基于浅层地热交换的隧道温度调节系统的制作方法

1.本实用新型涉及隧道工程技术领域，具体为基于浅层地热交换的隧道温度调节系统。


背景技术：

2.本部分的陈述仅仅是提供了与本实用新型相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
3.隧道在施工建设阶段，围岩支护结构的强度发育需要特定的温度养护条件，同时也为隧道建设工作人员提供了舒适的工作环境，而隧道受限于自身的结构通风困难，难以控制其内部温度，建设完毕运营中的隧道会采用机械通风或是机械制热/制冷的方式控制内部的温度，但在施工建设阶段需要耗费大量成本用于隧道内部的温度控制。
4.例如，在夏季期间，隧道内、外的温度较高，需要在隧道掌子面或隧道空腔进行降温处理，占用极高的成本；在冬季期间，隧道进口或出口附近极易发生冻害，造成施工中的隧道衬砌冻胀开裂、剥落等问题，使隧道发生结构性破坏，同时还对排水系统有较大的损坏，目前对于隧道的冬季保暖措施，多采用铺设保温层及电加热的方法，然而这些措施使得后期运营成本较高，且污染较大。


技术实现要素：

5.为了解决上述背景技术中存在的技术问题，本实用新型提供基于浅层地热交换的隧道温度调节系统，沿隧道铺设方向在设定间距的断面初衬与二衬之间和排水沟下方布置用于释放地热能的热交换管道，在隧道底板下方空间内布置用于吸收地热能的热提取管道，通过地源热泵提供管道内介质的运输动力，配合辅助的加热器/冷却器，实现隧道某一断面区域的温度控制；整条隧道间隔设定距离铺设上述设备，通过沿隧道方向布置的温度测线获取温度变化，当隧道某两组断面之间的区域出现温度异常启动对应断面的地源热泵实现该区域的温度控制。
6.为了实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案：
7.本实用新型的第一个方面提供基于浅层地热交换的隧道温度调节系统，包括：
8.浅层地热交换单元，沿隧道铺设方向布置，包括设置在隧道断面的初衬与二衬之间，和排水沟下方的热交换管道，设置在对应隧道断面底板下方空间的热提取管道，热交换管道通过地源地泵与热提取管道连接沿隧道断面形成循环；
9.温度监测单元，包括沿隧道铺设方向布置的温度测线，温度测线上间隔设定距离连接多组温度传感器，获取隧道的温度变化；
10.温度控制单元，根据温度监测单元获取的隧道温度变化，控制隧道中对应断面的浅层地热交换单元。
11.隧道浅层地热交换单元具有浅层地埋取热区和围岩热交换区；浅层地埋取热区位于隧道底板的下方空间，空间内设有与热提取管道连接的加热器和/或冷却器，热提取管道
位于空间底部的岩层中；围岩热交换区位于隧道底板的上方空间，包括布置在初衬和二衬之间的第二热交换管道，和布置在排水沟底部空间的第一热交换管道，第一热交换管道与第二热交换管道相连通且均与地源热泵连接。
12.地源热泵位于隧道底板的上方沿隧道边墙等间距布置并与热提取管道连接。
13.地源热泵位于与排水沟相远离的一侧隧道边墙，且分别与热提取管道、第一热交换管道和第二热交换管道相连接。
14.热提取管道、第一热交换管道和第二热交换管道内均充满导热介质。
15.温度监测单元包括在隧道边墙和拱顶上布置的温度测线，测线布置方向与隧道铺设方向一致，每条温度测线上等间隔布置多个温度传感器，温度传感器通过温度测线连接温度监测模块，获取隧道的温度变化，发送给温度控制单元。
16.浅层地热交换单元工作状态下具有被动应用模式和主动应用模式；被动应用模式下，利用地源热泵连通的热提取管道和热交换管道与周围的岩石或土壤换热进行隧道降温或保暖，以维持隧道整体处于设定的温度变化范围内。主动应用模式下，加热器或冷却器工作，同时利用地热能和加热器，或地热能和冷却器进行隧道降温或保暖。使隧道异常区域的温度恢复至正常范围。
17.与现有技术相比，以上一个或多个技术方案存在以下有益效果：
18.1、整条隧道间隔设定距离铺设浅层地热交换单元，根据隧道整体的温度变化，当隧道某两组断面之间的区域出现温度异常时，利用对应断面上的浅层地热交换单元实现该区域的温度控制。
19.2、浅层地热交换单元中，沿隧道铺设方向在设定间距的断面初衬与二衬之间和排水沟下方布置用于释放地热能的热交换管道，在隧道底板下方空间内布置用于吸收地热能的热提取管道，配合地源热泵利用热提取管道获取地热能维持隧道处于正常温度范围。
