本發(fā)明涉及隧道圍巖領域，尤其是一種能源隧道層埋式地溫能熱交換系統(tǒng)。

背景技術：

在地球淺表層數百米內的土壤溫度隨深度呈遞增趨勢，深度每增加100米地溫升高約3-5℃，地下1000米處的地溫約為40-50℃，埋深數百米的山嶺隧道圍巖內儲存著巨大的地溫能?，F(xiàn)有的隧道圍巖地溫能提取技術有兩種，一種是直接收集隧道圍巖內的地熱水，該技術屬于被動提取技術，但該技術僅適用于地下水豐富的地區(qū)，在地下水量小或無地下水的地區(qū)則無法應用；另外一種是在隧道二襯與初襯之間埋設熱交換管，通過管內的傳熱循環(huán)介質與圍巖之間的溫差提取隧道圍巖地溫能，該技術屬于主動提取技術，不受氣候條件限制，但該技術需要額外鋪設熱交換管路，增加建造成本和施工工期，熱交換管管壁導熱性不佳，導致熱交換管的換熱效率低。

技術實現(xiàn)要素：

為了克服現(xiàn)有隧道圍巖地熱水匯集技術無法應用于隧道全斷面圍巖地溫能的提取，而鋪設熱交換管路會增加工程建造成本和拖延施工工期等難題，本發(fā)明提供一種適用性良好、換熱效率更高、節(jié)省成本和節(jié)約施工周期的能源隧道層埋式地溫能熱交換系統(tǒng)。

本發(fā)明解決其技術問題所采用的技術方案是：

一種能源隧道層埋式地溫能熱交換系統(tǒng)，該隧道包括隧道初襯、隧道二襯、隧道仰拱和路面，路面上方為所述隧道初襯和隧道二襯，所述回填層位于所述隧道仰拱上，在所述隧道初襯和隧道二襯之間、所述隧道仰拱和回填層之間均設置熱交換層，路面上方、下方的熱交換層之間通過轉換接頭連接，所述熱交換層的入水口與供水管連通，所述熱交換層的回水口與回水管連通，所述供水管和回收管均與用戶端或熱泵連接形成封閉循環(huán)管路。

進一步，路面下方的熱交換層上方設置下防水層，路面上方的熱交換層內外設置上防水層。

再進一步，所述下防水層與所述回填層的底面相接；所述上防水層包括所述隧道初襯與熱交換層之間的噴射防水層和所述熱交換層與隧道二襯之間的復合式防水板。當然，也可以采用其他防水方式。

更進一步，所述熱交換層內設置止水隔斷，所述止水隔斷將所述熱交換層進行分區(qū)，每個分區(qū)分別與各自的供水管和回收管連通形成封閉循環(huán)子系統(tǒng)。

優(yōu)選的，所述止水隔斷的一端設有缺口，帶有缺口的止水隔斷相鄰的分區(qū)相互貫通。

再進一步，相鄰止水隔斷的缺口錯位布置。通過增設缺口數量可以獲得任意長度的熱交換器。

所述熱交換層內填充透水材料，可以形成透水層。

所述回填層為輕量土回填層。

本發(fā)明的技術構思為：鑒于現(xiàn)有的隧道圍巖地熱水匯集技術無法應用于隧道全斷面圍巖地溫能的提取，而鋪設熱交換管路會增加工程建造成本和拖延施工工期等難題，本發(fā)明提出了一種新型地溫能提取技術。該技術在隧道全斷面設置一層熱交換層，路面以上的熱交換層設置在隧道二襯與初襯之間，而位于路面下方的熱交換層設置在仰拱上方，路面上、下方的熱交換層通過轉換接頭、供水管和回水管密封連接，形成封閉的循環(huán)換熱系統(tǒng)，通過熱交換層內的循環(huán)流體提取隧道圍巖內的地溫能。每組換熱系統(tǒng)的換熱路徑和長度可以通過設置止水隔斷的不同組合獲得；隧道二襯內表面鋪設一定厚度的保溫層，路基與仰拱之間的空間由輕量土回填，減少地溫能流失。

所述熱交換層的每個分區(qū)中，位于兩邊的止水隔斷通長布置，而位于中間的隔斷一段設置缺口，帶有缺口的止水隔斷相鄰的分區(qū)相互貫通；止水隔斷的缺口設置為交錯布置，增設缺口數量可以獲得任意長度的熱交換器。

本發(fā)明的有益效果主要表現(xiàn)在：利用熱交換層內的循環(huán)流動的傳熱介質提取隧道圍巖內的地溫能，解決了傳統(tǒng)的收集地熱水的被動提取技術只能應用于地下水豐富的隧道，對于欠發(fā)育和無地下水的隧道則不適用的難題，與傳統(tǒng)的埋設熱交換管系統(tǒng)的主動提取技術相比，熱交換層內的循環(huán)流動水直接吸收圍巖中的地溫能，換熱效率更高。該系統(tǒng)無需鋪設熱交換管，節(jié)省了大量的建造成本，節(jié)約了施工工期。

