隧道洞口段衬砌加热系统.pdf

本发明公开了一种隧道洞口段衬砌加热系统，包括取暖管路、地源热泵和供暖管路，其中取暖管路、供暖管路均埋设于隧道中，且分别与地源热泵连接，各自形成循环回路。隧道洞口段衬砌加热系统可以彻底根除隧道冻害，将地源热泵的热交换管埋设于初衬与二衬之间，替代传统地源热泵埋管所需的地下钻孔，还可以节省部分初期建设投资，供热管埋设于二衬与保温层之间。本发明与隧道施工同步进行，可以很好的控制热交换管的施工质量。本发明充分利用地源热泵的节能效果，与传统电加热系统相比，可节省70％的后期运行维护费用。与普通燃料锅炉相比

1.  一种隧道洞口段衬砌加热系统，其特征是：包括取暖管路、地源热泵(5)和供暖管路，其中取暖管路、供暖管路均埋设于隧道中，且分别与地源热泵(5)连接，各自形成循环回路。

2.  根据权利要求1所述的隧道洞口段衬砌加热系统，其特征是：所述取暖管路包括多组热交换管(2)，各组热交换管(2)的两端分别通过第一出水总管(3)、第一进水总管(4)与地源热泵(5)连接。

3.  根据权利要求1所述的隧道洞口段衬砌加热系统，其特征是：所述供暖管路包括多组供热管(8)，各组供热管(8)的两端分别通过第二出水总管(6)、第二进水总管(7)与地源热泵(5)连接。

4.  根据权利要求2所述的隧道洞口段衬砌加热系统，其特征是：所述热交换管(2)铺设于隧道初衬(9)与二次衬砌(10)之间。

5.  根据权利要求3所述的隧道洞口段衬砌加热系统，其特征是：在隧道洞口段的二次衬砌(10)外设有保温层(11)，所述供热管(8)铺设于二次衬砌(10)与保温层(11)之间。