20.3、当隧道某一区域出现温度异常时，该区域存在的地热能已经无法维持隧道的正常温度，则配合辅助的加热器或冷却器，以机械制热或制冷的方式使隧道某一断面覆盖区域的温度恢复到正常范围。
附图说明
21.构成本实用新型的一部分的说明书附图用来提供对本实用新型的进一步理解，本实用新型的示意性实施例及其说明用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的不当限定。
22.图1是本实用新型一个或多个提供的基于浅层地热交换的隧道温度调节系统结构示意图；
23.图2是本实用新型一个或多个提供的温度监测单元的结构示意图；
24.图3是本实用新型一个或多个提供的系统工作过程示意图；
25.图中：1-热提取管道；2-钻孔填料；3-钻孔壁；4-加热器/冷却器；5-地源热泵；6-路面；7-第一热交换管道；8-排水沟；9-二衬；10-初衬；11-第二热交换管道；12-围岩，13-温度测线，14-温度传感器，15-隧道洞壁，16-浅层地埋取热区，17-围岩热交换区，18-温度监测模块，19-温度控制单元，20-隧道底板。
具体实施方式
26.下面结合附图与实施例对本实用新型作进一步说明。
27.应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本实用新型提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本实用新型所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
28.需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本实用新型的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
29.正如背景技术中所描述的，隧道受限于自身的结构通风困难，在施工建设阶段需要耗费大量成本用于隧道内部的温度控制。
30.浅层地热能(shallow geothermal energy)是指地表以下一定深度范围内(一般为恒温带至200m埋深)，温度低于25℃，在当前技术经济条件下具备开发利用价值的地球内部的热能资源。浅层地热能是地热资源的一部份。其能量主要来源于太阳辐射与地球梯度增温。
31.浅层地热能可以通过利用水或空气等传热介质与周围岩石或土壤进行热量交换实现利用，在地面建筑和隧道领域已经出现了相关应用。而目前隧道中利用地热的多为深埋隧道，深埋隧道内的地热资源丰富，而对于浅埋隧道或地面公路/铁路隧道，受限于地热资源分布不均的问题，提取地热资源存在可利用能源不均衡的情况。
32.因此以下实施例给出基于浅层地热交换的隧道温度调节系统，沿隧道铺设方向在设定间距的断面初衬与二衬之间和排水沟下方布置用于释放地热能的热交换管道，在隧道底板下方空间内布置用于吸收地热能的热提取管道，通过地源热泵提供管道内介质的运输动力，配合辅助的加热器/冷却器，实现隧道某一断面区域的温度控制；整条隧道间隔设定距离铺设上述设备，通过沿隧道方向布置的温度测线获取温度变化，当隧道某两组断面之间的区域出现温度异常启动对应断面的地源热泵实现该区域的温度控制。
33.实施例一：
34.如图1-3所示，基于浅层地热交换的隧道温度调节系统，包括：
35.浅层地热交换单元，包括布置在隧道断面的初衬与二衬之间，和排水沟下方的热交换管道，布置在对应隧道断面底板下方空间的热提取管道，热交换管道通过地源地泵与热提取管道连接沿隧道断面形成循环；
36.温度监测单元，包括沿隧道铺设方向布置的温度测线，温度测线上间隔设定距离连接多组温度传感器，获取隧道的温度变化；
37.温度控制单元，根据温度监测单元获取的隧道温度变化，控制隧道中对应断面的浅层地热交换单元。
38.具体的：
39.系统包括隧道浅层地热交换单元、温度监测单元以及温度控制单元，其中：
40.隧道浅层地热交换单元包括浅层地埋取热区16和围岩热交换区17。
41.浅层地埋取热区16位于断面上隧道底板20的下方空间，空间内设有与热提取管道1连接的加热器/冷却器4，热提取管道1位于空间底部的岩层中。
