CN106522999A - 能源隧道衬砌层埋式地温能热交换系统 - Google Patents

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张国柱
夏才初
韩常岭
李玉文
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Abstract

一种能源隧道衬砌层埋式地温能热交换系统，该隧道包括隧道初衬和隧道二衬，其特征在于：在所述隧道初衬和隧道二衬之间设置热交换层，所述热交换层一端与供水管连通，所述热交换层另一端与回水管连通，所述供水管和回水管均与用户端或热泵连接形成封闭循环管路，所述热交换层内外设置防水层。本发明提供一种适用性良好、换热效率更高、节省成本和节约施工周期的能源隧道衬砌层埋式地温能热交换系统。

Description

能源隧道衬砌层埋式地温能热交换系统
技术领域
本发明涉及隧道围岩领域，尤其是一种能源隧道衬砌层埋式地温能热交换系统。
背景技术
在地球浅表层数百米内的土壤温度随深度呈递增趋势，深度每增加100米地温升高约3-5℃，地下1000米处的地温约为40-50℃，埋深数百米的山岭隧道围岩内储存着巨大的地温能。现有的隧道围岩地温能提取技术有两种，一种是直接收集隧道围岩内的地热水，该技术属于被动提取技术，但该技术仅适用于地下水丰富的地区，在地下水量小或无地下水的地区则无法应用；另外一种是在隧道二衬与初衬之间埋设热交换管，通过管内的传热循环介质与围岩之间的温差提取隧道围岩地温能，该技术属于主动提取技术，不受气候条件限制，但该技术需要额外铺设热交换管路，增加建造成本和施工工期，热交换管管壁导热性不佳，导致热交换管的换热效率低。
发明内容
为了克服现有隧道围岩地温能的被动提取技术不适用于地下水欠发育和不发育地区，而主动提取技术需要增加建造成本和施工工期等难题，本发明提供一种适用性良好、换热效率更高、节省成本和节约施工周期的能源隧道衬砌层埋式地温能热交换系统。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种能源隧道衬砌层埋式地温能热交换系统，该隧道包括隧道初衬和隧道二衬，在所述隧道初衬和隧道二衬之间设置热交换层，所述热交换层一端与供水管连通，所述热交换层另一端与回水管连通，所述供水管和回水管均与用户端或热泵连接形成封闭循环管路，所述热交换层内外设置防水层。
进一步，所述隧道初衬与热交换层之间设置喷射防水层，所述热交换层与隧道二衬之间设置复合式防水板。当然，也可以采用其他防水方式。
再进一步，所述供水管和回水管分别位于隧道两侧的拱脚处。
优选的，所述隧道两侧的拱脚处设置防水底座，所述供水管和回水管分别位于所述防水底座上。
更进一步，所述防水底座与复合式防水板之间通过橡胶止水带和螺栓进行密封连接。
所述热交换层内设置止水隔断，所述止水隔断将所述热交换层进行分区，每个分区分别与各自的供水管和回水管连通形成封闭循环子系统。
优选的，所述止水隔断的一端设有缺口，带有缺口的止水隔断相邻的分区相互贯通。
再进一步，相邻止水隔断的缺口错位布置。通过增设缺口数量可以获得任意长度的热交换器。
所述热交换层内填充透水材料，可以形成透水层。
所述隧道二衬的混凝土结构内掺加用于限制高地温围岩与洞内空气之间传热的相变材料。
所述隧道二衬的内壁设置保温板。
本发明的技术构思为：在隧道二衬与初衬之间增设一层热交换层，利用供水管路和回水管路与热交换层组成封闭的循环换热系统，通过热交换层内的循环流体提取隧道围岩内的地温能。为了提高热交换层内流体的换热效率，热交换层进行分区设置，循环流体在各自区域内循环流动；通过在二衬内表面铺设一定厚度的保温层，以及在二衬混凝土结构内掺加相变材料限制高地温围岩与洞内空气之间传热，避免地温能流失。
所述热交换层的每个分区中，位于两边的止水隔断通长布置，而位于中间的隔断一段设置缺口，带有缺口的止水隔断相邻的分区相互贯通；止水隔断的缺口设置为交错布置，增设缺口数量可以获得任意长度的热交换器。
本发明的有益效果主要表现在：通过在隧道二衬和初衬之间施做热交换层，利用热交换层内的循环流动的传热介质提取隧道围岩内的地温能，与传统的收集地热水的被动提取技术相比，传统的收集地热水的被动提取技术只能应用于地下水丰富的隧道，对于欠发育和无地下水的隧道则不适用，本系统主动补给地下水提取隧道围岩中的地温能，该系统属于主动提取技术，适合开采欠发育和无地下水地区的隧道地温能开采；与传统的埋设热交换管系统的主动提取技术相比，热交换层内的循环流动水直接吸收围岩中的地温能，换热效率更高。该系统无需铺设热交换管，节省了大量的建造成本，节约了施工工期。
附图说明
图1为能源隧道衬砌层埋式地温能热交换系统的横断面图.
图2为热交换层平面展开图。
图3为防水底座与复合式防水板的密封连接图。
图中1为隧道初衬；2为喷射防水层；3为热交换层；4为复合式防水板；5为隧道二衬相变混凝土；6为保温板；7为供水管；8为回水管；9为防水底座；10为入水口；11为出水口；12为止水隔挡；13为水泵；14为用户端；15为橡胶止水带；16为螺栓。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。
参照图1～图3，一种能源隧道衬砌层埋式地温能热交换系统，该隧道包括隧道初衬1和隧道二衬5，在所述隧道初衬1和隧道二衬5之间设置热交换层3，所述热交换层3一端与供水管7连通，所述热交换层3另一端与回水管8连通，所述供水管7和回水管8均与用户端或热泵连接形成封闭循环管路，所述热交换层5内外设置防水层。
进一步，所述隧道初衬1与热交换层3之间设置喷射防水层2，所述热交换层3与隧道二衬5之间设置复合式防水板4。当然，也可以采用其他防水方式。
再进一步，所述供水管7和回水管8分别位于隧道两侧的拱脚处。
优选的，所述隧道两侧的拱脚处设置防水底座9，所述供水管和回水管分别位于所述防水底座9上。
更进一步，所述防水底座9与复合式防水板4之间通过橡胶止水带15和螺栓16进行密封连接。
所述热交换层3内设置止水隔断12，所述止水隔断12将所述热交换层进行分区，每个分区分别与各自的供水管和回水管连通形成封闭循环子系统。
优选的，所述止水隔断12的一端设有缺口，带有缺口的止水隔断相邻的分区相互贯通。
再进一步，相邻止水隔断的缺口错位布置。通过增设缺口数量可以获得任意长度的热交换器。
所述热交换层3内填充透水材料，可以形成透水层。
所述隧道二衬6的混凝土结构内掺加用于限制高地温围岩与洞内空气之间传热的相变材料。
所述隧道二衬5的内壁设置保温板6。
本实施例的能源隧道衬砌层埋式地温能热交换系统，由喷射防水层、热交换层、止水隔断、供水管、回水管、预制防水底座、橡胶止水带、螺栓和水泵组成，热交换层位于隧道初衬和二衬之间，热交换层两侧分别施做防水层，在初衬与热交换层之间施做喷射防水层，在热交换层与二衬之间铺设复合式防水板；
利用止水隔断对热交换层进行分区，各分区的热交换层分别与供水管和回水管进行连接形成封闭循环系统，通过改变止水隔断的组合形式可以获得任意长度的热交换器；
供水管和回水管分别位于隧道两侧拱脚处的防水底座上，防水底座为预制混凝土构件；
防水底座与复合式防水板之间通过橡胶止水带和螺栓进行密封连接。
本实施例的能源隧道衬砌层埋式地温能热交换系统的施工过程如下：
①施工隧道初衬，在隧道拱脚处安装混凝土预制防水底座，在隧道初衬表面和防水底座上施做一定厚度的喷射防水层；
②在喷射防水层上安装止水隔断，对热交换层进行分区；
③在防水底座上安装供水管和回水管；
④施做热交换层；
⑤安装复合式防水板，利用橡胶止水带和螺栓对复合式防水板与防水底座进行密封连接；
⑥浇注隧道二衬相变混凝土；
⑦安装隧道保温板和防火板。
在实际应用中，如果地温较高，则直接应用，即通过循环水泵与用户端连接形成循环管路；如果地温不够高，不能直接利用，则需要热泵设备提升，即供水管和回水管与热泵连接形成循环管路。

