胡田飛，劉建坤，常 鍵，郝中華

(1.石家莊鐵道大學(xué) 土木工程學(xué)院，河北 石家莊 050043；2.中山大學(xué) 土木工程學(xué)院，廣東 廣州 510275；3.北京交通大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院，北京 100044)

對(duì)于多年凍土區(qū)路基工程，人工填筑和工后運(yùn)營(yíng)等行為會(huì)引起凍土賦存環(huán)境和邊界條件的改變，導(dǎo)致地基凍土溫度升高和上限下降的退化現(xiàn)象，進(jìn)而引起上部路基附加變形和承載力下降等病害[1-2]。因此，控制凍土退化和維護(hù)路基熱穩(wěn)定性是多年凍土區(qū)路基工程的關(guān)鍵問(wèn)題之一。

多年凍土與大氣的換熱過(guò)程分為：①在暖季，當(dāng)氣溫高于地溫時(shí)，由大氣向凍土傳熱；②在冷季，當(dāng)氣溫低于地溫時(shí)，由凍土向大氣傳熱。由于路基作為凸起構(gòu)筑物對(duì)傳熱的影響，過(guò)程①傳熱量一般大于過(guò)程②，這是多年凍土退化的主要誘因。那么，減小過(guò)程①和增大過(guò)程②的傳熱量是應(yīng)對(duì)多年凍土退化的熱學(xué)途徑。在青藏高原多年凍土區(qū)路基工程建設(shè)歷史上，一直采用保護(hù)多年凍土的設(shè)計(jì)原則。青藏鐵路建設(shè)之前，主要采用增大路堤高度和保溫隔層的“消極保溫”措施，即減小過(guò)程①傳熱量。青藏鐵路建設(shè)時(shí)，進(jìn)一步發(fā)展了多種“積極降溫”的主動(dòng)冷卻措施，包括塊石結(jié)構(gòu)、通風(fēng)管、熱管等，通過(guò)增大凍土冷儲(chǔ)量來(lái)抵消暖季熱侵蝕，即增大過(guò)程②傳熱量[3-5]。上述措施有效保護(hù)了凍土穩(wěn)定性，但是長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)表明其效果主要體現(xiàn)在減緩作用，凍土退化沒(méi)有得到根本控制[6-7]。原因在于，根據(jù)熱力學(xué)第二定律，在沒(méi)有能量補(bǔ)償?shù)臈l件下，熱量只能由高溫介質(zhì)傳遞向低溫介質(zhì)[8-9]。因此，現(xiàn)有主動(dòng)冷卻措施實(shí)質(zhì)上屬于自然溫差驅(qū)動(dòng)下的被動(dòng)傳熱過(guò)程，只有在冷季大氣溫度低于凍土溫度時(shí)才能使路基向外傳遞熱量，且傳熱效率依賴(lài)于大氣溫度水平，人為可控性差[10-12]。同時(shí)，主動(dòng)冷卻措施的工作效率優(yōu)化困難，僅能通過(guò)調(diào)節(jié)幾何參數(shù)和布設(shè)參數(shù)來(lái)改善傳熱形式、時(shí)間及路徑等條件，難以大幅度地增加凍土冷儲(chǔ)量。因此，現(xiàn)有多年凍土保護(hù)方法的季節(jié)匹配性差，在凍土退化嚴(yán)重的暖季無(wú)法維持穩(wěn)定的邊界溫度和傳熱量；同時(shí)，傳熱效率低，冷季傳熱量依賴(lài)于大氣溫度水平。

那么，在現(xiàn)有凍土保護(hù)措施減小暖季熱輸入量和增大冷季熱輸出量的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步的保護(hù)途徑是在暖季附加一個(gè)熱輸出過(guò)程，實(shí)時(shí)地將凍土的熱量逆向地傳遞回大氣中，由此嚴(yán)格地控制凍土在暖季的過(guò)度熱輸入和溫度升高。制冷技術(shù)指通過(guò)人工方法使某一對(duì)象獲得并保持低于周?chē)h(huán)境溫度的過(guò)程，傳熱方向由低溫介質(zhì)逆向地指向高溫介質(zhì)[13]。因此，多年凍土保護(hù)和路基熱穩(wěn)定性維護(hù)措施的發(fā)展就進(jìn)入到制冷技術(shù)的學(xué)科范疇內(nèi)。

