胡田飛

(1. 石家莊鐵道大學(xué) 省部共建交通工程結(jié)構(gòu)力學(xué)行為與系統(tǒng)安全國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，石家莊 050043；2. 石家莊鐵道大學(xué) 土木工程學(xué)院，石家莊 050043)

0 引言

對于凍土區(qū)的路基工程，在大氣環(huán)境和外部荷載等因素的作用下，填料中的水分和土微粒的遷移會引起路基凍脹變形導(dǎo)致其病害現(xiàn)象的產(chǎn)生。因此，如何防治路基凍脹病害是凍土區(qū)鐵路與公路工程的關(guān)鍵問題。路基防凍脹方法主要包括換填法、土質(zhì)改良法、防排水法、保溫法等[1]。目前，哈大高速鐵路、哈齊高速鐵路、蘭新高速鐵路等凍土區(qū)高速鐵路主要采用上述防凍脹方法。監(jiān)測表明，既有措施可以有效降低凍脹變形量，但是無法杜絕凍脹的發(fā)生，因此凍脹依然是凍土區(qū)高速鐵路運(yùn)營面臨的主要障礙之一[2-4]。

根據(jù)工程熱力學(xué)第二定律，在自然條件下，熱量會自發(fā)地從高溫物體向低溫物體轉(zhuǎn)移[5]。在冬季，相比于低溫大氣環(huán)境，路基屬于高溫?zé)嵩?，因此路基向大氣環(huán)境的傳熱過程具有自發(fā)性和不可逆性?，F(xiàn)有的路基保溫措施僅可通過增大路基邊界的熱阻來減小熱量損失，無法消除負(fù)溫這一關(guān)鍵的凍脹發(fā)生條件，屬于被動性方法。因此，更為有效的防凍脹方法是在冬季人為創(chuàng)造高于路基溫度的高溫?zé)嵩?，通過附加人工熱量傳輸過程主動向路基補(bǔ)償熱量，使填料保持在冰點(diǎn)溫度以上，即可消除凍脹現(xiàn)象[6]。根據(jù)建筑環(huán)境與能源應(yīng)用工程理論[7-8]，路基防凍脹問題實(shí)質(zhì)上屬于“供熱”范疇。

綜上，本文針對路基主動供熱方法，分析了現(xiàn)有路基防凍脹措施的局限性，對比選擇出適用于路基工程的供熱種類；針對熱源的分散供應(yīng)問題，分析利用太陽能和淺層地?zé)崮艿瓤稍偕茉醇夹g(shù)供熱的可行性；最后，設(shè)計(jì)了2種分別以可再生能源作為熱源的路基專用供熱系統(tǒng)，并進(jìn)行了集熱性能試驗(yàn)，驗(yàn)證了這一新方向的實(shí)用性。

1 路基防凍脹方法的改進(jìn)方向

1.1 現(xiàn)有路基防凍脹方法的局限性

土體凍脹是由土質(zhì)、水分和溫度共同作用的結(jié)果，因此改進(jìn)三者中的任一因素就可以阻止凍脹的發(fā)生。

1)對于土質(zhì)改良方法，以往普遍認(rèn)為凍脹敏感性土質(zhì)是導(dǎo)致路基出現(xiàn)凍脹現(xiàn)象的主要原因之一，填料級配是路基防凍脹工作的核心[9]。但是，凍土區(qū)高速鐵路凍脹變形監(jiān)測結(jié)果表明，路基中部分含水率低或遠(yuǎn)離地下水的級配碎石層也普遍存在凍脹現(xiàn)象，進(jìn)而危及了行車安全。由于土壤中水分的存在，凍脹是土體構(gòu)筑物的固有屬性，因此無法從土質(zhì)改良角度來完全消除凍脹現(xiàn)象。

2)對于水分控制方法，水是路基出現(xiàn)凍脹現(xiàn)象的主要因素，并且其還會對路基本體承載力造成影響，因此一般首先考慮防水、排水措施。但由于路基處于一個開敞的地質(zhì)和氣候環(huán)境中，任何措施都不能完全隔絕地下水、大氣降水等因素對填料水分變化的影響。

3)對于溫度控制方法，被動保溫措施只能有限地減小路基在冬季的熱量損失[10]，以此可以延遲凍脹的出現(xiàn)時間和降低凍脹變形程度，但不能嚴(yán)格控制凍脹的出現(xiàn)，尤其缺乏凍脹病害應(yīng)急搶險功能。

