太陽能-地源熱泵復合系統在寒區隧道防凍上的應用

孟祥忠　張彤彤　吳宇　王仕林　秦懷燕　胡耀輝（重慶交通大學機電與汽車工程學院，重慶　400074）

太陽能-地源熱泵復合系統在寒區隧道防凍上的應用

孟祥忠張彤彤吳宇王仕林秦懷燕胡耀輝
（重慶交通大學機電與汽車工程學院，重慶400074）

本系統是根據太陽能-地源熱泵聯合系統針對我國不同寒區類型而形成的具有適應性的防凍系統。白天在太陽能內的水溫上升到可適用的溫度時只用太陽能，在夜晚采用地源熱泵系統和太陽能余熱來進行運行。太陽能-地源熱泵系統不僅在節能和效果上比傳統方式要明顯之外，還可以利用太陽能實現對地熱溫度場的恢復和提高，從而增加隧道穩定性和使用壽命。

寒區隧道防凍太陽能-地源熱泵系統節能減排

1　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，其出發點是想通過更多地排除隧道襯砌周圍地下水這個凍害的介質、增加保溫隔熱材料以防止襯砌表面及內部溫度的降低，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。保溫水溝、中心深埋水溝、防寒保溫門、燃煤加溫、電加熱等防凍措施，在巖土結構、效率、節能減排上都存在嚴重的問題。如今，也有的工程技術人員進行了一些利用地層中熱量的熱管技術及地源熱泵技術的探討。這種方式雖然在一定程度上解決了凍害，但是由于熱源來自地下熱水或土壤、巖層溫度場，長期運行也會導致地下溫度場發生改變，從而導致巖土的結構易發生改變，對隧道壽命和交通安全埋下了嚴重的隱患。

干寒和高寒地區光照強度大，能見度高，太陽能利用效率高。太陽能+地源熱泵混合熱水系統將地源熱泵與太陽能結合在一起，既可以克服熱泵長期運行造成隧道地下土壤或巖層溫度的降低（ 或升高），給土壤或巖層溫度場一個恢復期，并且可以減小地埋管換熱器的埋地深度和占地面積；又可以避免太陽能受天氣、季節、日照時間以及晝夜變化的影響，實現連續供熱水，實現寒區隧道持久、有效防凍。

圖2　3D立體模擬圖

2　隧道防凍系統設計

2.1熱源獲取系統：太陽能-地源熱泵系統

考慮到多種因素，我們采用太陽能-地緣熱泵串聯和并聯相結合的方式來實現獲取熱源。如圖1所示。

（1）串聯系統（關閉2，3，5，8，9）可以是熱水流經整個系統，使太陽能熱水系統和地緣熱泵熱水系統能夠相互補充，可以克服熱泵長期運行造成地下土壤溫度的降低（ 或升高），給土壤溫度場一個恢復期， 但是循環水量小，在一些不可避免的因素下可能造成水量不足。

（2）并聯系統（關閉5，8，9）中循環水量大，從而保證系統的可靠性，可采用太陽能為主、地源熱泵為輔的運行模式； 隨著天氣逐漸變冷，應采用地源熱泵為主、太陽能為輔，或完全采用地源熱。但是不能對下地溫度場產生恢復作用。

2.2埋管方式和隧道換熱管布置方式

2.2.1土壤源或巖層熱源熱泵埋管方式

地緣熱泵的埋管方式有很多種；針對于我們國家干寒和高寒兩種寒區類型，我們所設計的隧道防凍系統，我們采取以下埋管方式（如圖2所示）：

（1）在干寒地區，比如我國西北地區。由于地下水位較低，所以采取地下水源熱泵的方式不僅投資大、效率低，而且對水資源也有極大的破壞和浪費。為保證熱交換效率和投資、節能等因素，我們采取豎直埋管的方式，利用巖層和土壤源溫度場采熱。

（2）在高寒地區，比如青藏高原或高緯度地區的海底或河底隧道。由于這些地區地下水資源比較豐富，地下水位較低，而巖層較厚，在保證隧道結構穩定的條件下，可以采用地下水源熱泵來獲取熱量。所以采取豎直埋管方式從地下汲水，然后再隔一定距離把回水引入地下。所以這種方式水資源不會浪費還能保證地下水能夠很快的恢復。

