CN110067588A - 基于相变蓄冷的隧道冷风系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于相变蓄冷的隧道冷风系统，包括蓄冷段和冷风段，蓄冷段是由隧道地温能换热器、水泵、分水管、集水管和蓄冷硐室内的相变蓄冷板组成的封闭循环系统；相变蓄冷板先在蓄冷硐室内完成蓄冷，沿隧道运输到靠近隧道施工面的冷风段，由隔热层与移动式屏蔽门在隧道开挖掌子面后方形成封闭隔热空间，内部的冷却管路、水泵和相变蓄冷板组成的封闭循环降温系统，利用送风管和内循环通风对施工人员进行降温。本发明相比既有的人工制冰降温方式，具备施工便捷、能效高、可再生、运行成本低等显著的进步。

Description

基于相变蓄冷的隧道冷风系统

技术领域

本发明涉及一种隧道施工的安全保障系统，具体涉及一种利用相变材料为隧道施工提供冷风的系统。

背景技术

以川藏铁路桑珠岭隧道为例，该隧道全长16449m，最大埋深约1347m，是目前中国铁路隧道修建中遇到的最高岩温隧道，隧道内岩温达到81.9℃。《铁路隧道施工规范》TB10120-2002规定隧道洞内气温不得大于28℃，隧道高地温热灾导致施工人员劳动能力降低，机械设备故障率显著升高，严重降低施工工效；对施工人员健康影响较大，高原病发病率大增，危及施工人员生命安全。高地温隧道施工降温主要采用加强通风、隔热、冷水（冰块）降温和机械制冷通风等。桑珠岭隧道采用气泡混凝土+冰块+喷雾+加强通风综合降温技术，隧道洞内环境温度下降了10-20℃，环境温度控制在45℃以内，但仍未达到规范规定的28℃以内的要求。 分析其原因如下：（1）超长隧道的风机冷量损耗大，能耗大，且运行成本高；（2）冰块周围3m范围内降温3-5℃，降温效率不高；（3）添加引气剂的喷射混凝土将洞内温度降低2-3℃，隔热效果有限。

经检索，中国专利文献CN109209466A公开了一种盾构隧道施工降温装置及降温方法，在隧道内布置制冷系统和空气冷却系统，并在隧道外布置盾构循环水系统；将制冷系统与空气冷却系统相连，为空气冷却系统提供冷源；空气冷却系统与地面送入的自然风进行冷热交换，对自然风进行冷却降温；盾构循环水系统与制冷系统相连，用于对制冷系统进行散热降温。

隧道为线型结构，穿越不同埋深的地层和地质构造带，隧道埋深变化和地温异常地质构造带会导致隧道内存在显著的“地温差”，如何将其用于寒区隧道防冻加热，同时用于高地温隧道降温，提升效率+增强隔热+节能环保，就成为解决超长隧道高地温热灾的突破口。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明利用隧道地温能换热器将低地温区段的围岩地温能存储于相变板内，替代传统的人工制冰，用于高地温区段的洞内空气降温，达到降温效率高、绿色环保和成本低等目的。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明提供的基于相变蓄冷的隧道冷风系统，包括蓄冷段和冷风段。

其中，蓄冷段是由隧道地温能换热器、水泵、分水管、集水管和蓄冷硐室内的相变蓄冷板组成的封闭循环系统；所述相变蓄冷板先在蓄冷硐室内完成蓄冷，沿隧道运输到降温系统并与之连接。

冷风段靠近隧道施工面布置，由隔热层与移动式屏蔽门在隧道开挖掌子面后方形成封闭隔热空间，内部的冷却管路、水泵和相变蓄冷板组成的封闭循环降温系统，利用送风管和内循环通风对施工人员进行降温。