制冷技術(shù)是一門(mén)歷史悠久的學(xué)科，主要面向建筑與工業(yè)領(lǐng)域，包括壓縮式、熱電式、熱驅(qū)動(dòng)式等種類(lèi)，應(yīng)用廣泛，技術(shù)成熟[14]。限于學(xué)科差異和技術(shù)匹配性，制冷技術(shù)在路基工程領(lǐng)域的應(yīng)用還較少。凍土退化具有深度大和分散性強(qiáng)等特點(diǎn)，現(xiàn)有制冷設(shè)備的結(jié)構(gòu)型式和驅(qū)動(dòng)方式難以滿(mǎn)足多年凍土制冷技術(shù)要求。幸運(yùn)的是，近年來(lái)制冷設(shè)備集成化和中小型化技術(shù)日趨成熟，各類(lèi)新能源利用技術(shù)不斷發(fā)展，可以提供獨(dú)立便捷的能源供應(yīng)[15-16]，為實(shí)現(xiàn)多年凍土路基沿線的分散性制冷提供了條件。

在此基礎(chǔ)上，本文立足于實(shí)現(xiàn)多年凍土區(qū)路基工程在暖季的主動(dòng)制冷問(wèn)題。在總結(jié)多年凍土退化特征和路基制冷技術(shù)要求基礎(chǔ)上，結(jié)合多年凍土區(qū)路基沿線的能源供應(yīng)條件，提出太陽(yáng)能光伏技術(shù)和壓縮式制冷技術(shù)的聯(lián)合應(yīng)用方案。設(shè)計(jì)與制作一款面向路基工程的專(zhuān)用主動(dòng)型制冷裝置—壓縮式制冷管，并通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證其工作性能和實(shí)用性。

1 面向路基工程的制冷技術(shù)要求

多年凍土區(qū)路基熱穩(wěn)定性問(wèn)題的特征在于，一方面，多年凍土上部活動(dòng)層厚度大，在凍土退化嚴(yán)重的青藏高原地區(qū)，地表活動(dòng)層厚度可達(dá)5 m，下部呈升溫趨勢(shì)的多年凍土層厚度可達(dá)10 m。另一方面，凍土退化和路基熱害多呈段落化分布[17]。因此，與人居環(huán)境調(diào)節(jié)和工業(yè)應(yīng)用的要求不同，面向路基工程時(shí)，制冷技術(shù)主要面臨深度大和分散性強(qiáng)2方面的特殊要求。此外，多年凍土區(qū)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)滯后，電能等高品位能源無(wú)法在路基全線普及供應(yīng)，制冷裝置必須自帶動(dòng)力系統(tǒng)。

因此，制冷裝置的結(jié)構(gòu)型式、作用范圍、制冷溫度、驅(qū)動(dòng)方式等技術(shù)條件應(yīng)滿(mǎn)足凍土保護(hù)和路基運(yùn)營(yíng)要求。具體包括：(1)結(jié)構(gòu)緊湊，便于布設(shè)，不會(huì)影響路基正常運(yùn)營(yíng)。(2)制冷范圍大于凍土退化深度，裝置尺寸和高度可以自主調(diào)節(jié)。(3)制冷溫度低于多年凍土溫度，可以在暖季實(shí)現(xiàn)有效制冷。(4)具有獨(dú)立的驅(qū)動(dòng)來(lái)源，可以自持地實(shí)現(xiàn)連續(xù)制冷。因此，實(shí)現(xiàn)制冷裝置的小型化、集成化、自驅(qū)化是將制冷技術(shù)應(yīng)用于路基工程的核心問(wèn)題。

2 制冷方法選取

制冷的定義為通過(guò)人工方法使某一物體溫度持續(xù)地低于周?chē)h(huán)境溫度，其核心在于創(chuàng)造一個(gè)逆向于自然溫差傳熱方向的傳熱過(guò)程，使熱量從低溫物體傳遞向高溫環(huán)境。目前，制冷方法包括液體氣化式、氣體膨脹式、半導(dǎo)體熱電式、氣體渦流式、熱聲式、絕熱去磁式等，同一制冷原理包括多種實(shí)現(xiàn)途徑，適用于不同的制冷溫度需求。其中，液體氣化式制冷方法最為廣泛，實(shí)現(xiàn)途徑包括壓縮式和熱驅(qū)動(dòng)式。