Claims (9)

1.一种能源隧道衬砌层埋式地温能热交换系统，该隧道包括隧道初衬和隧道二衬，其特征在于：在所述隧道初衬和隧道二衬之间设置热交换层，所述热交换层一端与供水管连通，所述热交换层另一端与回水管连通，所述供水管和回水管均与用户端或热泵连接形成封闭循环管路，所述热交换层内外设置防水层。
2.如权利要求1所述的能源隧道衬砌层埋式地温能热交换系统，其特征在于：所述隧道初衬与热交换层之间设置喷射防水层，所述热交换层与隧道二衬之间设置复合式防水板。
3.如权利要求1或2所述的能源隧道衬砌层埋式地温能热交换系统，其特征在于：所述供水管和回水管分别位于隧道两侧的拱脚处。
4.如权利要求3所述的能源隧道衬砌层埋式地温能热交换系统，其特征在于：所述隧道两侧的拱脚处设置防水底座，所述供水管和回水管分别位于所述防水底座上。
5.如权利要求3所述的能源隧道衬砌层埋式地温能热交换系统，其特征在于：所述防水底座与复合式防水板之间通过橡胶止水带和螺栓进行密封连接。
6.如权利要求1或2所述的能源隧道衬砌层埋式地温能热交换系统，其特征在于：所述热交换层内设置止水隔断，所述止水隔断将所述热交换层进行分区，每个分区分别与各自的供水管和回收管连通形成封闭循环子系统。
7.如权利要求6所述的能源隧道衬砌层埋式地温能热交换系统，其特征在于：所述止水隔断的一端设有缺口，带有缺口的止水隔断相邻的分区相互贯通。
8.如权利要求7所述的能源隧道衬砌层埋式地温能热交换系统，其特征在于：相邻止水隔断的缺口错位布置。
9.如权利要求1或2所述的能源隧道衬砌层埋式地温能热交换系统，其特征在于：所述热交换层内填充透水材料。
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