垂直埋管淺層地能熱泵系統其優點是較小的土地占用，管路及水泵用電少。這一系統主要通過中間介質作為熱載，使中間介質在埋于土壤內部的封閉環路中循環流動，從而實現與大地土壤進行熱交換的目的。

2.2.2換熱管布置方式

換熱管布置方式分為縱向布置和橫向布置，由于縱向布置方式不僅系統總阻力小，減少電消耗，而且如果布置深，在一定程度上隧道深處的高溫巖壁或空氣也會對換熱管進行熱補償，從而減少地緣熱泵的負荷。所以我們采用縱向布置方式（如圖2所示）。

3　節能理論分析

平板集熱器和真空管太陽能集熱器是應用最廣的太陽光 熱轉換裝置。近年來，國產全玻璃真空管太陽能集熱器的質量和可靠性有了很大提高，而且成本也降低了不少，因此在家用生活熱水方面得到了廣泛的應用。太陽輻照量是影響太陽能集熱器的最主要因素。根據地區和安裝條件的不同，太陽能集熱器與水平面之間的傾角在之間變化。對我國的西北干寒地區而言，傾角為最不利傾角，而且水平面的太陽輻照量數值可從氣象資料中直接選取，所以，我們用采暖期水平面上的季平均日太陽輻照量作為集熱器的輻射量指標，計算時統一取西北干寒地區冬季最冷5個月（即十一月、十二月、一月、二月、三月）的平均日太陽輻照量。通過計算得到西北地區在采暖期水平面的日平均輻射量為15301Kj/（ m2.d）左右。

全玻璃真空管太陽能熱水器的能量平衡方程為：

式中： M：悶曬水量，KG； CP：水的平均定壓比熱KJ/（kg*℃）；T1：水的初始溫度， T2水的終止溫度； Tm集熱器內水的平均溫度， Ta周圍空氣的平均溫度，τ 玻璃管的太陽透射比， α吸收涂層的太陽吸收比； I累計太陽曝輻量KJ/ m2； Aa集熱管采光面積， m2UL（ T1-T2）范圍內平均熱損系數； Δt累積輻照時間； AL散熱面積， m2.玻璃真空集熱管有關參數τ =0.88；α =0.90； Aα=0.062 m2；AL=0.137 m2；平均水溫我們設為45℃， UL=0.6W/（ m2.℃）.假定集熱器內水的平均溫度為20℃，大氣的平均溫度為-1℃至-10℃，日平均輻射量為15301Kj/（ m2.d），北方地區冬季的平均日照時間為8h計算時將累計輻照時間為8h，根據公式計算求出單根集熱管每日集熱量為628KJ，則每平方米集熱面積每日的集熱量為8825KJ。

通過以上分析，我們可以看出采用太陽能輔助供暖能夠產生較好的效果，這對于單獨用地源熱泵系統有很大的提升作用，不僅減小了地緣熱泵的負荷，而且對地下溫度場也有恢復作用，節能效果顯而易見。

4　創新點與優點

（1）該系統無消耗化石燃料帶來的大氣污染，有熱污染、噪音、視覺污染、也沒有有害氣體排放污染。對環境保護有一定的作用。

（2）該系統所采用的能源均為可再生的能源，無須擔心能源衰竭的后果。

（3）該系統補償了單獨用地源熱泵所帶來的地質結構的危害，使地下溫度場得以恢復，對隧道保養和隧道安全有一定的作用。

（4）該系統采用太陽能—地熱能聯合系統，可靠性好。當一種單獨系統停止工作時，可以用另一種系統來應急。

（5）穩定可靠，維護簡單，運行穩定，使用壽命長，故障率小，操作簡單，維護費用小。

5　展望與前景

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。傳統的隧道防凍系統在各方面都有著這樣或那樣缺陷，在未來的發展過程中亟待需要一種高效、節能的隧道防凍技術來。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。

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