[发明专利]一种基于围岩内热管与热交换管耦合传热的能源隧道增强换热结构

说明书

本发明涉及能源隧道的增强换热技术领域，特别涉及一种基于围岩内热管与热交换管耦合传热的能源隧道增强换热结构，包括热管、热交换管和热泵，所述热管的一端埋入围岩内，所述热管的另一端埋入隧道初衬内，所述热交换管与热管垂直，所述热交换管埋设于隧道初衬与防水板之间，所述热泵安装于隧道中央，所述热交换管的首、尾与热泵的前端之间分别连接有分水管和集水管；围岩内的地温能通过所述热管源源不断地传入隧道初衬及其四周围岩；传入隧道初衬及其四周围岩的地温能再由隧道初衬与防水板之间的热交换管通过首尾连接的分水管和集水管传至热泵，经热泵提升后，得到较高质量的热能，提高了地温能的收集面积和效率。

技术领域

本发明涉及能源隧道的增强换热技术领域，特别涉及一种基于围岩内热管与热交换管耦合传热的能源隧道增强换热结构。

背景技术

能源隧道技术是一种新型的用于浅层地热能开发的地源热泵技术，通过隧道结构与地埋管热交换系统一体化，解决了传统的浅层地热能开发技术占用地下空间和施工成本高的难题，在建筑节能领域中具有广阔的应用前景。另外，将地埋管热交换系统安装于地下防护工程结构内，提取围岩内的低岩温地热能，用于关键部位热处理，保障运行安全；同步将防护工程内的热量存储于围岩内，攻克热暴露难题，所以能源隧道技术在地下防护工程中应用潜力巨大。

然而，在工程应用中发现，能源隧道技术目前还存在围岩热交换效率低与热泵能效衰减快的瓶颈。由于岩土体的导热性不佳，邻近热交换管的能源隧道围岩内形成了“阻热圈”，导致热交换管内循环流体的温度持续升高，热泵运行能效则快速下降，致使低岩温地热能的提取效率下降。同样，随着系统运行时间的增加，“阻热圈”逐渐形成并且其内的热量不断累积，增加了地下防护工程热暴露的可能性。

另外，国内外学者主要关注常规隧道热交换器的传热研究，开展了不同地区隧道热交换器的现场试验及理论分析工作。但常规能源隧道单位面积围岩的换热量不高，最小值约为17W/m2，最大值约为120W/m2，与单位延米垂直钻孔的换热量相当，未能发挥隧道围岩取能空间大的优势，亟待开发能源隧道增强换热新技术(Franzius，2011；Cousin，2019；Insana，2020；Ogunleye，2020；Tong，2022)。

因此，本发明提出了一种基于围岩内热管与热交换管耦合传热的能源隧道增强换热结构，以穿透能源隧道围岩内的“阻热圈”，实现围岩中的地热能跨距离同步开采，大幅提升开采效率，同时减少地下防护工程热暴露的可能性。

发明内容

本发明的目的在于针对背景技术中提出的问题，提供一种基于围岩内热管与热交换管耦合传热的能源隧道增强换热结构，以穿透能源隧道围岩内的“阻热圈”，实现围岩中的地热能跨距离同步开采，大幅提升开采效率，同时减少地下防护工程热暴露的可能性。

为了实现上述目的，本发明提供以下技术方案：

一种基于围岩内热管与热交换管耦合传热的能源隧道增强换热结构，包括热管1、热交换管2和热泵5，其特征在于：所述热管1的一端埋入围岩11内，所述热管1的另一端埋入隧道初衬6内，所述热交换管2与热管1垂直，所述热交换管2埋设于隧道初衬6与防水板7之间，所述热泵5安装于隧道中央，所述热交换管2的首、尾与热泵5的前端之间分别连接有分水管3和集水管4；

首先，围岩11内的地温能通过所述热管1源源不断地传入隧道初衬6及其四周围岩；其次，传入隧道初衬6及其四周围岩的地温能再由隧道初衬6与防水板7之间的热交换管2通过首尾连接的分水管3和集水管4传至热泵5，传至热泵5的地温能为低品质的地温能，经热泵5提升后，得到较高质量的热能，提高了地温能的收集面积和效率。

进一步地，所述热管1的类型为重力热管，可以安装在围岩中空锚杆内，也可直接安装于围岩钻孔内；当取热工况时，热管正倾角；当取冷工况时，热管负倾角；倾角的范围为±15～90度。