底上部、或安装在滑床板上的加热条（棒）加热，实现道岔除雪。无论电加热元件安装在什么位置，都主要以辐射加热形式加热周围环境温度，融化积雪，都存在热量不易传递，加热范围小的缺点。

我国现有电加热融雪设备的主要缺点是加热元件成本高；热传导损失大，耗电量大；安装、维护不方便；运行成本高，电力增容成本投入过大。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于地源热泵的铁路道岔融雪系统，旨在解决现有电加热融雪设备加热元件成本高；热传导损失大，耗电量大；安装、维护不方便；运行成本高，电力增容成本投入过大的问题。

本发明是这样实现的，

一种基于地源热泵的铁路道岔融雪系统，该基于地源热泵的铁路道岔融雪系统包括道岔底座内的热水管、热泵机组、垂直式地埋管换热器、循环泵、控制阀门；

所述道岔底座内的热水管通过循环泵和控制阀门与垂直式地埋管换热器连

接；所述热泵机组通过控制阀门和循环泵分别与道岔底座内的热水管、垂直式地埋管换热器连接；

所述垂直式地埋管换热器用于从地下提取热岩土层中的低位热能，经热泵机组提升后，将温度较高的流体输送到道岔底座内的热水管；

所述道岔底座内的热水管通过对流换热方式，用于把热水管内高温热流体的热量传给道岔底座。

所述热泵机组包括冷凝器、压缩机、蒸发器、膨胀阀；所述冷凝器通过压缩机和膨胀阀与蒸发器首尾连接。

所述循环泵包括第一循环泵、第二循环泵；

所述控制阀门包括第一控制阀门、第二控制阀门、第三控制阀门、第四控制阀门；

所述垂直式地埋管换热器设置有垂直式地埋管换热器出口和垂直式地埋管换热器入口；所述冷凝器设置有冷凝器出口和冷凝器入口；所述蒸发器设置有蒸发器出口和蒸发器入口；

垂直式地埋管换热器出口、第一控制阀门、第一循环泵蒸发器入口、蒸发器出口、垂直式地埋管换热器入口依次连接构成第一内循环系统；

所述垂直式地埋管换热器出口、第一控制阀门、第一循环泵、第二控制阀门、蒸发器、冷凝器出口、第二循环泵、第三控制阀门、道岔底座内的热水管、第四控制阀门、垂直式地埋管换热器入口依次连接构成第二内循环系统；

所述冷凝器出口、压缩机、蒸发器入口、蒸发器出口、膨胀阀、冷凝器入口依次连接构成第三内循环系统。

所述循环泵和压缩机均为变频泵。

一种基于地源热泵的铁路道岔降温系统，该基于地源热泵的铁路道岔降温系统包括道岔底座内的热水管、垂直式地埋管换热器、第一循环泵、第一控制阀门、第五控制阀门、第六控制阀门；

垂直式地埋管换热器、第一控制阀门、第一循环泵、第五控制阀门、道岔底座内的热水管、第六控制阀门依次连接；

所述垂直式地埋管换热器用于从地下提取热岩土层中的低温液体，经第一循环泵提升后，将温度较低的流体输送到道岔底座内的热水管；

所述道岔底座内的热水管通过对流换热方式，用于把热水管内低温热流体的能量传给道岔底座。

地源热泵道岔融雪系统是在车站道岔底座内埋置热管，利用地源热泵技术，经埋管换热器从地下提取热岩土层中的低位热能，经热泵提升后，将温度较高的流体输送到道岔底座的热管内。高温热流体在埋管内流动时，通过对流换热方式，把热量传给道岔底座，从而达到融雪化冰的需要。

