地?zé)崮軣岜眉夹g(shù)在高寒地區(qū)公路橋梁中的運(yùn)用20120814

1、地?zé)崮軣岜眉夹g(shù)在高寒地區(qū)道路中的運(yùn)用摘要：地?zé)崮茏鳛樵缇捅蝗藗冋J(rèn)識和關(guān)注的一種可再生能源，開發(fā)利用的程度在 不斷加深和推廣，尤其在建筑制冷和采暖方面，采用淺層地源熱泵技術(shù)的節(jié)能優(yōu) 點(diǎn)眾所周知，其實(shí)際應(yīng)用技術(shù)也已趨于成熟，得到廣泛應(yīng)用。但是，地?zé)崮芗盁?泵技術(shù)在道路橋梁上的應(yīng)用卻鮮為人知。高寒地區(qū)道路橋梁以及機(jī)場碼頭的融雪 化冰技術(shù)是一個世界性的難題。應(yīng)用地?zé)崮芎蜔岜眉夹g(shù)開辟了冬季道路防凍除冰 的新天地。本文將簡要介紹地?zé)崮荛_發(fā)和熱泵技術(shù)的原理以及地能熱泵技術(shù)在高 寒地區(qū)道路橋梁防凍和融雪化冰的應(yīng)用。關(guān)鍵詞：地?zé)崮?熱泵 道路防凍化冰The use of geothermal heat pump

2、 technology in the alpine region roadAbstract: The rapid economic development of modern society, the growing demand for energy, however, with high-grade of the Earths non-renewable energy (such as oil, gas, coal) mining growing increasingly scarce, so people arecontinue to develop and use a variety

3、of natural resources and energy in order to meet the rapidly growing economy. Shallow geothermal energy saving advantages as a low-grade energy, early awareness of and concern the development and utilization of the extent of the deepening and promotion, especially in building cooling and heating, th

4、e use of shallow ground source heat pump technology is well known that the practical application of technology has matured, and now has been widely used. Used in situ heat pump technology, the first geothermal energy and heat pump technology to make a brief introduction, and then describes the therm

5、al heat pump technology applied to the road of the alpine region.Key words: Geothermal energy Heat pump technology引言地?zé)崮苋≈唤哂弥槐M，有著巨大利用價值。地能熱泵系統(tǒng)，是一種 利用地下地?zé)豳Y源進(jìn)行采暖、制冷、供熱水、發(fā)電等的系統(tǒng)。它只需輸入 少量的電能，利用逆卡諾原理即可以將能量由低溫?zé)嵩聪蚋邷責(zé)嵩崔D(zhuǎn)移。尤其是在冬季，我們可以吸取土壤中的熱量，再將溫度提高到一定程度后 運(yùn)送到建筑物或者室內(nèi)中用于取暖。將地?zé)崮苡糜诘缆窐蛄阂约皺C(jī)場碼頭 的融雪化冰和防凍，這是一項重大技術(shù)創(chuàng)新舉措

6、。該技術(shù)的應(yīng)用推廣對高 寒地區(qū)冬季保證道路橋梁以及機(jī)場碼頭的暢通具有十分現(xiàn)實(shí)和深遠(yuǎn)的經(jīng)濟(jì) 和社會意義。1地?zé)崮茉吹脑砼c應(yīng)用1.1地?zé)崮芎喗榈責(zé)崮苁堑貧ぶ幸蛱柲芰苛Ｗ优c地核放射元素粒子交互作用產(chǎn)生的 能量。它是一種取之不盡用之不竭的可再生能源。地?zé)崮茉跍囟壬蟿澐譃楦?溫地?zé)岷椭小⒌蜏氐責(zé)幔谥袊话憬缍囟葹?50C。高溫地?zé)崮芤话銥樯?層地?zé)崮?，中、低溫地?zé)崮芤话銥闇\層地?zé)崮?。深層地?zé)崮苤饕糜诎l(fā)電，而低 溫地?zé)崮芤话阈枰嚓P(guān)技術(shù)提取熱量后再利用，提供采暖、生活熱水等。深層地?zé)崮芸捎霾豢汕?，開采難度大，而淺層地?zé)崮鼙椴嫉厍虻娜魏谓锹洹?從地面20米到地下400米，地球存在著一個1418C的