6.  根据权利要求5所述的隧道洞口段衬砌加热系统，其特征是：所述二次衬砌(10)与保温层(11)之间为空气夹层(12)。

7.  根据权利要求1所述的隧道洞口段衬砌加热系统，其特征是：所述取暖管路、供暖管路均沿隧道轴向或环向铺设在隧道中。

隧道洞口段衬砌加热系统
技术领域
本发明属于寒区隧道的防冻保暖，具体说是一种用于隧道洞口段的衬砌加热系统。
背景技术
寒冷地区的铁路、公路隧道冻害现象普遍严重，导致隧道衬砌结构破环甚至报废，严重影响隧道的正常运行和安全。寒区隧道急需解决洞口段冻害问题。
目前，国内外隧道采用的防冻保暖措施主要有在隧道二衬外侧或在二衬与初衬之间铺设一定厚度的保温隔热层技术、洞口处安装防寒保温门技术、利用电锅炉或燃料锅炉对隧道通暖气技术以及在隧道洞壁埋设加热电缆的主动型防冻保暖技术等。以上几项技术存在的缺陷为：首先，寒区隧道在无热量供给的情况下，仅靠保温隔热层技术是无法根除隧道冻害的发生；其次，防寒保温门只适合于车流量小的隧道；再次，利用电锅炉和燃料锅炉对隧道通暖气技术及隧道洞壁埋设加热电缆的主动型防冻保暖技术可以避免隧道冻害的发生，但是这两种技术运营、维护及管理费用高、能耗大，燃料锅炉还会造成一定的空气污染。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种隧道洞口段衬砌加热系统，以彻底根除寒区隧道冻害，为隧道运营提供保障。
本发明采用以下技术方案：
一种隧道洞口段衬砌加热系统，包括取暖管路、地源热泵和供暖管路，其中各管路均埋设于隧道中，且分别与地源热泵连接，各自形成循环回路。
优选地，所述取暖管路包括多组热交换管，各组热交换管的两端分别通过第一出水总管、第一进水总管与地源热泵连接。
优选地，所述供暖管路包括多组供热管，各组供热管的两端分别通过第二出水总管、第二进水总管与地源热泵连接。
优选地，所述热交换管铺设于隧道初衬与二次衬砌之间。
优选地，在隧道洞口段的二次衬砌外设有保温层，所述供热管铺设于二次衬砌与保温层之间。
优选地，所述二次衬砌与保温层之间为空气夹层。
优选地，所述取暖管路、供暖管路均沿隧道轴向或环向铺设在隧道中。
隧道洞口段衬砌加热系统可以彻底根除隧道冻害，将地源热泵的热交换管埋设于初衬与二衬之间，替代传统地源热泵埋管所需的地下钻孔，同时还可以节省部分初期建设投资，供热管埋设于二衬与保温层之间。本发明与隧道施工同步进行，可以很好的控制热交换管的施工质量。本发明充分利用地源热泵的节能效果，与传统电加热系统相比，可节省70％的后期运行维护费用。与普通燃料锅炉相比，无CO₂排放。
附图说明
图1为本发明的原理图，所示箭头为循环介质在管道中的流动方向。
图2为热交换管布置横断面图。
图3为图2中圈A的放大样图。
图4为洞口段供热管布置横断面图。
图5为图4中圈B的放大样图。
其中，附图标记如下：
1、围岩                    8、供热管
2、热交换管                9、初衬
3、第一出水总管            10、二次衬砌
4、第一进水总管            11、保温层
5、地源热泵                12、空气夹层
6、第二出水总管
7、第二进水总管
具体实施方式
参见图1～图5，隧道洞口段衬砌加热系统包括前端采集(取暖管路)、地源热泵5、末端供暖(供暖管路)三部分。前端采集部分距离隧道洞口段一定距离，提供加热系统所需的地温热；末端供暖部分在隧道洞口段，以热传导和辐射方式加热。地源热泵5作为前、末端间的中转站，负责把前端采集的热量提升，并传递到后端。各部分之间通过进、出水总管连接。前端采集包括多组热交换管2，每组热交换管2的首尾两端分别与第一出水总管3、第一进水总管4连接，以形成多个循环回路。末端供暖包括多组供热管8，每组供热管8的首尾两端分别与第二出水总管6、第二进水总管7连接，亦形成多个循环回路。热交换管2与供热管8均埋设于隧道中。具体讲，热交换管2铺设在隧道初衬9与二次衬砌10之间；洞口段二次衬砌10外设保温层，供热管8铺设在二次衬砌10与保温层的空气夹层12中。所有管路均沿隧道轴向或环向铺设，在图1～5中，示出的都是管路沿轴向铺设的实施例。
利用地源热泵对隧道洞口段衬砌加热的工作原理如下：在距离隧道洞口一定距离具有足够的埋深处，在隧道初衬9与二次衬砌10之间按一定的间距铺设热交换管2并形成环路，传热循环介质在热交换管环路系统中循环时与初衬9和围岩1进行热交换，吸收热量，该部分热量经过地源热泵5提升使得供热管8内的传热循环介质达到目标温度，传热循环介质在供热管8环路系统中，对隧道洞口段二次衬砌10和二次衬砌10与保温层之间空气进行加热。
参考图1～图5，地源热泵对隧道洞口段衬砌加热系统可按如下步骤实施：
1.隧道开挖后施工初衬；
2.在距离隧道洞口一定距离具有足够的埋深处，将地源热泵的热交换管埋设在初衬表面并与初衬表面紧密接触；
3.利用水泥砂浆或喷射混凝土将热交换管铺设面找平；
4.施工隧道防水层和二次衬砌；
5.每组热交换管两端头露出衬砌底部，分组并联连接到第一出水总管和第一进水总管组成环路，再连接到地源热泵系统(前端)；
6.传热循环介质在热交换管环路系统中循环，与衬砌和围岩进行热交换；
7.根据传热模型计算热交换管总长度并分组；
8.根据传热循环介质在热交换管环路中的流量和进出口目标温度，确定热交换管的分组和布置；
9.热交换管传热循环介质中的热量经过地源热泵系统提升，加热供热管中的循环介质；
10.在拟加热的隧道洞口段二次衬砌施工后，将地源热泵的供热管固定在二次衬砌表面并与二次衬砌表面紧密接触；
11.施工隧道保温层，将热交换管系统铺设在二次衬砌与保温层的间隙(即空气夹层)中；
12.每组热交换管两端头露出衬砌底部，分组并联连接到第二出水总管和第二进水总管组成环路，再连接到地源热泵(末端)；
13.传热循环介质在供热管环路中循环，与衬砌和空气进行热交换；
14.根据传热模型计算供热管总长度；
15.根据传热循环介质在供热管环路中的流量和进出口目标温度，确定供热管系统的分组和布置。