42.地源热泵5位于断面上隧道底板20的上方沿隧道边墙等间距布置并与热提取管道1连接。
43.围岩热交换区17位于断面上隧道底板20的上方空间，包括布置在初衬10和二衬9之间的第二热交换管道11，和布置在排水沟8底部空间的第一热交换管道7，第一热交换管道7与第二热交换管道11相连通且均与地源热泵5连接。
44.第二热交换管道11外侧包裹防护层，防护层具有低导热系数材料。
45.地源热泵5位于与排水沟8相远离的一侧边墙，且分别与热提取管道1、第一热交换管道7和第二热交换管道11相连接。
46.热提取管道1、第一热交换管道7和第二热交换管道11内均充满导热介质，利用地源热泵5获取热提取管道1与周围岩土热量交换所储存的热能或冷能，对第一热交换管道7和第二热交换管道11内的导热介质进行加热或冷却，进而驱动导热介质在隧道上方的第二热交换管道11内和排水沟8下方的第一热交换管道7流动，并与周围岩石进行热量交换，实现隧道围岩的升温或降温。
47.如图2所示，温度监测单元包括在隧道边墙和拱顶上布置的温度测线13，测线布置方向与隧道纵向一致，每条温度测线上等间隔布置若干个温度传感器14，多个温度传感器14通过温度测线13连接温度监测模块18，获取隧道的温度变化，发送给温度控制单元19。
48.本实施例中，温度测线13不限制具体的结构型式，例如可以为分布式光纤温度测线。
49.温度控制单元19，根据温度监测单元获取的隧道温度变化，控制隧道中对应断面的浅层地热交换单元1。
50.温度传感器14获取的数据能够展示隧道整体的温度变化，浅层地热交换单元1利用地源热泵5连通的热提取管道和热交换管道与周围的岩石或土壤换热进行隧道降温或保暖以维持隧道整体处于设定的温度变化范围内；
51.当隧道中的某一段区域出现温度异常时发出预警，温度控制单元19根据异常区域所在的位置，控制对应的一个或某几个断面上的加热器/冷却器4启动，从而调节断面覆盖区域的隧道温度，实现对隧道中某一段或某几段温度异常区域的控制。
52.如图3所示，浅层地热交换单元1工作状态下具有被动应用模式和主动应用模式；
53.被动应用模式下，利用与地源热泵5连通的热提取管道和热交换管道与周围的岩石或土壤换热进行隧道降温或保暖。
54.主动应用模式下，加热器/冷却器4工作，同时利用地热能和加热器/冷却器4的机械制热/制冷功能进行隧道降温或保暖。
55.隧道温度正常时，仅调控进行被动应用模式，即图3中被动应用的隧道制冷或制热，利用与周围的岩石或土壤换热进行隧道降温或保暖以维持隧道温度；
56.当存在温度异常区域时，说明隧道中的某个区域出现热量/冷量散失，而地热能是不均匀的，异常区域仅依靠被动应用的地热能已经难以满足隧道温度控制需求，则切换为主动应用模式，加热器或冷却器4开始工作进行机械制热/制冷，从而控制隧道内的温度。
57.作为可选择的实施方式，隧道浅层地热交换单元采用被动应用-主动应用协同模式，被动应用为仅依靠浅层地埋取热部分中热提取管道与周围岩石或土壤的换热实现隧道内的降温或升温，主动应用为除了上述被动应用模式外，还辅助使用加热器或冷却器4进行
机械制热或制冷，实现隧道内降温或升温的要求。
58.作为可选择的实施方式，温度监测单元中，相邻的分布式光纤温度传感器测线间距为1.5米至2米，同一测线上温度传感器间距一致，均为1米至1.5米。
59.作为可选择的实施方式，温度控制单元中，当温度小于零摄氏度或大于二十七摄氏度时，判定为异常温度，当某区域内出现50％以上的异常温度数据时，判定为温度异常区域。
60.作为可选择的实施方式，温度控制单元中，当出现温度异常区域时，触发报警器，发出报警信号，同时依据异常温度数据的温度传感器位置，确定温度异常区域所在的隧道段落。
61.作为可选择的实施方式，温度控制单元中，当确定温度异常区域所在的隧道段落后，温度控制单元调控该区域由被动应用模式切换为主动应用模式，加热器或冷却器开始工作，进行制热或制冷，直至该区域温度达到正常范围时，调控该区域切换回被动应用模式，加热器或冷却器停止工作。
62.以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

