陳明全，孟祥忠

(重慶交通大學(xué)機(jī)電與車輛工程學(xué)院，重慶400074)

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道路能源
——地緣熱泵系統(tǒng)在寒區(qū)隧道防凍中的應(yīng)用

陳明全，孟祥忠

(重慶交通大學(xué)機(jī)電與車輛工程學(xué)院，重慶400074)

摘要：為了探索一種新的針對(duì)我國(guó)不同寒區(qū)類型而形成的具有適應(yīng)性的防凍系統(tǒng)，本文主要介紹道路能源應(yīng)用板塊。采用道路能源應(yīng)用系統(tǒng)不僅可以對(duì)隧道防凍，還可以利用太陽能實(shí)現(xiàn)對(duì)地?zé)釡囟葓?chǎng)的恢復(fù)和提高；是一種最節(jié)能的防凍措施，不僅在節(jié)能和效果上比傳統(tǒng)方式要明顯之外還增加隧道穩(wěn)定性和使用壽命。

關(guān)鍵詞：道路能源地源熱泵隧道防凍節(jié)能

引言

隨著我國(guó)西部大開發(fā)的進(jìn)程,位于寒區(qū)的交通隧道數(shù)量還會(huì)繼續(xù)增加,伴隨而來的隧道凍害問題會(huì)更多更加突出,探索科學(xué)防治隧道凍害的技術(shù)措施十分緊迫。目前更多采用的是簡(jiǎn)單的被動(dòng)措施,但是對(duì)于干寒和高寒這兩種類型的寒區(qū),其大多數(shù)溫度都處于0度以下,而且夏秋季節(jié)晝夜溫差比較大,導(dǎo)致隔熱材料長(zhǎng)期處于冷熱應(yīng)力交替狀態(tài),從而導(dǎo)致隔熱材料的壽命大大降低。

太陽能既是一種可再生能源,受到許多國(guó)家的重視。太陽能是最充足、最可靠、也最不會(huì)耗盡的能源，太陽照射地球一小時(shí)，提供的熱能比全世界一年的使用量還多[1-2]。

1瀝青路面太陽能集熱基本原理

1.1基本結(jié)構(gòu)。瀝青路面太陽能集熱系統(tǒng)由鋪設(shè)在瀝青面層內(nèi)的太陽能集熱裝置、儲(chǔ)熱器、輔助熱源、用戶熱交換器、循環(huán)泵等關(guān)鍵部件組成。其中鋪設(shè)在瀝青面層內(nèi)的太陽能集熱裝置結(jié)構(gòu)為自上而下依次是乳化瀝青混凝土封層、內(nèi)有換熱管組的導(dǎo)熱型瀝青混凝土層、隔熱材料層。導(dǎo)熱瀝青混凝土層是對(duì)普通瀝青混凝土進(jìn)行復(fù)合改性,使其導(dǎo)熱性能較普通瀝青混凝土有較大提高的一類瀝青混凝土,以提高集熱效率為最終目的。乳化瀝青混凝土防水層主要起到防水作用,保護(hù)導(dǎo)熱瀝青混凝土及其內(nèi)部的管道不受水的侵害,提高混凝土的耐久性[3-4]。

瀝青混凝土內(nèi)部設(shè)置的換熱管道組可以為U型或直線型,管道材料具有較高的導(dǎo)熱系數(shù),與瀝青混凝土具有良好的粘附性,在180℃時(shí)耐25t壓路機(jī)震動(dòng)碾壓。換熱管道組的進(jìn)出水口與地下熱交換器、上壤熱泵裝置、用戶熱交換器和循環(huán)泵連接,構(gòu)成本系統(tǒng)的熱循環(huán)閉合回路。地下熱交換器可以與巖石床、土壤及地下水儲(chǔ)熱器相連,實(shí)現(xiàn)能量的跨季節(jié)存儲(chǔ)。

1.2工作過程。瀝青路面太陽能集熱利用太陽能的光熱效應(yīng),其中瀝青路面起到吸熱板的作用。當(dāng)太陽光輻射瀝青路面上后,輻射能被瀝青路面吸收并轉(zhuǎn)換為熱能,路面溫度升高。在夏天時(shí),路面局部溫度可以升高到70℃。冬季供暖時(shí),通過土壤源熱汞裝置從地下儲(chǔ)熱器中取出熱量,用于隧道防凍。通過瀝青路面的能量收集和釋放過程可以在夏季給路面降溫,防止路面的永久變形;在冬季給路面升溫,避免溫縮裂縫的形成。同時(shí),給隧道防凍供暖,可以減少傳統(tǒng)能源在建筑能耗中的比重。

2道路能源—地緣熱泵隧道防凍系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1系統(tǒng)簡(jiǎn)介。在原有道路的混凝土層和柏油層中鋪設(shè)導(dǎo)熱性能良好的流水管道及管道的固定收集裝置。道路能源系統(tǒng)的主要目的就是從城市中普通柏油馬路中獲取太陽能,將其儲(chǔ)藏。

通過一種格子窗形狀的系統(tǒng)，把可彎曲的塑膠管固定在塑膠格子之上，外層覆上可讓太陽能效能加倍的瀝青，管中的冷水受熱后，循環(huán)系統(tǒng)會(huì)將之打進(jìn)地下的蓄水層，水溫會(huì)維持在20℃左右。加熱的水可在數(shù)月后重新取出使用，讓隧道在寒冷的冬季也不會(huì)結(jié)冰。夏季,道路能源系統(tǒng)從柏油路中收集太陽熱量,并將其存儲(chǔ)于地下,以便冬季供暖。每年冬季,將熱水從地下的熱水區(qū)抽出,通過管道傳送,為隧道供暖。

2.2系統(tǒng)運(yùn)行模式。主要設(shè)計(jì)圖如圖1。

圖1　道路集熱系統(tǒng)示意平面圖及3D立體圖

注：A、水泵B、路面集熱系統(tǒng)C、地源熱泵D、地埋排管E、地下蓄熱散熱器F、隧道換熱排管1,2,3,4、閥門

在夏季時(shí)，B進(jìn)行集熱，利用水泵A提供循環(huán)動(dòng)力，經(jīng)過B即熱后流入地下散熱器E進(jìn)行向地下含沙水層進(jìn)行散熱。循環(huán)為：B-E-3-A-2-B。由于含沙水層的流動(dòng)性，熱量傳遞給D，D為地源熱泵的地下埋管換熱器，利用地源熱泵制造熱量。

3結(jié)論與展望

中國(guó)是如今建造隧道和擁有隧道最多的國(guó)家,而且中國(guó)的隧道地理環(huán)境惡劣,特別是冰凍災(zāi)害。本系統(tǒng)在在防凍效果上不僅高效,而且節(jié)能,所以在未來隧道防凍技術(shù)上有很大的發(fā)展空間和應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)：

[1]2009-2010年中國(guó)能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)深度研究及投資分析報(bào)告[R].北京:中國(guó)研究報(bào)告網(wǎng),2009.9.

[2]李波.導(dǎo)熱瀝青混凝土及其性能研究[D].碩士學(xué)位論文.武漢:武漢理工大學(xué),2008.5.

[3]沈金安.國(guó)外浙青路面設(shè)計(jì)方法總匯[M].北京:人民交通出版社,2004.

[4]陳明宇.瀝青路面太陽能集熱性能研究(碩士論文)[D].武漢:武漢理工大學(xué)，2010.

中圖分類號(hào):U44

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1671-1602(2016)04-0013-01