壓縮式制冷技術(shù)主要部件包括壓縮機(jī)、冷凝器、節(jié)流設(shè)備、蒸發(fā)器。工作原理為通過(guò)電能驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)在系統(tǒng)內(nèi)部產(chǎn)生高壓和低壓環(huán)境，使有限的制冷劑在系統(tǒng)中反復(fù)地壓縮、冷凝、膨脹、蒸發(fā)，不斷在蒸發(fā)器吸熱氣化進(jìn)行制冷循環(huán)，如圖1所示[14]。技術(shù)優(yōu)勢(shì)包括：(1)制冷溫度范圍廣，從稍低于環(huán)境溫度至-150 ℃均可實(shí)現(xiàn)；(2)單機(jī)容量范圍廣，制冷量從幾十W到數(shù)千kW，可以根據(jù)凍土冷負(fù)荷水平選擇相應(yīng)的系統(tǒng)容量；(3)制冷循環(huán)效率高，耗電量?。?4)結(jié)構(gòu)緊湊，蒸發(fā)器和冷凝器可以根據(jù)應(yīng)用工況自主加工為不同的型式和尺寸。因此，壓縮式制冷是目前最為成熟和廣泛的制冷方式，面向路基工程時(shí)具有良好的應(yīng)用條件。

圖1 壓縮式制冷循環(huán)流程圖

熱驅(qū)動(dòng)式制冷技術(shù)以熱能為動(dòng)力，可以直接利用太陽(yáng)能、地?zé)崮艿鹊推肺荒茉打?qū)動(dòng)制冷循環(huán)，綠色環(huán)保，運(yùn)行費(fèi)用低，包括固體吸附式和液體吸收式2種方式。但是，熱驅(qū)動(dòng)式制冷的工作性能遠(yuǎn)不及壓縮式制冷。其中，吸收式制冷裝置的組成復(fù)雜、體積大，同時(shí)需要額外的耗電部件(溶液泵)輔助循環(huán)。吸附式制冷裝置的制冷效率低，且制冷具有間歇性，相關(guān)的設(shè)備制造水平和技術(shù)儲(chǔ)備還不夠完善[18-19]。目前，相對(duì)成熟的溴化鋰—水吸收式制冷技術(shù)如圖2所示，原理為吸收劑對(duì)制冷劑的吸收能力隨溫度和壓力而不同，由此通過(guò)溶液溶度變化實(shí)現(xiàn)制冷劑的相變循環(huán)，但是其制冷溫度局限在0 ℃以上，無(wú)法有效保護(hù)多年凍土。

圖2 熱驅(qū)動(dòng)吸收式制冷循環(huán)

因此，面向多年凍土區(qū)路基工程時(shí)，壓縮式制冷技術(shù)的適用性更優(yōu)。根據(jù)能量守恒定律，制冷過(guò)程必須消耗一定的能量，包括電能、機(jī)械能或熱能等，才能實(shí)現(xiàn)熱量由低溫介質(zhì)向高溫介質(zhì)的逆向傳遞[12-13]。因此，驅(qū)動(dòng)源的分散供應(yīng)是將制冷技術(shù)應(yīng)用于路基工程的關(guān)鍵問(wèn)題之一。

對(duì)于長(zhǎng)距離路基工程，難以通過(guò)電網(wǎng)或集中供熱來(lái)驅(qū)動(dòng)制冷裝置。因此，通過(guò)分布廣泛的新能源為制冷裝置提供驅(qū)動(dòng)源是一個(gè)解決途徑。新能源包括太陽(yáng)能、風(fēng)能、地?zé)崮?、水能等，其中太?yáng)能和風(fēng)能分布最為廣泛，利用形式靈活便捷。由中國(guó)多年凍土、太陽(yáng)能和風(fēng)能的分布[16]可知，多年凍土與太陽(yáng)能、風(fēng)能的地理分布具有高度一致性。尤其是，青藏高原大氣稀薄，年輻射量最高達(dá)2 558 kW·h·m-2·a，年日照時(shí)數(shù)為3 200～3 300 h·a-1，屬于太陽(yáng)能利用條件良好的Ⅰ類(lèi)地區(qū)。青藏高原的風(fēng)能資源同樣豐富，≥3 m·s-1風(fēng)速全年累積時(shí)長(zhǎng)為6 500 h以上，有效風(fēng)能密度在150～200 W·m-2之間。