技术特征：
1.基于浅层地热交换的隧道温度调节系统，其特征在于，包括：浅层地热交换单元，沿隧道铺设方向布置，包括设置在隧道断面的初衬与二衬之间，和排水沟下方的热交换管道，设置在对应隧道断面底板下方空间的热提取管道，热交换管道通过地源地泵与热提取管道连接并沿隧道断面形成循环；温度监测单元，包括沿隧道铺设方向布置的温度测线，温度测线上间隔设定距离连接多组温度传感器，获取隧道的温度变化；温度控制单元，根据温度监测单元获取的隧道温度变化，控制隧道中对应断面的浅层地热交换单元。2.如权利要求1所述的基于浅层地热交换的隧道温度调节系统，其特征在于，所述隧道浅层地热交换单元具有浅层地埋取热区和围岩热交换区。3.如权利要求2所述的基于浅层地热交换的隧道温度调节系统，其特征在于，所述浅层地埋取热区位于隧道底板的下方空间，空间内设有与热提取管道连接的加热器和/或冷却器，热提取管道位于空间底部的岩层中。4.如权利要求2所述的基于浅层地热交换的隧道温度调节系统，其特征在于，所述围岩热交换区位于隧道底板的上方空间，包括布置在初衬和二衬之间的第二热交换管道，和布置在排水沟底部空间的第一热交换管道，第一热交换管道与第二热交换管道相连通且均与地源热泵连接。5.如权利要求4所述的基于浅层地热交换的隧道温度调节系统，其特征在于，所述地源热泵位于隧道底板的上方沿隧道边墙等间距布置并与热提取管道连接。6.如权利要求4所述的基于浅层地热交换的隧道温度调节系统，其特征在于，所述地源热泵位于与排水沟相远离的一侧隧道边墙，且分别与热提取管道、第一热交换管道和第二热交换管道相连接。7.如权利要求6所述的基于浅层地热交换的隧道温度调节系统，其特征在于，所述热提取管道、第一热交换管道和第二热交换管道内均充满导热介质。8.如权利要求1所述的基于浅层地热交换的隧道温度调节系统，其特征在于，所述温度监测单元包括在隧道边墙和拱顶上布置的温度测线，测线布置方向与隧道铺设方向一致，每条温度测线上等间距布置多个温度传感器，温度传感器通过温度测线连接温度监测模块，获取隧道的温度变化并发送给温度控制单元。9.如权利要求1所述的基于浅层地热交换的隧道温度调节系统，其特征在于，所述浅层地热交换单元工作状态下具有被动应用模式和主动应用模式；被动应用模式下，利用地源热泵连通的热提取管道和热交换管道与周围的岩石或土壤换热进行隧道降温或保暖，以维持隧道整体处于设定的温度变化范围内。10.如权利要求9所述的基于浅层地热交换的隧道温度调节系统，其特征在于，所述主动应用模式下，加热器或冷却器工作，同时利用地热能和加热器，或地热能和冷却器进行隧道降温或保暖，使隧道异常区域的温度恢复至正常范围。

技术总结
本实用新型涉及基于浅层地热交换的隧道温度调节系统，包括沿隧道铺设方向布置的浅层地热交换单元，包括设置在隧道断面的初衬与二衬之间和排水沟下方的热交换管道，设置在对应隧道断面底板下方空间的热提取管道，热交换管道通过地源地泵与热提取管道连接沿隧道断面形成循环；温度监测单元包括沿隧道铺设方向布置的温度测线，温度测线上间隔设定距离连接多组温度传感器，获取隧道的温度变化；温度控制单元根据温度监测单元获取的隧道温度变化，控制隧道中对应断面的浅层地热交换单元。整条隧道间隔设定距离铺设浅层地热交换单元，根据隧道整体的温度变化，当隧道中的某区域出现温度异常时，利用该区域对应的浅层地热交换单元实现该区域的温度控制。现该区域的温度控制。现该区域的温度控制。


技术研发人员：赵向波 刘征宇 白鹏 李铭杰 王成坤 许建述 任玉晓 焦一峰 李晓兵 林鹏 卿光辉 韩祯武
受保护的技术使用者：新疆额尔齐斯河投资开发（集团）有限公司
技术研发日：2023.02.15
技术公布日：2023/8/19