7、恒溫層，蘊(yùn)藏著取之不盡的 能源。淺層地?zé)崮芤呀?jīng)廣泛用于采暖、制冷、供熱水、烘干、冷藏冷凍、種養(yǎng)殖 等領(lǐng)域，在不久的將來還會迅速用于發(fā)電。是融雪化冰和防凍技術(shù)中的最經(jīng)濟(jì)、 最可靠的手段。1.2 地?zé)崮艿膽?yīng)用人類利用地?zé)崮艿臍v史悠久。20世紀(jì)中葉后，人們才開始真正認(rèn)識地?zé)豳Y 源，并進(jìn)行較大規(guī)模的開發(fā)利用。之后，地?zé)崮艿睦帽阍谠S多領(lǐng)域中開展而來。 像地?zé)岚l(fā)電，它便是地?zé)崂米钪苯拥姆绞?。地?zé)岚l(fā)電和火力發(fā)電所采用的基 本原理是一樣的，但他們的不同之處在于地?zé)岚l(fā)電不需要消耗煤炭等燃料 而且也不需要龐大的機(jī)器設(shè)備。地?zé)峁┡蚝唵慰煽拷?jīng)濟(jì)性好，受到各國 的重視.其中冰島開發(fā)利用得最好。1928年冰島建成了

8、世界上首個地?zé)峁?系統(tǒng)，現(xiàn)今地?zé)峁嵯到y(tǒng)已發(fā)展得相當(dāng)完善，其技術(shù)的使用已經(jīng)非常成熟， 應(yīng)用領(lǐng)域也越來越廣。但是，深層地?zé)崮芡畈卦诘叵聰?shù)千米，勘探開采成本和風(fēng)險極高。而淺層地?zé)崮荛_采簡單、維護(hù)容易、成本低廉，不受氣候環(huán)境的影響，在 各種能源結(jié)構(gòu)中最具有經(jīng)濟(jì)性和實(shí)用性，將成為新能源開發(fā)的主力軍。我國利用淺層地?zé)崮芄┡?、供熱水和制冷近年在國家大力扶持下發(fā)展 迅速，尤其是在北方城市比如在京津地區(qū)。1.32利用地?zé)崮艿年P(guān)鍵技術(shù)一熱泵目前地?zé)崮芾眉夹g(shù)主要是地源熱泵，其所具有的杰出的節(jié)能、環(huán)保特 性，在國外已得到廣泛的關(guān)注與重視。而我國在該領(lǐng)域的發(fā)展也已經(jīng)有十多年， 但是總體技術(shù)水平仍然不及一些發(fā)達(dá)

9、國家，因此地源熱泵技術(shù)的發(fā)展空間仍然是 十分巨大。因此在中國優(yōu)先發(fā)展高效熱泵循環(huán)系統(tǒng)、地?zé)釗Q熱等方面將會非常重 要。另外，淺層地?zé)崮芘c其他能源互補(bǔ)循環(huán)、梯級利用的智慧能源系統(tǒng)，將把地 熱能開發(fā)推向一個新的階段。2.1熱泵技術(shù)介紹地能熱泵，也稱作地源熱泵。主要分為地表水、地下水和土壤源三種 形式。在地下水和土壤相對穩(wěn)定的情況下，地源熱泵通過從地表水、地下 水和土壤中換熱，實(shí)現(xiàn)熱量由低位熱能區(qū)向高位熱能區(qū)的轉(zhuǎn)移。土壤源熱泵工作原理是（如圖1）：她平面U型膏埋圖1地源熱泵技術(shù)原理簡圖冬季利用熱泵機(jī)組從土壤熱能中吸收熱量，然后將其傳輸給地面的建 筑物等，提供給室內(nèi)或者空間以暖氣；而到了夏季，熱泵機(jī)組恰