冬季融雪时，第五、第六阀门关闭，第一至第四阀门开启。整个系统工作流程：

（1）地源热泵地埋管系统：第一循环泵—第一阀门—垂直式地埋管换热器—蒸发器—第二阀门—第一循环泵。

（2）热泵机组系统：压缩机—冷凝器—膨胀阀—蒸发器—压缩机。

（3）道岔表面融雪化冰系统：第二循环泵—第三阀门—道岔底座热水管—第四阀门—冷凝器—第二循环泵。

在夏季，钢轨、轨枕和钢筋混凝土道岔底座面有较强的吸收太阳辐射热的能力，常使体面温度过高，对铁路线路造成严重的破坏。另一方面，从大地能量平衡的角度考虑，由于常年冬季融雪提取地下热能，导致地下热能不平衡，从而影响热泵系统运行效果。而通过热水管流体吸收路面太阳辐射能，把热量储藏在地下，则能较好地保证热能平衡，达到夏季储能、冬季利用的良好效果。而同时，在夏季冷却了道岔，对线路工程稳定性、耐久性和使用寿命也起到了积极作用。

夏季运行时，为了节能，热泵机组系统可不必开启，直接通过地下换热器提取大地能量为道岔降温冷却。即第二阀门、第三阀门、第四阀门关闭，第一阀门、第五阀门、第六阀门开启，系统工作流程为：第一循环泵—第一阀门—垂直式地埋管换热器—第五阀门—道岔底座热水管—第六阀门—第一循环泵。

本发明提供的基于地源热泵的铁路道岔融雪系统，将地源热泵和铁路道岔融雪化冰相结合的一种新的用能方式，该技术从地下岩土层中提取低位热能，经热泵机组提升后，最终将热能传给道岔，从而达到融雪化冰的需要。另一方面，基于地源热泵的道岔融雪系统在夏季，埋管内流体将铁路道岔线路吸收的太阳辐射热能通过热泵技术“带走”储存到地下，即能供冬季融雪取用，又能降低线路温度，改善高温对道岔产生的不良影响。

该发明是一种更节能、有效、环保的道岔融雪系统，主要优点有（1）节能效果明显，通常地源热泵消耗1kWh的能量，终端用户可以得到4kWh以上的热量，已有的研究表明，该系统比电加热系统省电80%以上；（2）该系统所有的设备都安装在室内和地下，维护方便，系统运行可靠性、安全性高；（3）本发明不仅冬季对道岔融雪化冰，有效地解决因大雪冰冻引起的道岔不能转换问题，在夏季还可以有效地降低道岔的温度，改善高温对道岔产生的不良影响，对线路工程稳定性、耐久性和使用寿命也起到了积极作用。

附图说明

图1是本发明实施例提供的基于地源热泵的铁路道岔融雪系统和铁路道岔降温系统联合示意图；

图中：1、道岔底座内的热水管；2、热泵机组；2-1、冷凝器；2-2、压缩机；2-3、蒸发器；2-4、膨胀阀；3、垂直式地埋管换热器；4、循环泵；4-1、第一循环泵；4-2、第二循环泵；5、控制阀门；5-1、第一控制阀门；5-2、第二控制阀门；5-3、第三控制阀门；5-4、第四控制阀门；5-5、第五控制阀门；5-6、第六控制阀门。