太陽(yáng)能利用技術(shù)包括光熱轉(zhuǎn)換和光電轉(zhuǎn)換。光熱轉(zhuǎn)換通過(guò)集熱器直接將太陽(yáng)輻射能轉(zhuǎn)化為高溫?zé)崮埽捎糜跓狎?qū)動(dòng)制冷。光電轉(zhuǎn)換通過(guò)光伏板界面的光電效應(yīng)將太陽(yáng)輻射能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?，可用于壓縮式制冷。風(fēng)能利用形式主要為風(fēng)力發(fā)電，原理是將風(fēng)能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能，再將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能。目前，太陽(yáng)能發(fā)電、太陽(yáng)能集熱和風(fēng)能發(fā)電技術(shù)都比較成熟，但是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的體積和工作效率等方面的綜合性能不及太陽(yáng)能。在一般自然條件下，暖季太陽(yáng)輻射強(qiáng)度大而風(fēng)小，冷季太陽(yáng)輻射強(qiáng)度小而風(fēng)大，且太陽(yáng)能流密度要大于風(fēng)能。因此，相比風(fēng)能，太陽(yáng)能利用在中國(guó)多年凍土區(qū)更具優(yōu)勢(shì)。

由于太陽(yáng)能的分散性、低密度和不穩(wěn)定性等不足，太陽(yáng)能制冷技術(shù)難以實(shí)現(xiàn)制冷溫度和冷量的連續(xù)性和高效性輸出，限制了其在建筑和工業(yè)領(lǐng)域的大規(guī)模推廣應(yīng)用。但是，在路基工程領(lǐng)域，由于凍土的熱惰性大，凍土冷負(fù)荷對(duì)連續(xù)性要求較低，因此通過(guò)太陽(yáng)能光伏技術(shù)可以解決壓縮式制冷技術(shù)應(yīng)用于路基工程時(shí)的驅(qū)動(dòng)源供應(yīng)問(wèn)題。

對(duì)于太陽(yáng)能光電壓縮式制冷技術(shù)，太陽(yáng)輻射越強(qiáng)烈，光伏發(fā)電量越大，由此系統(tǒng)制冷量越大；同時(shí)，多年凍土得熱量越大，退化速率越快，即路基制冷需求恰好與太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)源相匹配。因此，太陽(yáng)能制冷技術(shù)的優(yōu)勢(shì)包括：(1)季節(jié)匹配性好，日照高峰期與路基制冷負(fù)荷一致；(2)地域匹配性好，日照豐富地區(qū)的路基對(duì)制冷的需求也大；(3)技術(shù)匹配性好，電力供應(yīng)不便的長(zhǎng)距離路基工程，太陽(yáng)能制冷技術(shù)具有自持性。

因此，本文選擇將太陽(yáng)能光伏技術(shù)與壓縮式制冷技術(shù)聯(lián)合引入多年凍土區(qū)路基工程。太陽(yáng)能光伏發(fā)電技術(shù)的應(yīng)用規(guī)范好、商業(yè)化程度高，可以根據(jù)制冷裝置耗電量匹配相應(yīng)的系統(tǒng)組件。因此，太陽(yáng)能光伏壓縮式制冷技術(shù)應(yīng)用于路基工程的關(guān)鍵在于設(shè)計(jì)合理的壓縮式制冷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)型式。

3 主動(dòng)型壓縮式制冷裝置制作

本文設(shè)計(jì)的一款路基專(zhuān)用主動(dòng)型壓縮式制冷裝置如圖3所示[20]。裝置部件包括壓縮機(jī)、冷凝器、蒸發(fā)器、干燥過(guò)濾器、毛細(xì)管及溫度傳感器和自動(dòng)化控制單元等。蒸發(fā)器型式為立式柱狀，便于機(jī)械鉆孔布設(shè)，制冷部件為螺旋形銅管。壓縮機(jī)和冷凝器等其他部件集成固定在地表保護(hù)外殼內(nèi)。壓縮機(jī)、冷凝器、干燥過(guò)濾器、毛細(xì)管、蒸發(fā)器的出入口順次連接，形成閉合循環(huán)回路。自動(dòng)化控制單元與壓縮機(jī)電氣連接，用于控制裝置運(yùn)行。