10、好做一個 相反的循環(huán)過程從而實(shí)現(xiàn)空調(diào)制冷。地能熱泵系統(tǒng)包括換熱系統(tǒng)、主機(jī)系統(tǒng)、末端系統(tǒng)三部分。換熱系統(tǒng)在高寒地區(qū)要因地制宜綜合利用地?zé)釡厝⒌叵滤偷叵聯(lián)Q熱管路 系統(tǒng)。地源熱泵系統(tǒng)不僅可以利用地表下層的相對穩(wěn)定溫度，全年可以高效 的運(yùn)行取暖和制冷系統(tǒng)，運(yùn)行成本極低。另外就地源熱泵系統(tǒng)本身來說， 它采用的設(shè)備少又非常耐用，其相關(guān)部件都是深埋在地下和水中，受到天 氣或人為條件破壞的因素大大減少，系統(tǒng)穩(wěn)定性高。地源熱泵的制冷劑封 閉在主機(jī)內(nèi)不會向外界泄露，不會對臭氧層造成破壞，有利于保護(hù)環(huán)境。 地源熱泵能夠因地制宜，利用形式多種多樣，不拘泥于固定的模式。地能熱泵技術(shù)對于克服高寒地區(qū)霜凍或者下雪天氣具

11、有現(xiàn)實(shí)深遠(yuǎn)的意義。2.2地能熱泵技術(shù)在高寒地區(qū)道路橋梁中的運(yùn)用2.2.1高寒地區(qū)特點(diǎn)高寒地區(qū)一般都是氣候寒冷，霜雪天氣時間比較長，道路橋梁易受到霜 雪的影響產(chǎn)生凍結(jié)，導(dǎo)致交通阻塞中斷。一般氣候好的地方無霜期加起來 都不超過一個月，而比較差的地方就更加少了，這些地方的道路可能就長 時間處于凍結(jié)狀態(tài)。而且低溫早霜危害出現(xiàn)的次數(shù)相對比較頻繁，一般34年出現(xiàn)一次。另外，在高寒地區(qū)存在著各種小氣候，有時雖然在同一座山， 山上和山下的氣候就不一樣，而就同一個水平面范圍內(nèi)，南邊和北邊的氣 溫也會各自不同。高寒地區(qū)道路橋梁和機(jī)場碼頭冰雪凍結(jié)造成的交通事故和交通中斷，對國民經(jīng)濟(jì)和國防建設(shè)以及人民生命財產(chǎn)危害極大

12、。而開發(fā)利用我國大部分 高寒地區(qū)蘊(yùn)藏的中高溫地?zé)豳Y源和隨處都有的淺層地?zé)豳Y源，完全可以解 除這一憂患。我國高溫地?zé)崮苜Y源主要分布藏滇地?zé)釒Ъ芭_灣地?zé)釒А２氐岬責(zé)釒Ъ芭_灣 地?zé)釒黔h(huán)球地?zé)釒б灰坏刂泻?喜馬拉雅地?zé)釒Ъ拔魈窖蟓h(huán)島地?zé)釒У慕M成 部分。藏滇地?zé)釒挥谟《?、歐亞兩大板塊的邊界。在該帶內(nèi)，目前已發(fā)現(xiàn)水熱活 動區(qū)600余處。這里的水熱活動十分強(qiáng)烈，有大量熱泉、沸泉和噴氣孔等，水溫 多接近或超過當(dāng)?shù)胤悬c(diǎn)。臺灣地?zé)釒挥谔窖蟀鍓K與歐亞板塊的邊界。島上地 殼運(yùn)動活躍，第四紀(jì)火山強(qiáng)烈，地震頻繁，水熱活動區(qū)有100余處，100C以上 的有近10處。我國低溫地?zé)崮苜Y源廣泛分布于板塊內(nèi)部中國大陸地殼

13、隆起區(qū)和地殼沉降 區(qū)。在板內(nèi)地殼隆起區(qū)，發(fā)育有不同地質(zhì)時期形成的斷裂帶，已經(jīng)多期活動，它 們多數(shù)可成為地下水運(yùn)動上升的良好通道。大氣降水滲入地殼深部經(jīng)深循環(huán)再正 常地溫梯度下加熱，常常在相對低洼的地方（山前或山間盆地、濱海盆地，多在 河谷底部），沿活動性斷裂涌出地表形成溫泉。根據(jù)地殼隆起區(qū)溫泉的密集程度， 目前可初步劃分兩個低溫地?zé)釒?，即東南沿海地?zé)釒Ъ暗岽ǖ責(zé)釒?。東南沿海地?zé)釒挥谔窖蟀鍓K與歐亞板塊交接帶以西中國大陸內(nèi)側(cè)，包括 江西東部、湖南南部、福建、廣東及海南島等地。這里有現(xiàn)代火山作用，但自中 生代以來，地殼運(yùn)動活躍，深斷裂發(fā)育。東南沿海地?zé)釒俏覈蜏販厝顬槊?集的地帶，集中分布的