具体实施方式

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。

下面结合附图及具体实施例对本发明的应用原理作进一步描述。

如图1所示：

一种基于地源热泵的铁路道岔融雪系统，该基于地源热泵的铁路道岔融雪系统包括道岔底座内的热水管1、热泵机组2、垂直式地埋管换热器3、循环泵4、控制阀门5；

所述道岔底座内的热水管1通过循环泵4和控制阀门与垂直式地埋管换热

器3连接；所述热泵机组2通过控制阀门和循环泵分别与道岔底座内的热水管1、垂直式地埋管换热器5连接；

所述垂直式地埋管换热器用于从地下提取热岩土层中的低位热能，经热泵机组提升后，将温度较高的流体输送到道岔底座内的热水管；

所述道岔底座内的热水管通过对流换热方式，用于把热水管内高温热流体的热量传给道岔底座。

所述热泵机组2包括冷凝器2-1、压缩机2-2、蒸发器2-3、膨胀阀2-4；所述冷凝器通过压缩机和膨胀阀与蒸发器首尾连接。

所述循环泵4包括第一循环泵4-1、第二循环泵4-2；

所述控制阀门5包括第一控制阀门5-1、第二控制阀门5-2、第三控制阀门5-4、第四控制阀门5-4；

所述垂直式地埋管换热器设置有垂直式地埋管换热器出口和垂直式地埋管换热器入口；所述冷凝器设置有冷凝器出口和冷凝器入口；所述蒸发器设置有蒸发器出口和蒸发器入口；

垂直式地埋管换热器出口、第一控制阀门、第一循环泵蒸发器入口、蒸发器出口、垂直式地埋管换热器入口依次连接构成第一内循环系统；

所述垂直式地埋管换热器出口、第一控制阀门、第一循环泵、第二控制阀门、蒸发器、冷凝器出口、第二循环泵、第三控制阀门、道岔底座内的热水管、第四控制阀门、垂直式地埋管换热器入口依次连接构成第二内循环系统；

所述冷凝器出口、压缩机、蒸发器入口、蒸发器出口、膨胀阀、冷凝器入口依次连接构成第三内循环系统。

所述循环泵和压缩机均为变频泵。

一种基于地源热泵的铁路道岔降温系统，该基于地源热泵的铁路道岔降温系统包括道岔底座内的热水管1、垂直式地埋管换热器3、第一循环泵4-1、第一控制阀门5-1、第五控制阀门5-5、第六控制阀门5-6；

垂直式地埋管换热器、第一控制阀门、第一循环泵、第五控制阀门、道岔底座内的热水管、第六控制阀门依次连接；

所述垂直式地埋管换热器用于从地下提取热岩土层中的低温液体，经第一循环泵提升后，将温度较低的流体输送到道岔底座内的热水管；

所述道岔底座内的热水管通过对流换热方式，用于把热水管内低温热流体的能量传给道岔底座。

地源热泵道岔融雪系统是在车站道岔底座内埋置热管，利用地源热泵技术，经埋管换热器从地下提取热岩土层中的低位热能，经热泵提升后，将温度较高的流体输送到道岔底座的热管内。高温热流体在埋管内流动时，通过对流换热方式，把热量传给道岔底座，从而达到融雪化冰的需要。

冬季融雪时，第五、第六阀门关闭，第一至第四阀门开启。整个系统工作流程：

（1）地源热泵地埋管系统：第一循环泵—第一阀门—垂直式地埋管换热器—蒸发器—第二阀门—第一循环泵。

（2）热泵机组系统：压缩机—冷凝器—膨胀阀—蒸发器—压缩机。

（3）道岔表面融雪化冰系统：第二循环泵—阀门第三—道岔底座热水管—第四阀门—冷凝器—第二循环泵。

在夏季，钢轨、轨枕和钢筋混凝土道岔底座面有较强的吸收太阳辐射热的能力，常使体面温度过高，对铁路线路造成严重的破坏。另一方面，从大地能量平衡的角度考虑，由于常年冬季融雪提取地下热能，导致地下热能不平衡，从而影响热泵系统运行效果。而通过热水管流体吸收路面太阳辐射能，把热量储藏在地下，则能较好地保证热能平衡，达到夏季储能、冬季利用的良好效果。而同时，在夏季冷却了道岔，对线路工程稳定性、耐久性和使用寿命也起到了积极作用。

夏季运行时，为了节能，热泵机组系统可不必开启，直接通过地下换热器提取大地能量为道岔降温冷却。即第二阀门、第三阀门、第四阀门关闭，第一阀门、第五阀门、第六阀门开启，系统工作流程为：第一循环泵—第一阀门—垂直式地埋管换热器—第五阀门—道岔底座热水管—第六阀门—第一循环泵。

