太阳能-地源热泵复合系统在寒区隧道防冻上的应用

孟祥忠　张彤彤　吴宇　王仕林　秦怀燕　胡耀辉（重庆交通大学机电与汽车工程学院，重庆　400074）

太阳能-地源热泵复合系统在寒区隧道防冻上的应用

孟祥忠张彤彤吴宇王仕林秦怀燕胡耀辉
（重庆交通大学机电与汽车工程学院，重庆400074）

本系统是根据太阳能-地源热泵联合系统针对我国不同寒区类型而形成的具有适应性的防冻系统。白天在太阳能内的水温上升到可适用的温度时只用太阳能，在夜晚采用地源热泵系统和太阳能余热来进行运行。太阳能-地源热泵系统不仅在节能和效果上比传统方式要明显之外，还可以利用太阳能实现对地热温度场的恢复和提高，从而增加隧道稳定性和使用寿命。

寒区隧道防冻太阳能-地源热泵系统节能减排

1　引言

随着我国西部大开发的进程，位于寒区的交通隧道数量还会继续增加，伴随而来的隧道冻害问题会更多更加突出，探索科学防治隧道冻害的技术措施十分紧迫。目前更多采用的是简单的被动措施，其出发点是想通过更多地排除隧道衬砌周围地下水这个冻害的介质、增加保温隔热材料以防止衬砌表面及内部温度的降低，但是对于干寒和高寒这两种类型的寒区，其大多数温度都处于0度以下，而且夏秋季节昼夜温差比较大，导致隔热材料长期处于冷热应力交替状态，从而导致隔热材料的寿命大大降低。保温水沟、中心深埋水沟、防寒保温门、燃煤加温、电加热等防冻措施，在岩土结构、效率、节能减排上都存在严重的问题。如今，也有的工程技术人员进行了一些利用地层中热量的热管技术及地源热泵技术的探讨。这种方式虽然在一定程度上解决了冻害，但是由于热源来自地下热水或土壤、岩层温度场，长期运行也会导致地下温度场发生改变，从而导致岩土的结构易发生改变，对隧道寿命和交通安全埋下了严重的隐患。

干寒和高寒地区光照强度大，能见度高，太阳能利用效率高。太阳能+地源热泵混合热水系统将地源热泵与太阳能结合在一起，既可以克服热泵长期运行造成隧道地下土壤或岩层温度的降低（ 或升高），给土壤或岩层温度场一个恢复期，并且可以减小地埋管换热器的埋地深度和占地面积；又可以避免太阳能受天气、季节、日照时间以及昼夜变化的影响，实现连续供热水，实现寒区隧道持久、有效防冻。

图2　3D立体模拟图

2　隧道防冻系统设计

2.1热源获取系统：太阳能-地源热泵系统

考虑到多种因素，我们采用太阳能-地缘热泵串联和并联相结合的方式来实现获取热源。如图1所示。

（1）串联系统（关闭2，3，5，8，9）可以是热水流经整个系统，使太阳能热水系统和地缘热泵热水系统能够相互补充，可以克服热泵长期运行造成地下土壤温度的降低（ 或升高），给土壤温度场一个恢复期， 但是循环水量小，在一些不可避免的因素下可能造成水量不足。

（2）并联系统（关闭5，8，9）中循环水量大，从而保证系统的可靠性，可采用太阳能为主、地源热泵为辅的运行模式； 随着天气逐渐变冷，应采用地源热泵为主、太阳能为辅，或完全采用地源热。但是不能对下地温度场产生恢复作用。

2.2埋管方式和隧道换热管布置方式

2.2.1土壤源或岩层热源热泵埋管方式

地缘热泵的埋管方式有很多种；针对于我们国家干寒和高寒两种寒区类型，我们所设计的隧道防冻系统，我们采取以下埋管方式（如图2所示）：

（1）在干寒地区，比如我国西北地区。由于地下水位较低，所以采取地下水源热泵的方式不仅投资大、效率低，而且对水资源也有极大的破坏和浪费。为保证热交换效率和投资、节能等因素，我们采取竖直埋管的方式，利用岩层和土壤源温度场采热。