在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，壓縮式制冷管可以根據(jù)病害情況布設(shè)在路基肩部、邊坡中部或坡腳等不同位置，太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)布設(shè)在路基附近空曠位置。在天氣晴朗的條件下，光伏系統(tǒng)發(fā)電并驅(qū)動(dòng)壓縮式制冷管運(yùn)行。根據(jù)凍土退化深度和冷負(fù)荷，可以通過(guò)調(diào)節(jié)銅管幾何尺寸和盤(pán)管間距來(lái)優(yōu)化制冷效果。此外，還可以根據(jù)太陽(yáng)輻射條件和光伏發(fā)電效率，選擇壓縮機(jī)功率和調(diào)整裝置運(yùn)行模式，進(jìn)而控制裝置制冷量與路基冷負(fù)荷的平衡關(guān)系。

1—保護(hù)外殼；2—干燥過(guò)濾器；3—冷凝器；4—毛細(xì)管；5—冷卻風(fēng)機(jī)；6—螺栓；7—自動(dòng)化控制器；8—壓縮機(jī)；9—支架；10—溫度傳感器導(dǎo)線；11—蒸發(fā)器；12—溫度傳感器；13—銅管；14—PVC基管；15—通風(fēng)孔；16—電度表；17—制冷劑

圖3 多年凍土路基用壓縮式制冷管的結(jié)構(gòu)型式

壓縮式制冷循環(huán)過(guò)程為，首先，液態(tài)制冷劑經(jīng)毛細(xì)管節(jié)流降壓后進(jìn)入蒸發(fā)器，通過(guò)氣化吸熱效應(yīng)吸收路基和退化凍土地層的熱量；然后，制冷劑蒸氣經(jīng)壓縮機(jī)做功成為高溫高壓氣體，并進(jìn)入冷凝器；之后，高溫高壓制冷劑蒸氣通過(guò)液化放熱效應(yīng)將凍土熱量通過(guò)冷凝器釋放回大氣環(huán)境中；最后，液態(tài)制冷劑重新通過(guò)毛細(xì)管進(jìn)入蒸發(fā)器，由此實(shí)現(xiàn)對(duì)路基的持續(xù)制冷。一種應(yīng)用方案和模擬制冷效果如圖4所示。蒸發(fā)器垂直布設(shè)在路基肩部，制冷效果以蒸發(fā)器為中心向四周逐漸擴(kuò)散。

壓縮式制冷管的主要部件及說(shuō)明如下。

(1)壓縮機(jī)。作為壓縮式制冷裝置的核心驅(qū)動(dòng)部件，作用是將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能做功，將制冷系統(tǒng)分隔為高壓和低壓2個(gè)環(huán)節(jié)，由此將來(lái)自蒸發(fā)器的氣態(tài)制冷劑吸入，壓縮為高溫高壓氣體，達(dá)到大氣溫度對(duì)應(yīng)的冷凝壓力后輸送至冷凝器。

(2)冷凝器。作為散熱設(shè)備，作用是吸收壓縮機(jī)內(nèi)高溫高壓氣體的熱量以使之冷凝液化，即將凍土熱量傳遞回大氣環(huán)境，保持制冷劑循環(huán)利用。

圖4 壓縮式制冷管的應(yīng)用效果

(3)冷卻風(fēng)機(jī)。強(qiáng)制空氣快速流過(guò)冷凝器外表，輔助高溫高壓氣態(tài)制冷劑的散熱與液化效率。

(4)毛細(xì)管。作為制冷系統(tǒng)的節(jié)流機(jī)構(gòu)，作用是節(jié)流降壓，一方面，控制液態(tài)制冷劑流量；另一方面，將液態(tài)制冷劑的壓力由冷凝壓力降低到蒸發(fā)壓力，便于在蒸發(fā)器中氣化吸熱。

(5)干燥過(guò)濾器。作用是排除制冷劑中的水分和污物，防止其侵入壓縮機(jī)或阻塞循環(huán)通道。

(6)蒸發(fā)器。作為制冷裝置的功能部件，作用是將來(lái)自毛細(xì)管的液態(tài)制冷劑蒸發(fā)為蒸氣，吸收周?chē)嗄陜鐾恋貙拥臒崃?，產(chǎn)生制冷效應(yīng)。

(7)自動(dòng)化控制器。作用是調(diào)節(jié)裝置的啟動(dòng)、停止及運(yùn)行時(shí)間。此外，還具有壓縮機(jī)開(kāi)機(jī)延時(shí)保護(hù)、超溫限報(bào)警等保護(hù)功能。