具体地，所述隧道地温能换热器包括若干组热交换管路，所述热交换管路布设于初衬与防水板之间、中空锚杆内和隧道仰拱上方。

具体地，所述环境智能监控系统由温度传感器、风速传感器、湿度传感器、数据采集器和分析处理系统，根据施工环境监测数据，控制外循环通风和内循环通风的工作状态。

本发明同时提供利用上述系统为隧道施工面降温的作业方法，包括以下步骤：

步骤1，在施做二衬之前，在隧道初衬表面、中空锚杆内和仰拱上方等位置铺设热交换管路，在浇筑二衬混凝土时，将热交换管路经由纵向排水管下方穿出二衬混凝土边墙；

步骤2，通过分水管、集水管分别与热交换管路的进水口和出水口连接，并与位于蓄冷硐室内的相变蓄冷板的出水口、进水口连接，利用循环水泵驱动，形成封闭的循环蓄冷管路；

步骤3，在隧道施工掌子面后方的初衬洞壁表面施做隔热层，在隧道横断面内安装移动屏蔽门，构成封闭的施工空间；

步骤4，将冷却管安装在送风管内，送风管与内循环风机连接；

步骤5，将相变蓄冷板运送至封闭施工空间内，通过分水管、集水管分别与冷却管连接，利用循环水泵驱动，形成封闭的循环降温管路；

步骤6，在封闭的施工空间内，布设内循环风机、外循环风机送风管道、温度传感器、湿度传感器、风速传感器；

步骤7，利用环境智能监控系统智能控制风机的通风方式和通风量。

使用时，基于相变蓄冷的隧道冷风系统由隧道地温能换热器、相变蓄冷板、水泵、分水管、集水管、蓄冷硐室、隔热层、移动式屏蔽门、风机、通风管、冷却管路和环境智能监控系统组成；相变蓄冷板经过水泵、分水管和集水管与隧道地温能换热器形成封闭循环蓄冷系统，相变蓄冷板放置在蓄冷硐室内，相变蓄冷板蓄冷完成后，被运送至洞内用于掌子面施工降温；隔热层与移动式屏蔽门在隧道开挖掌子面后方形成封闭隔热空间；冷却管路与相变蓄冷板形成封闭循环降温系统，冷却通风管内的空气，对封闭隔热空间降温。

发明原理: 在隧道低地温段的初衬与防水板之间、中空锚杆内和隧道仰拱上方等位置处布置的热交换管路，与相变蓄冷板内的热交换管路，连接形成封闭的循环管路，利用循环管路内的传热循环介质将隧道围岩内的低温地温能存储于相变蓄冷板内。运输车辆将相变蓄冷板运至洞内高地温区段，经过水泵、分水管和集水管与通风管道内的冷却管路连接，形成封闭的循环管路，利用循环管路内的传热循环介质对送风管内的空气供应冷量，通过送风管上的出风口对施工人员降温。

有益效果：本发明利用隧道的低地温区段的可再生的地温能资源，对高地温区段的洞内空气降温，取代传统的人工制冰降温技术，具有绿色环保、运行成本低等优点，比传统的人工制冰降温技术节能80%以上。而且在隔热封闭空间内，通过送风管的送风口对施工人员局部集中降温，具有隔热效果好、降温效率高等优点；（3）冷却管通过分、集水管路与相变蓄冷板连接，具有操作方便的优点。

除以上所述的本发明解决的技术问题、构成技术方案的技术特征以及由这些技术方案的技术特征所带来的优点外。为使本发明目的、技术方案和有益效果更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明所能解决的其他技术问题、技术方案中包含的其他技术特征以及这些技术特征带来的优点做更为清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

附图说明

图1 是基于相变蓄冷的隧道冷风系统工作原理图；

图2 是热交换管布置横断面图；

图3 是蓄冷硐室平面图；

图4 是冷风管路布置横断面图；

图中：1为初衬；2为热交换管；3为仰拱；4为二衬；5为蓄冷硐室；6为相变蓄冷板；7为分水管；8为集水管；9为隔热层；10为移动屏蔽门；11为内循环风机；12为外循环风机；13为施工台车；14为送风管；15为冷却管；16为出风口；17为水泵；18为掌子面；19为围岩；20为运输车。

具体实施方式

实施例：

本实施例的基于相变蓄冷的隧道冷风系统如图1所示，相变蓄冷板6经过循环泵、分水管7和集水管8与隧道地温能换热器（主要由热交换管2组成）形成封闭循环蓄冷系统，该蓄冷系统将冷量传送到蓄冷硐室5内的相变蓄冷板6中，完成蓄冷的相变蓄冷板6被运输车20被运送至洞内用于掌子面施工降温；是用隔热层9与移动式屏蔽门10在隧道开挖掌子面15后方形成封闭隔热空间，形成冷风段。冷风段靠近隧道施工面布置，内部的冷却管15、水泵17和相变蓄冷板6组成的封闭循环降温系统，利用送风管14和内循环通风的出风口16对施工人员进行降温。

如图2所示，隧道地温能换热器包括多组热交换管2，热交换管可布设于初衬与防水板之间、中空锚杆内和隧道仰拱上方等位置处，各组热交换管2经为分水管7和集水管8连接到如图3所示的蓄冷硐室5中，利用循环管路将冷量传递到相变蓄冷板6内。如图4所示，在送风管14内布置冷却管15，冷却出风口16输出的风量。