附圖說明

圖1為能源隧道層埋式地溫能熱交換系統(tǒng)的橫斷面圖。

圖2為路面上方熱交換層平面展開圖。

圖3為路面下方熱交換層平面展開圖。

圖4為供、回水管與水泵的連接圖。

圖中 1為隧道初襯；21為噴射防水層；22為復合防水板；23為下防水層；3為熱交換層；4為隧道二襯；5為保溫板；6為轉換接頭；7為供水管；8為回水管；9為入水口；10為回水口；11為止水隔斷；12為回填層；13為水泵；14為用戶端；15為路面。

具體實施方式

下面結合附圖對本發(fā)明作進一步描述。

參照圖1～圖4，一種能源隧道層埋式地溫能熱交換系統(tǒng)，該隧道包括隧道初襯1、隧道二襯4、隧道仰拱和路面15，路面15上方為所述隧道初襯1和隧道二襯4，路面下方為回填層12，所述回填層12位于所述隧道仰拱上，在所述隧道初襯1和隧道二襯4之間、所述隧道仰拱和回填層12之間均設置熱交換層3，路面上方、下方的熱交換層3之間通過轉換接頭6連接，所述熱交換層3的入水口9與供水管7連通，所述熱交換層3的回水口10與回水管8連通，所述供水管7和回收管8均與用戶端或熱泵連接形成封閉循環(huán)管路。

進一步，路面下方的熱交換層上方設置下防水層23，路面上方的熱交換層內外設置上防水層。

再進一步，所述下防水層23與所述回填層12的底面相接；所述上防水層包括所述隧道初襯1與熱交換層3之間的噴射防水層21和所述熱交換層3與隧道二襯4之間的復合式防水板22。當然，也可以采用其他防水方式。

更進一步，所述熱交換層3內設置止水隔斷11，所述止水隔斷11將所述熱交換層3進行分區(qū)，每個分區(qū)分別與各自的供水管和回收管連通形成封閉循環(huán)子系統(tǒng)。

優(yōu)選的，所述止水隔斷11的一端設有缺口，帶有缺口的止水隔斷相鄰的分區(qū)相互貫通。

再進一步，相鄰止水隔斷11的缺口錯位布置。通過增設缺口數量可以獲得任意長度的熱交換器。

所述熱交換層3內填充透水材料，可以形成透水層。

所述回填層12為輕量土回填層。

所述隧道二襯4的混凝土結構內摻加用于限制高地溫圍巖與洞內空氣之間傳熱的相變材料。

所述隧道二襯4的內壁設置保溫板5。

本實施例的能源隧道層埋式地溫能熱交換系統(tǒng)，該系統(tǒng)由熱交換層、止水隔斷、防水層、供水管、回水管、轉換接頭、輕量土保溫回填層、保溫層和水泵組成，位于路面上方的熱交換層布設于隧道初襯和二襯之間，位于路面下方的熱交換層則布設于仰拱上方，路面上、下方的熱交換層通過轉換接頭連接；

利用止水隔斷11對熱交換層進行分割，各分區(qū)的熱交換層分別與供水管和回水管進行連接形成封閉循環(huán)系統(tǒng)；通過改變止水隔斷之間的組合可以獲得任意長度的熱交換器；

通過循環(huán)水泵13連接供水管7、回水管8和用戶端14，形成封閉循環(huán)系統(tǒng)。

本實施例的能源隧道層埋式地溫能熱交換系統(tǒng)的施工過程為：

①施工隧道仰拱，并在仰拱上安置止水隔斷，對路面下方的熱交換層進行分區(qū)；

②施做路面下方的熱交換層；

③施做下防水層；

④澆注輕量土保溫回填層；

⑤施做路基路面層；

⑥在隧道初襯表面施做一定厚度的噴射防水層21；在噴射防水層21上安裝止水隔斷，對路面上方的熱交換層進行分區(qū)；

⑦施做路面上方的熱交換層，安裝轉換接頭，連接路面上、下方的熱交換層；

⑧安裝供水管和回水管，與熱交換層進行密封連接；

⑨澆注隧道二襯相變混凝土，安裝隧道保溫板和防火板；

⑩通過循環(huán)水泵連接供水管、回水管和用戶端，形成封閉循環(huán)系統(tǒng)。

在實際應用中，如果地溫較高，則直接應用，即通過循環(huán)水泵與用戶端連接形成循環(huán)管路；如果地溫不夠高，不能直接利用，則需要熱泵設備提升，即供水管和回水管與熱泵連接形成循環(huán)管路。