本发明提供的基于地源热泵的铁路道岔融雪系统，将地源热泵和铁路道岔融雪化冰相结合的一种新的用能方式，该技术从地下岩土层中提取低位热能，经热泵机组提升后，最终将热能传给道岔，从而达到融雪化冰的需要。另一方面，基于地源热泵的道岔融雪系统在夏季，埋管内流体将铁路道岔线路吸收的太阳辐射热能通过热泵技术“带走”储存到地下，即能供冬季融雪取用，又能降低线路温度，改善高温对道岔产生的不良影响。

该发明是一种更节能、有效、环保的道岔融雪系统，主要优点有（1）节能效果明显，通常地源热泵消耗1kWh的能量，终端用户可以得到4kWh以上的热量，已有的研究表明，该系统比电加热系统省电80%以上；（2）该系统所有的设备都安装在室内和地下，维护方便，系统运行可靠性、安全性高；（3）本发明不仅冬季对道岔融雪化冰，有效地解决因大雪冰冻引起的道岔不能转换问题，在夏季还可以有效地降低道岔的温度，改善高温对道岔产生的不良影响，对线路工程稳定性、耐久性和使用寿命也起到了积极作用。

以上所述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。

Claims (5)

1.一种基于地源热泵的铁路道岔融雪系统，其特征在于，该基于地源热泵的铁路道岔融雪系统包括道岔底座内的热水管、热泵机组、垂直式地埋管换热器、循环泵、控制阀门；

所述道岔底座内的热水管通过循环泵和控制阀门与垂直式地埋管换热器连接；所述热泵机组通过控制阀门和循环泵分别与道岔底座内的热水管、垂直式地埋管换热器连接；

所述垂直式地埋管换热器用于从地下提取热岩土层中的低位热能，经热泵机组提升后，将温度较高的流体输送到道岔底座内的热水管；

所述道岔底座内的热水管通过对流换热方式，用于把热水管内高温热流体的热量传给道岔底座。

2.如权利要求1所述的基于地源热泵的铁路道岔融雪系统，其特征在于，

所述热泵机组包括冷凝器、压缩机、蒸发器、膨胀阀；所述冷凝器通过压缩机和膨胀阀与蒸发器首尾连接。

3.如权利要求1所述的基于地源热泵的铁路道岔融雪系统，其特征在于，所述循环泵包括第一循环泵、第二循环泵；

所述控制阀门包括第一控制阀门、第二控制阀门、第三控制阀门、第四控制阀门；

所述垂直式地埋管换热器设置有垂直式地埋管换热器出口和垂直式地埋管换热器入口；

所述冷凝器设置有冷凝器出口和冷凝器入口；所述蒸发器设置有蒸发器出口和蒸发器入口；

垂直式地埋管换热器出口、第一控制阀门、第一循环泵蒸发器入口、蒸发器出口、垂直式地埋管换热器入口依次连接构成第一内循环系统；

所述垂直式地埋管换热器出口、第一控制阀门、第一循环泵、第二控制阀门、蒸发器、冷凝器出口、第二循环泵、第三控制阀门、道岔底座内的热水管、第四控制阀门、垂直式地埋管换热器入口依次连接构成第二内循环系统；

所述冷凝器出口、压缩机、蒸发器入口、蒸发器出口、膨胀阀、冷凝器入口依次连接构成第三内循环系统。

4.如权利要求1所述的基于地源热泵的铁路道岔融雪系统，其特征在于，

所述循环泵和压缩机均为变频泵。

5.一种利用权利要求1所述的系统制备的基于地源热泵的铁路道岔降温系统，其特征在于，该基于地源热泵的铁路道岔降温系统包括道岔底座内的热水管、垂直式地埋管换热器、第一循环泵、第一控制阀门、第五控制阀门、第六控制阀门；

垂直式地埋管换热器、第一控制阀门、第一循环泵、第五控制阀门、道岔底座内的热水管、第六控制阀门依次连接；

所述垂直式地埋管换热器用于从地下提取热岩土层中的低温液体，经第一循环泵提升后，将温度较低的流体输送到道岔底座内的热水管；

所述道岔底座内的热水管通过对流换热方式，用于把热水管内低温热流体的能量传给道岔底座。