[01530835]寒区公路隧道地源热泵型防冻保暖技术研究

(1)任务来源 “寒区公路隧道地源热泵型防冻保暖技术研究”为交通部西部交通建设科技项目,项目编号：2009 318 822 047。 （2）应用领域和技术原理 地源热泵型防冻保暖技术主要应用领域是寒区公路、铁路、市政等隧道的冻害防治领域。其技术原理为：寒区公路隧道地源热泵型防冻保暖系统是由取热段、加热段、热泵和分、集水管路组成。取热段位于隧道中部,由埋设于隧道初衬和复合式防水板之间的热交换管路组成;加热段位于隧道洞口处,由安装于二衬与保温层之间、以及保温水沟内的供热管路组成。寒区隧道地源热泵型防冻保暖系统的工作原理：位于初衬和复合式防水板之间的热交换管由分、集水管与地源热泵前端相连,形成封闭系统;供热管路由分、集水管与地源热泵末端相连,形成封闭系统。系统内注满传热循环介质（含防冻液）,在水泵的驱动下,热交换管内的传热循环介质在管内循环流动,利用管内传热循环介质与围岩之间的温差,吸收围岩中的地温能,经热泵提升后,通过位于二衬和保温层之间,以及保温水沟内的供热管,实现对隧道洞口段衬砌和保温水沟的加热。 （3）主要技术性能指标 1、寒区公路隧道地源热泵型防冻保暖系统运行能耗低,并可通过不到5年的运行期即可回收系统初期的额外投资;（合同要求“初期投资与动态运行成本总体上小于现有的主动供热法防冻保暖措施的成本”） 2、随着运行期增加,寒区公路隧道地源热泵型防冻保暖系统较其他主动加热型系统节能优势明显,节能近60%;（合同要求“比现有的电加热隧道防冻保暖技术节能20%～35%”） 3、寒区公路隧道地源热泵型防冻保暖系统是利用地温能经热泵提升对洞口进行加热的,系统运行期间没有CO2等污染气体排放,绿色环保。（合同要求“与燃煤锅炉的主动供热技术相比,无CO2排放”） （4）与国内外同类技术比较 国外在能源隧道技术方面主要贡献的是奥地利,奥地利维也纳技术大学H.Brandl教授首先在明挖法隧道中进行了能源隧道技术的试验,并将提取的地温能用来为附近的一所学校供暖,节省了学校取暖费用,同时减少了二氧化碳的排放量。奥地利在Lainzer隧道LT22区修建了另一个能源隧道技术的试验段,以研究能源隧道技术在新奥法施工的隧道中的应用等。本项目研究提出的寒区隧道地源热泵型防冻保暖技术也是将地源热泵与地下结构工程结合的能源隧道技术,与国外不同的是,本项目主要是利用隧道深埋段的地温能,通过地源热泵提升后对隧道洞口段衬砌和保温水沟加热,以解决寒区隧道冻害问题。 （5）成果的创新性、先进性 本项目取得了很多科研成果,其中主要创新性成果有：1、研发了寒区公路隧道地源热泵型防冻保暖系统,实现了寒区隧道供热防冻中的节能环保;2、建立了基于隧道地温能开发的寒区隧道地源热泵型防冻保暖技术适应性评价方法;3、建立了地源热泵系统从隧道中取热以及对隧道洞口段衬砌和水沟供热的传热模型和设计计算方法;4、提出了寒区隧道地源热泵型防冻保暖系统的施工质量控制方法。其先进性在于它是一种节能的主动加热型寒区隧道防冻保暖技术。 （6）主要经济社会效益 1、寒区公路隧道地源热泵型防冻保暖系统运行能耗低,并可通过不到5年的运行期即可回收系统初期的额外投资; 2、随着运行期增加,寒区公路隧道地源热泵型防冻保暖系统较其他主动加热型系统节能优势明显,节能近60%; 3、该系统运行期间没有CO2等污染气体排放,绿色环保; 4、可以减少保温隔热材料的用量,也节省一定量的材料费用和初期投资; 5、该技术能解决寒区隧道的长期冻害问题,避免了被动式防冻保温措施运营一段时期后产生隧道冻害需要翻修的弊端,增加了寒区隧道运行的安全性和可靠性,可节省大量的隧道冻害的处治费用; 6、该技术与隧道施工协同进行,不影响隧道工程的正常施工,与防寒泄水洞相比可以大大节省工期; 7、该技术将大大推进交通行业节能的科技进步,为实现“十一五”规划确定的节能减排目标作出贡献。 （7）推广应用范围、条件和前景以及存在的问题和改进意义 我国75%的国土陆地面积呈冬冻夏融的周期变化,并且76%的寒区隧道都发生了不同程度的冻害破坏,因此,寒区隧道地源热泵型防冻保暖系统具有广阔的推广应用前景。本项目研究成果可推广应用到寒冷地区修建的公路隧道、铁路隧道以及市政隧道,推广之前需进行地质条件和气象条件适应性评价分析。