(8)保護(hù)外殼。作用是固定與保護(hù)地表部件，殼壁上鉆設(shè)通風(fēng)孔，便于冷凝器向外傳遞熱量。

根據(jù)圖3所示結(jié)構(gòu)型式，加工與制作1套實(shí)體裝置。制作流程如圖5所示，具體步驟包括：(1)蒸發(fā)器盤(pán)管，通過(guò)機(jī)械彎折方式將銅管按照一定間距纏繞在防凍型PVC基管上。為防止地下水及各類(lèi)土壤成分對(duì)銅管的腐蝕，銅管外包鋁箔膠帶。(2)搭建鋼制支架，采用螺栓將制冷系統(tǒng)的各部件牢固地集成為一體并固定在支架上。(3)采用氣焊方式，將壓縮機(jī)、冷凝器、干燥過(guò)濾器、毛細(xì)管、蒸發(fā)器的出、入口順次焊接。(4)系統(tǒng)部件焊接溫度消除后，采用真空泵將裝置抽真空，利用裝置真空度灌注制冷劑。(5)電氣連接，將壓縮機(jī)、冷卻風(fēng)機(jī)與自動(dòng)化控制器進(jìn)行電氣連接，控制器通過(guò)電度表與電源連接。(6)制作與安裝保護(hù)外殼。

4 壓縮式制冷裝置的性能試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)條件及監(jiān)測(cè)方案

建立壓縮式制冷裝置的試驗(yàn)平臺(tái)，試驗(yàn)箱的長(zhǎng)、寬和高分別為1.2，1.2和1.5 m，裝置位于模型箱中心位置，其周?chē)钪馏w。試驗(yàn)中裝置蒸發(fā)器的高度為1.2 m，壓縮機(jī)功率為135 W。試驗(yàn)時(shí)間設(shè)置為10 d。溫度監(jiān)測(cè)包括蒸發(fā)器軸向溫度和管周土體徑向溫度2部分，測(cè)點(diǎn)布置如圖6所示，共計(jì)19個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)。溫度傳感器采用PT100鉑電阻，精度為0.1 ℃，由DataTaker-80數(shù)據(jù)儀采集溫度數(shù)據(jù)。試驗(yàn)平臺(tái)與監(jiān)測(cè)系統(tǒng)如圖7所示。

圖5 壓縮制冷管的制作流程

圖6 壓縮式制冷管試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)布置(單位: cm)

4.2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

4.2.1 制冷溫度

圖8為試驗(yàn)過(guò)程中壓縮式制冷裝置蒸發(fā)器表面制冷溫度的變化時(shí)程。由圖8可以看出：制冷溫度呈先降低、后穩(wěn)定的變化規(guī)律，最低溫度可達(dá)-25 ℃以下，遠(yuǎn)低于多年凍土溫度，滿(mǎn)足凍土保護(hù)要求；制冷溫度還表現(xiàn)出與環(huán)境溫度晝夜升降特征一致的波動(dòng)規(guī)律，但變化幅度較小，不會(huì)影響到制冷溫度整體水平；同時(shí)，試驗(yàn)開(kāi)始之后制冷效應(yīng)沿著豎直方向由上至下逐漸啟動(dòng)，原因在于，蒸發(fā)段上部距離毛細(xì)管較近，制冷劑氣化時(shí)間最早。

圖7 試驗(yàn)條件與監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

圖8 壓縮式制冷管制冷溫度的變化時(shí)程

圖9為裝置蒸發(fā)器制冷溫度在豎直方向上的分布特征。由圖9可以看出：制冷溫度由上至下基本呈逐漸降低的規(guī)律，原因在于，蒸發(fā)器下部銅管距離壓縮機(jī)較近，制冷劑氣化速率最快，相應(yīng)地制冷溫度最低；同時(shí)，由于蒸發(fā)器底端容易受到地面溫度影響，制冷溫度有所升高?？傮w而言，在裝置啟動(dòng)過(guò)程中，蒸發(fā)器銅管距離毛細(xì)管越近，制冷效應(yīng)出現(xiàn)時(shí)間越早；在裝置正常運(yùn)行過(guò)程中，蒸發(fā)器銅管距離壓縮機(jī)越近，制冷溫度越低。