1.2 路基防凍脹方法的發(fā)展新方向

從傳熱改良方向來看，路基在溫暖季節(jié)獲得更多的輸入熱量有利于抵消其在寒冷季節(jié)的嚴(yán)寒環(huán)境下受到的冷侵蝕，提升路基的抗凍脹潛力；同時，在冬季主動地向路基輸入熱量將填料溫度保持在凍結(jié)溫度以上，可以完全消除凍脹。這一技術(shù)思路類似于人居環(huán)境的冬季供暖。因此，路基防凍脹方法的一個發(fā)展新方向是以溫度為直接控制對象，提出一種路基主動供熱方法。

由于路基凍脹病害具有分散性強(qiáng)、分布深度深等特殊性，因此，針對路基主動供熱方法的供熱技術(shù)應(yīng)滿足以下要求：

1)供熱溫度應(yīng)高于路基填料的凍結(jié)溫度；

2)供熱量應(yīng)大于路基凍脹臨界點(diǎn)的熱量損失；

3)供熱裝置系統(tǒng)集成化，使供熱系統(tǒng)具有分散且便捷的熱量來源，可以獨(dú)立實(shí)現(xiàn)持續(xù)的供熱；

4)供熱深度應(yīng)大于路基的最大凍結(jié)深度；

5)供熱裝置便于布設(shè)，不會影響路基的正常使用。

因此，將供熱技術(shù)引入路基工程需考慮的關(guān)鍵問題包括：1)供熱方法的選擇；2)熱量來源的分散供應(yīng)；3)供熱系統(tǒng)形式的設(shè)計(jì)。

2 供熱方法的對比選擇

2.1 常規(guī)熱源和電熱源

供熱技術(shù)是一門歷史悠久的學(xué)科，方法多樣，技術(shù)成熟[11]。常規(guī)熱源指采用礦物燃料，通過中間的管網(wǎng)和末端的散熱器來輸配熱量，主要面向大面積和大負(fù)荷的集中供熱應(yīng)用場景。電熱源是直接將電能轉(zhuǎn)換為熱能，該方式的生產(chǎn)過程不產(chǎn)生污染，工作環(huán)境清潔，已嘗試應(yīng)用于一些基礎(chǔ)設(shè)施的維護(hù)中，例如將發(fā)熱電纜應(yīng)用于路面融雪、管道保溫等[12]。但是，電熱源受限于交通沿線的基礎(chǔ)設(shè)施落后，常規(guī)熱源會導(dǎo)致熱力管網(wǎng)的投資規(guī)模過大，因此這2種方式面向路基的適用性較差。

2.2 可再生能源

太陽能是儲量最大的一種可再生能源，其中，太陽能熱利用技術(shù)主要采用平板集熱器和真空集熱管等[13]。平板集熱器多用于低溫領(lǐng)域，輸出溫度一般低于100 ℃，光熱轉(zhuǎn)換率較低。真空集熱管的吸熱體和外壁之間為真空環(huán)境，多用于中、高溫領(lǐng)域，具有集熱效率高、溫度升高快、熱能儲存和輸出性能好等優(yōu)點(diǎn)。

淺層地?zé)崮苁侵傅乇淼蜏責(zé)崮埽淅梅绞綖榈卦礋岜?。在交通巖土工程領(lǐng)域，已提出將熱泵與各類土工構(gòu)筑物聯(lián)合來實(shí)現(xiàn)地?zé)崂玫摹澳茉吹叵鹿こ獭崩砟?，用于防治凍土區(qū)隧道洞口段的凍脹病害[14]。業(yè)界還提出了一種“能源樁”，是通過向樁基礎(chǔ)嵌入一種熱泵換熱部件來實(shí)現(xiàn)承載和供熱的雙重功能，可用于路面融雪、除冰等[15-16]。但是在既有應(yīng)用中，熱泵多為間接換熱式機(jī)組，雖然這種機(jī)組的熱容量大，但其系統(tǒng)復(fù)雜，更適用于小范圍的集中供熱，無法滿足大面積的分散供熱需求。

2.3 小結(jié)

綜上可知，從技術(shù)成本和可持續(xù)發(fā)展的角度來看，面向路基工程時，常規(guī)熱源和電熱源均不適用。而太陽能和淺層地?zé)崮芊植紡V泛、利用便捷，雖然會受季節(jié)、天氣等因素的影響，但是路基的熱惰性強(qiáng)，不會受到熱源不連續(xù)的影響，因此，以太陽能和淺層地?zé)崮茏鳛槁坊鶡嵩吹倪m用性較好。

3 可再生能源供熱技術(shù)的應(yīng)用條件

3.1 太陽能

我國各地的年總太陽輻射量范圍在3344～8400 MJ/m2之間，根據(jù)年總太陽輻射量的差別，共可分為5類太陽能利用條件地區(qū)，具體如表1所示[17]。