环境智能监控系统由温度传感器、风速传感器、湿度传感器、数据采集器和分析处理系统组成，根据施工环境监测数据，控制外循环通风和内循环通风的工作状态。

使用时，实施过程如下：

（1）在施做二衬之前，在隧道初衬表面、中空锚杆内和仰拱上方等位置铺设热交换管路，在浇筑二衬混凝土时，将热交换管路经由纵向排水管下方穿出二衬混凝土边墙；

（2）通过分水管、集水管分别与热交换管路的进水口和出水口连接，并与位于蓄冷硐室内的相变蓄冷板的出水口、进水口连接，利用循环水泵驱动，形成封闭的循环蓄冷管路；

（3）在隧道施工掌子面后方的初衬洞壁表面施做隔热层，在隧道横断面内安装移动屏蔽门，构成封闭的施工空间；

（4）将冷却管安装在送风管内，送风管与内循环风机连接；

（5）将相变蓄冷板运送至封闭施工空间内，通过分水管、集水管分别与冷却管连接，利用循环水泵驱动，形成封闭的循环降温管路；

（6）在封闭的施工空间内，布设内循环风机、外循环风机送风管道、温度传感器、湿度传感器、风速传感器；

（7）利用环境智能监控系统智能控制风机的通风方式和通风量。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

本发明为隧道施工通风降温提供了一种全新的思路与方法，具体实现该技术方案的方法和途径很多，以上仅是以示例的方式提供的优选实施方式。本领域技术人员可以在不偏离本发明的情况下想到许多更改、改变和替代。应当理解，在实践本发明的过程中可以采用对本文所描述的本发明实施方式的各种替代方案。所附权利要求旨在限定本发明的范围，并因此覆盖这些权利要求及其等效项的范围内的方法和结构。本实施例中未明确的各组成部分均可用现有技术加以实现。

Claims (5)

1.一种基于相变蓄冷的隧道冷风系统，包括蓄冷段和冷风段，其特征在于：

所述蓄冷段是由隧道地温能换热器、水泵、分水管、集水管和蓄冷硐室内的相变蓄冷板组成的封闭循环系统；所述相变蓄冷板先在蓄冷硐室内完成蓄冷，沿隧道运输到降温段并与之连接；

所述冷风段靠近隧道施工面布置，由隔热层与移动式屏蔽门在隧道开挖掌子面后方形成封闭隔热空间，内部的冷却管路、水泵和相变蓄冷板组成的封闭循环降温系统，利用送风管和内循环通风对施工人员进行降温。

2.根据权利要求1所述的基于相变蓄冷的隧道冷风系统，其特征在于：所述隧道地温能换热器包括若干组热交换管路，所述热交换管路布设于初衬与防水板之间、中空锚杆内和隧道仰拱上方。

3.根据权利要求2所述的基于相变蓄冷的隧道冷风系统，其特征在于：所述冷却管位于送风管内，送风管与内循环风机连接。

4.根据权利要求3所述的基于相变蓄冷的隧道冷风系统，其特征在于：还包括环境智能监控系统，该系统包括由温度传感器、风速传感器、湿度传感器、数据采集器和分析处理系统，根据施工环境监测数据，控制外循环通风和内循环通风的工作状态。

5.利用权利要求1所述的基于相变蓄冷的隧道冷风系统为隧道施工面降温的作业方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤1，在施做二衬之前，在隧道初衬表面、中空锚杆内和仰拱上方等位置铺设热交换管路，在浇筑二衬混凝土时，将热交换管路经由纵向排水管下方穿出二衬混凝土边墙；

步骤2，通过分水管、集水管分别与热交换管路的进水口和出水口连接，并与位于蓄冷硐室内的相变蓄冷板的出水口、进水口连接，利用循环水泵驱动，形成封闭的循环蓄冷管路；

步骤3，在隧道施工掌子面后方的初衬洞壁表面施做隔热层，在隧道横断面内安装移动屏蔽门，构成封闭的施工空间；

步骤4，将冷却管安装在送风管内，送风管与内循环风机连接；

步骤5，将相变蓄冷板运送至封闭施工空间内，通过分水管、集水管分别与冷却管连接，利用循环水泵驱动，形成封闭的循环降温管路；

步骤6，在封闭的施工空间内，布设内循环风机、外循环风机送风管道、温度传感器、湿度传感器、风速传感器；

步骤7，利用环境智能监控系统智能控制风机的通风方式和通风量。