一种基于围岩内热管与热交换管耦合传热的能源隧道增强换热结构

1.本发明涉及能源隧道的增强换热技术领域，特别涉及一种基于围岩内热管与热交换管耦合传热的能源隧道增强换热结构。


背景技术：

2.能源隧道技术是一种新型的用于浅层地热能开发的地源热泵技术，通过隧道结构与地埋管热交换系统一体化，解决了传统的浅层地热能开发技术占用地下空间和施工成本高的难题，在建筑节能领域中具有广阔的应用前景。另外，将地埋管热交换系统安装于地下防护工程结构内，提取围岩内的低岩温地热能，用于关键部位热处理，保障运行安全；同步将防护工程内的热量存储于围岩内，攻克热暴露难题，所以能源隧道技术在地下防护工程中应用潜力巨大。
3.然而，在工程应用中发现，能源隧道技术目前还存在围岩热交换效率低与热泵能效衰减快的瓶颈。由于岩土体的导热性不佳，邻近热交换管的能源隧道围岩内形成了“阻热圈”，导致热交换管内循环流体的温度持续升高，热泵运行能效则快速下降，致使低岩温地热能的提取效率下降。同样，随着系统运行时间的增加，“阻热圈”逐渐形成并且其内的热量不断累积，增加了地下防护工程热暴露的可能性。
4.另外，国内外学者主要关注常规隧道热交换器的传热研究，开展了不同地区隧道热交换器的现场试验及理论分析工作。但常规能源隧道单位面积围岩的换热量不高，最小值约为17w/m2，最大值约为120w/m2，与单位延米垂直钻孔的换热量相当，未能发挥隧道围岩取能空间大的优势，亟待开发能源隧道增强换热新技术(franzius，2011；cousin，2019；insana，2020；ogunleye，2020；tong，2022)。
5.因此，本发明提出了一种基于围岩内热管与热交换管耦合传热的能源隧道增强换热结构，以穿透能源隧道围岩内的“阻热圈”，实现围岩中的地热能跨距离同步开采，大幅提升开采效率，同时减少地下防护工程热暴露的可能性。