圖9 壓縮式制冷管制冷溫度在豎直方向的分布

圖10給出了壓縮式制冷裝置的日均制冷溫度與環(huán)境溫度的關(guān)系。由圖10可以看出：試驗(yàn)開(kāi)始之后，裝置平均制冷溫度呈先降低、后穩(wěn)定的變化規(guī)律，最后維持在約-20 ℃的水平，與之相反，大氣環(huán)境溫度呈逐漸增大的變化趨勢(shì)，因此，在正溫環(huán)境下，壓縮式制冷管也可以產(chǎn)生負(fù)值范圍的制冷溫度，且制冷溫度水平基本不會(huì)受到環(huán)境溫度的影響。那么，對(duì)于多年凍土區(qū)路基工程而言，在凍土退化嚴(yán)重的暖季，壓縮式制冷管也可以產(chǎn)生負(fù)溫，對(duì)凍土地基和路基輸出穩(wěn)定的制冷量。因此，相比現(xiàn)有塊石、通風(fēng)管和熱管等主動(dòng)冷卻措施，壓縮式制冷管具有季節(jié)匹配性好和冷卻效率高的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。

圖10 裝置日均制冷溫度與環(huán)境溫度的關(guān)系

4.2.2 試驗(yàn)箱土體溫度

圖11為試驗(yàn)箱土體溫度的變化時(shí)程。由圖11可以看出：在壓縮式制冷裝置作用下，土體溫度呈逐漸降低的變化趨勢(shì)，冷卻效果顯著。同時(shí)，土體位置距離蒸發(fā)器越近，土體溫度降低速率和范圍越大。由于試驗(yàn)箱邊界與環(huán)境換熱作用的影響，土體溫度在試驗(yàn)后期的降低幅度逐漸減小。試驗(yàn)結(jié)束時(shí)，土體溫度基本全部達(dá)到0 ℃以下。

圖11 試驗(yàn)箱土體溫度的變化時(shí)程

圖12為模型箱土體溫度在水平方向的分布特征。由圖12可以看出：試驗(yàn)開(kāi)始之前，相同高度上土體的初始溫度差別不大，基本分布在5 ℃附近。試驗(yàn)開(kāi)始之后，裝置冷卻效果由模型箱中心向外擴(kuò)散，土體降溫幅度隨著與裝置距離的增大而逐漸減小，起到有利的“冷源”作用。

圖12 試驗(yàn)箱土體溫度在水平方向的分布

5 結(jié) 論

(1)對(duì)于多年凍土退化和路基熱穩(wěn)定性問(wèn)題，一種更為有效的控制方法是采用制冷技術(shù)，在暖季實(shí)時(shí)地將熱量由路基傳遞回大氣環(huán)境，由此嚴(yán)格控制熱量收支平衡。路基用制冷裝置應(yīng)具備小型化、集成化、自驅(qū)化等技術(shù)特征。中國(guó)多年凍土區(qū)多屬于太陽(yáng)能利用條件良好的I類(lèi)地區(qū)，可以為路基沿線分散性制冷提供驅(qū)動(dòng)源。路基工程適合采用太陽(yáng)能光伏技術(shù)和壓縮式制冷技術(shù)的聯(lián)合方案。

(2)提出一款面向多年凍土區(qū)路基工程的主動(dòng)型制冷裝置-太陽(yáng)能壓縮式制冷管，自成獨(dú)立的制冷單元。制冷部件主要由壓縮機(jī)、冷凝器、蒸發(fā)器、毛細(xì)管等順次連接成閉合循環(huán)回路，其中蒸發(fā)器型式為立式柱狀的螺旋形銅管，便于機(jī)械化鉆孔布設(shè)。裝置制作過(guò)程包括機(jī)械盤(pán)管、管路焊接、系統(tǒng)真空與制冷劑灌裝、電氣連接等步驟。

(3)在正溫環(huán)境下，裝置制冷溫度呈先降低、后穩(wěn)定的規(guī)律，最低可達(dá)-25 ℃以下，平均值約為-20 ℃，且基本不受環(huán)境溫度影響，制冷性能穩(wěn)定。蒸發(fā)器銅管位置距離毛細(xì)管越近，制冷啟動(dòng)速度越快；距離壓縮機(jī)越近，制冷溫度越低。試驗(yàn)箱土體降溫幅度隨著與裝置距離的增大而減小。主動(dòng)型壓縮式制冷裝置具有季節(jié)匹配性好和冷卻效率高的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，有助于實(shí)時(shí)地和嚴(yán)格地控制凍土退化。