（2）在高寒地区，比如青藏高原或高纬度地区的海底或河底隧道。由于这些地区地下水资源比较丰富，地下水位较低，而岩层较厚，在保证隧道结构稳定的条件下，可以采用地下水源热泵来获取热量。所以采取竖直埋管方式从地下汲水，然后再隔一定距离把回水引入地下。所以这种方式水资源不会浪费还能保证地下水能够很快的恢复。

垂直埋管浅层地能热泵系统其优点是较小的土地占用，管路及水泵用电少。这一系统主要通过中间介质作为热载，使中间介质在埋于土壤内部的封闭环路中循环流动，从而实现与大地土壤进行热交换的目的。

2.2.2换热管布置方式

换热管布置方式分为纵向布置和横向布置，由于纵向布置方式不仅系统总阻力小，减少电消耗，而且如果布置深，在一定程度上隧道深处的高温岩壁或空气也会对换热管进行热补偿，从而减少地缘热泵的负荷。所以我们采用纵向布置方式（如图2所示）。

3　节能理论分析

平板集热器和真空管太阳能集热器是应用最广的太阳光 热转换装置。近年来，国产全玻璃真空管太阳能集热器的质量和可靠性有了很大提高，而且成本也降低了不少，因此在家用生活热水方面得到了广泛的应用。太阳辐照量是影响太阳能集热器的最主要因素。根据地区和安装条件的不同，太阳能集热器与水平面之间的倾角在之间变化。对我国的西北干寒地区而言，倾角为最不利倾角，而且水平面的太阳辐照量数值可从气象资料中直接选取，所以，我们用采暖期水平面上的季平均日太阳辐照量作为集热器的辐射量指标，计算时统一取西北干寒地区冬季最冷5个月（即十一月、十二月、一月、二月、三月）的平均日太阳辐照量。通过计算得到西北地区在采暖期水平面的日平均辐射量为15301Kj/（ m2.d）左右。

全玻璃真空管太阳能热水器的能量平衡方程为：

式中： M：闷晒水量，KG； CP：水的平均定压比热KJ/（kg*℃）；T1：水的初始温度， T2水的终止温度； Tm集热器内水的平均温度， Ta周围空气的平均温度，τ 玻璃管的太阳透射比， α吸收涂层的太阳吸收比； I累计太阳曝辐量KJ/ m2； Aa集热管采光面积， m2UL（ T1-T2）范围内平均热损系数； Δt累积辐照时间； AL散热面积， m2.玻璃真空集热管有关参数τ =0.88；α =0.90； Aα=0.062 m2；AL=0.137 m2；平均水温我们设为45℃， UL=0.6W/（ m2.℃）.假定集热器内水的平均温度为20℃，大气的平均温度为-1℃至-10℃，日平均辐射量为15301Kj/（ m2.d），北方地区冬季的平均日照时间为8h计算时将累计辐照时间为8h，根据公式计算求出单根集热管每日集热量为628KJ，则每平方米集热面积每日的集热量为8825KJ。

通过以上分析，我们可以看出采用太阳能辅助供暖能够产生较好的效果，这对于单独用地源热泵系统有很大的提升作用，不仅减小了地缘热泵的负荷，而且对地下温度场也有恢复作用，节能效果显而易见。

4　创新点与优点

（1）该系统无消耗化石燃料带来的大气污染，有热污染、噪音、视觉污染、也没有有害气体排放污染。对环境保护有一定的作用。

（2）该系统所采用的能源均为可再生的能源，无须担心能源衰竭的后果。

（3）该系统补偿了单独用地源热泵所带来的地质结构的危害，使地下温度场得以恢复，对隧道保养和隧道安全有一定的作用。

（4）该系统采用太阳能—地热能联合系统，可靠性好。当一种单独系统停止工作时，可以用另一种系统来应急。

（5）稳定可靠，维护简单，运行稳定，使用寿命长，故障率小，操作简单，维护费用小。

5　展望与前景

中国是如今建造隧道和拥有隧道最多的国家，而且中国的隧道地理环境恶劣，特别是冰冻灾害。传统的隧道防冻系统在各方面都有着这样或那样缺陷，在未来的发展过程中亟待需要一种高效、节能的隧道防冻技术来。本系统在在防冻效果上不仅高效，而且节能，所以在未来隧道防冻技术上有很大的发展空间和应用前景。

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