技术实现要素：

6.本发明的目的在于针对背景技术中提出的问题，提供一种基于围岩内热管与热交换管耦合传热的能源隧道增强换热结构，以穿透能源隧道围岩内的“阻热圈”，实现围岩中的地热能跨距离同步开采，大幅提升开采效率，同时减少地下防护工程热暴露的可能性。
7.为了实现上述目的，本发明提供以下技术方案：
8.一种基于围岩内热管与热交换管耦合传热的能源隧道增强换热结构，包括热管1、热交换管2和热泵5，其特征在于：所述热管1的一端埋入围岩11内，所述热管1的另一端埋入隧道初衬6内，所述热交换管2与热管1垂直，所述热交换管2埋设于隧道初衬6与防水板7之间，所述热泵5安装于隧道中央，所述热交换管2的首、尾与热泵5的前端之间分别连接有分水管3和集水管4；
9.首先，围岩11内的地温能通过所述热管1源源不断地传入隧道初衬6及其四周围岩；其次，传入隧道初衬6及其四周围岩的地温能再由隧道初衬6与防水板7之间的热交换管2通过首尾连接的分水管3和集水管4传至热泵5，传至热泵5的地温能为低品质的地温能，经热泵5提升后，得到较高质量的热能，提高了地温能的收集面积和效率。
10.进一步地，所述热管1的类型为重力热管，可以安装在围岩中空锚杆内，也可直接安装于围岩钻孔内；当取热工况时，热管正倾角；当取冷工况时，热管负倾角；倾角的范围为
±
15～90度。
11.进一步地，所述热管1插入围岩钻孔或中空锚杆后立马在周围缝隙中填充砂浆将其固定在围岩钻孔或中空锚杆的中间位置，并且，将埋入隧道初衬6的热管1的一端固定在距离防水板7或热交换管2的2～15cm处，并将热管1与热交换管2之间的其他空隙用砂浆填充固定。
12.进一步地，所述热管1需要根据具体的隧道的冷热负荷需求，进行细化布置；当全年都为取热工况时，热管主要布置在拱腰和仰拱底部围岩内；当全年都为取冷工况时，热管主要布置在拱腰和拱顶围岩内；当全年的冷热工况均存在时，热管在拱顶、拱腰和仰拱底部围岩内均可布置。
13.作为优选，可以根据实际情况适当改变取冷热管和取热热管的数量和比例，考虑到围岩温度场的恢复，应优先在拱腰处布置，当拱腰处布置不满足冷负荷需求时，在拱顶围岩内布置热管，当拱腰处布置不满足热负荷需求时，在仰拱围岩内布置热管。
14.进一步地，布置在拱腰处的热管1可以在安装时通过调整倾角，使其可在隧道轴向或径向相间布置。
15.进一步地，当隧道为取冷工况时，仅布设取冷热管，此时热管布设在拱顶或拱腰或同时布设在拱顶和拱腰处的围岩内，根据具体的隧道的冷负荷需求，热管以不同的间隔沿隧道轴向和纵向布置，最小间隔为1m。
16.进一步地，当隧道为取热工况时，仅布设取热热管，此时热管布设在仰拱或拱腰或同时布设在仰拱和拱腰处的围岩内，根据具体的隧道的冷负荷需求，热管以不同的间隔沿隧道轴向和纵向布置，最小间隔为1m。
17.进一步地，当隧道同时存在取热和取冷工况时，取冷热管和取热热管都需布设，此时拱顶处的围岩内布设取冷热管，仰拱处的围岩内布设取热热管，拱腰处的取冷和取热热管相间布置，根据具体的隧道的冷负荷需求，拱顶和仰拱内围岩处的热管以不同的间隔沿隧道轴向和纵向布置，最小间隔为1m，拱腰处相间布置的取冷和取热热管最小间隔为0.5m。
18.与现有技术相比，本发明的有益效果为：本发明将重力热管和能源隧道技术相结合，解决了由于岩土体的导热性不佳，邻近热交换管的能源隧道围岩内形成了“阻热圈”，导致热交换管内循环流体的温度持续升高，热泵运行能效则快速下降的问题，提升能源隧道围岩的热交换效率，提高能源隧道地源热泵系统的长期运行能效，突破能源隧道技术的瓶颈。
附图说明
19.图1为本发明的基于围岩内热管与换热器耦合传热的能源隧道增强换热结构的断面图；
20.图2为本发明中的重力热管近隧道端的埋设方式；
21.图3为本发明中的几种重力热管的布设形式的断面图；其中，图3(a)对应取冷工况，图3(b)～(f)对应皆为取冷和取热工况，具体布置位置和数量需根据围岩地质条件与功率需求确定。
22.图中：热管1，热交换管2，分水管3，集水管4，热泵5，隧道初衬6，防水板7，隧道二衬8，隔热层9，热管周围的混凝土填充10，围岩11。
具体实施方式
23.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，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。
24.实施例1
25.一种基于围岩内热管与热交换管耦合传热的能源隧道增强换热结构，如图1所示，包括热管1、热交换管2和热泵5，所述热管1的一端埋入围岩11内，所述热管1的另一端埋入隧道初衬6内，所述热交换管2与热管1垂直，所述热交换管2埋设于隧道初衬6与防水板7之间，所述热泵5安装于隧道中央，所述热交换管2的首、尾与热泵5的前端之间分别连接有分水管3和集水管4；
26.首先，围岩11内的地温能通过所述热管1源源不断地传入隧道初衬6及其四周围岩；其次，传入隧道初衬6及其四周围岩的地温能再由隧道初衬6与防水板7之间的热交换管2通过首尾连接的分水管3和集水管4传至热泵5，传至热泵5的地温能为低品质的地温能，经热泵5提升后，得到较高质量的热能，提高了地温能的收集面积和效率。
27.所述热管1的类型为重力热管，可以安装在围岩中空锚杆内，也可直接安装于围岩钻孔内；当取热工况时，热管正倾角；当取冷工况时，热管负倾角；倾角的范围为
±
15～90度。
28.如图2所示，所述热管1插入围岩钻孔或中空锚杆后立马在周围缝隙中填充砂浆将其固定在围岩钻孔或中空锚杆的中间位置，并且，将埋入隧道初衬6的热管1的一端固定在距离防水板7或热交换管2的2～15cm处，并将热管1与热交换管2之间的其他空隙用砂浆填充固定。
29.实施例2
30.如图3所示，所述热管1需要根据具体的隧道的冷热负荷需求，进行细化布置；当全年都为取热工况时，热管主要布置在拱腰和仰拱底部围岩内；当全年都为取冷工况时，热管主要布置在拱腰和拱顶围岩内；当全年的冷热工况均存在时，热管在拱顶、拱腰和仰拱底部围岩内均可布置。可以根据实际情况适当改变取冷热管和取热热管的数量和比例，考虑到围岩温度场的恢复，应优先在拱腰处布置，当拱腰处布置不满足冷负荷需求时，在拱顶围岩内布置热管，当拱腰处布置不满足热负荷需求时，在仰拱围岩内布置热管。布置在拱腰处的热管1可以在安装时通过调整倾角，使其可在隧道轴向或径向相间布置。
31.当隧道为取冷工况时，仅布设取冷热管，此时热管布设在拱顶或拱腰或同时布设在拱顶和拱腰处的围岩内，根据具体的隧道的冷负荷需求，热管以不同的间隔沿隧道轴向和纵向布置，最小间隔为1m；当隧道为取热工况时，仅布设取热热管，此时热管布设在仰拱
或拱腰或同时布设在仰拱和拱腰处的围岩内，根据具体的隧道的冷负荷需求，热管以不同的间隔沿隧道轴向和纵向布置，最小间隔为1m；当隧道同时存在取热和取冷工况时，取冷热管和取热热管都需布设，此时拱顶处的围岩内布设取冷热管，仰拱处的围岩内布设取热热管，拱腰处的取冷和取热热管相间布置，根据具体的隧道的冷负荷需求，拱顶和仰拱内围岩处的热管以不同的间隔沿隧道轴向和纵向布置，最小间隔为1m，拱腰处相间布置的取冷和取热热管最小间隔为0.5m。
32.实施例3
33.发明原理：重力热管具有高效的热传输能力，由蒸发段、绝热管和冷凝段三部分组成，工质和长度均符合能源隧道传热要求。利用热管高效和连续的热传输能力，结合热管没有固定的长度和形状的特点。以重力热管穿透隧道围岩内的“阻热圈”，形成高效的热传输通道，诱导不同深度围岩中的地热能向热交换器主动传输，实现围岩中的地热能跨距离同步开采。热管即可以安装在围岩中空锚杆内，也可直接安装于围岩钻孔内。
34.利用室外夏季和冬季温差大的特点，通过安装在隧道初衬与防水板之间的热交换管从隧道初衬及其四周取冷或取热，再经地源热泵提升后，就可获得较高质量的热能，再加上热管源源不断将更深处的围岩的地温能传至隧道初衬及其四周，二者耦合传热即实现了更高效率和更大范围围岩的地温能开采，进而实现对隧道内和附近建筑供冷或供热。
35.以上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。