14、溫泉就有500余處。溫泉水溫大部介于40-80C之間，也 有少量的在80C以上。滇川地?zé)釒挥谟《扰c歐亞兩大板塊交接帶以東縱貫滇川南北，沿南北構(gòu)造 帶展布。這里，新構(gòu)造運(yùn)動強(qiáng)烈，地震頻繁。分布在該帶的溫泉共有100余處， 南段較密集，溫度多在60C以上，個別達(dá)90C，北段較稀疏，水溫多在60C以 下。其他地區(qū)，如山東半島、遼東半島、河北山地、太行山、秦嶺、天山北麓、 四川盆地的東南部、柴達(dá)木盆地東部等，溫泉也較集中，水溫大部在60C以下， 少數(shù)溫泉區(qū)水溫可達(dá)80-90Co高寒地區(qū)往往也是地?zé)崮苜Y源最豐富的地區(qū)。這些地?zé)豳Y源和淺層地?zé)豳Y源 應(yīng)用熱泵技術(shù)綜合利用，是解決高寒地區(qū)道路橋梁、機(jī)場碼頭冬

15、季融冰化雪的正 確途徑，實(shí)現(xiàn)人類千百年來的夢想。2.2.2寒冷地區(qū)道路橋梁恒溫裝置系統(tǒng)設(shè)計熱負(fù)荷的確定寒冷季節(jié)道路橋梁和機(jī)場碼頭熱負(fù)荷以滿足道路路面和橋面能晝夜24小時 不結(jié)冰、不積雪、保持暢通為目標(biāo)。熱負(fù)荷要根據(jù)分時測定的室外土壤溫度、路 （橋）面溫度、空氣溫度、濕度、風(fēng)速、交通量進(jìn)行計算分配，保持路面溫度隨 時處于融雪溫度以上。換熱系統(tǒng)設(shè)計道路橋梁融冰化雪所需的熱量巨大。在有地?zé)釡厝Y源的地方，應(yīng)當(dāng)首選采 用地?zé)釡厝Y源，其次利用地下水資源，最后才考慮用地埋管換熱系統(tǒng)，同時與 太陽能集熱系統(tǒng)和大型冷回收冷凍系統(tǒng)集成設(shè)計。在有熱電廠或其他廢熱資源的 地方，要充分利用熱泵進(jìn)行余熱回收來采集熱源

16、。一般情況下，盡量使用多種能 源互補(bǔ)綜合利用，以獲得最好的經(jīng)濟(jì)效益。熱源量要在廣泛調(diào)查勘探道路沿線各種熱能資源的分布和可采量的基礎(chǔ)上， 進(jìn)行全面技術(shù)經(jīng)濟(jì)論證。末端放熱系統(tǒng)設(shè)計末端放熱系統(tǒng)維持道路路面和橋梁橋面的融雪環(huán)境溫度。末端放熱系統(tǒng)布置 在道路路面或橋面的結(jié)構(gòu)層下面和道路兩側(cè)，也可以設(shè)置送風(fēng)系統(tǒng)在道路的兩側(cè) 直接吹刷路面。在越嶺線的埡口路段，應(yīng)同時配置這兩種放熱系統(tǒng)，確保能積蓄 熱能及時融雪化冰。末端放熱系統(tǒng)按不同的放熱方式釋放熱負(fù)荷。為了既保障融冰化雪又最大限度地節(jié)約能源，換熱系統(tǒng)與放熱系統(tǒng)要通過主 機(jī)進(jìn)行智能動態(tài)控制。由于道路具有線長面廣，不同的氣候和地質(zhì)條件，使道路的恒溫裝置將會 受到多方面因素的影響，需要先進(jìn)行典型路段的試驗。3結(jié)束語高寒地區(qū)道路橋梁、碼頭機(jī)場的融雪化冰，是長期困擾這些地區(qū)交通發(fā)展老 大難問題，嚴(yán)重阻礙了這些地區(qū)國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展和國防建設(shè)。而高寒地區(qū)往往也是 地?zé)崮苜Y源最豐富的地區(qū)。這些地?zé)豳Y源和