我國凍土區(qū)，尤其是青藏高原、西北地區(qū)、華北北部和東北地區(qū)等地表凍深較深且路基凍脹病害嚴(yán)重的凍土區(qū)，從表1可以看出，這些地區(qū)屬于太陽能利用條件良好的Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ類地區(qū)，年日照時數(shù)均大于2000 h，年總太陽輻射量均高于5000 MJ/m2，這些地區(qū)的面積約占全國總面積的2/3以上。

表1 我國太陽能利用條件地區(qū)分布的分級標(biāo)準(zhǔn)[17]Table 1 Grading standard of regional distribution of solar energy utilization conditions in China[17]

以太陽能作為路基主動供熱方法的熱源時，可采用太陽能真空集熱管。太陽能真空集熱管主要由內(nèi)部吸熱體和外層玻璃管組成，吸熱體材質(zhì)采用玻璃或金屬，其表面附著光譜選擇性吸收涂層。由于全玻璃真空集熱管在嚴(yán)寒氣候或荷載沖擊作用下容易破裂損壞，導(dǎo)致其內(nèi)部工質(zhì)泄漏；而玻璃-金屬封接型真空集熱管的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度大，具有集熱溫度高、耐久性好等優(yōu)點(diǎn)，因此，路基主動供熱方法采用玻璃-金屬封接型真空集熱管。該真空集熱管應(yīng)用于路基工程時，一方面，傳熱工質(zhì)在真空集熱管的內(nèi)部金屬管內(nèi)，在嚴(yán)寒環(huán)境中不會因凍裂而泄漏；另一方面，內(nèi)部金屬管的抗震性好，適用于路基震動工況。

3.2 淺層地?zé)崮?/h3>

相較于太陽能的季節(jié)波動性，地?zé)崮艿膬α糠€(wěn)定、季節(jié)連續(xù)性較好。根據(jù)勘查，在我國西部、華北和東北等凍土區(qū)均有豐富的地?zé)崮芊植糩18]。其中，淺層地?zé)崮艿姆植加绕鋸V泛，且利用難度較低。

熱泵的工作原理為逆卡諾循環(huán)，如圖1所示，其是利用化學(xué)工質(zhì)的氣、液循環(huán)變化來實(shí)現(xiàn)熱量的搜集、轉(zhuǎn)化和傳遞。一般熱泵中的冷凝器可以釋放4～7倍于電能的熱量，同時提高冷凝器外壁的溫度，是一種高效的熱量提升裝置。

目前，地源熱泵在系統(tǒng)運(yùn)行特性、地層傳熱規(guī)律及性能優(yōu)化等方面的研究已十分成熟。在我國凍土區(qū)，淺層地?zé)崮苜Y源性條件和地源熱泵的系統(tǒng)運(yùn)行效率、供熱性能等系統(tǒng)性條件均具有良好的可靠性。

圖1 熱泵的系統(tǒng)組成及工作流程Fig. 1 System composition and workflow of heat pump

3.3 小結(jié)

總體而言，太陽能和淺層地?zé)崮芾玫膬?yōu)勢在于其分布廣泛，是容易獲取的中低溫?zé)嵩?；并且我國凍土區(qū)的太陽能、淺層地?zé)崮苜Y源分布豐富，利用技術(shù)成熟，可以滿足路基主動供熱方法針對熱源的分散供應(yīng)需求。

4 路基專用供熱系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與驗(yàn)證

4.1 路基專用供熱系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求

路基主動供熱的特殊性在于路基的凍結(jié)深度大，最大可達(dá)3 m以上，而路基專用供熱系統(tǒng)裝置的供熱深度應(yīng)大于最大凍結(jié)深度；同時，由于路基不能中斷運(yùn)營，因此路基專用供熱系統(tǒng)應(yīng)具有體積小和布設(shè)方式靈活的技術(shù)特征[19]。綜上，路基專用供熱系統(tǒng)的發(fā)展方向應(yīng)為小型集成化系統(tǒng)，供熱裝置采用便于機(jī)械化鉆孔布設(shè)的柱狀形式。

4.2 路基專用太陽能供熱系統(tǒng)

4.2.1 結(jié)構(gòu)形式

路基專用太陽能供熱系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)化示意圖如圖2所示，其裝置形式如圖3所示。其中，太陽能集熱段采用玻璃-金屬封接型真空集熱管，路基供熱段采用金屬管，兩者內(nèi)部均灌注導(dǎo)熱油，并采用法蘭進(jìn)行直通式連接。

路基專用太陽能供熱系統(tǒng)的工作流程為：玻璃-金屬封接型真空集熱管壁面的選擇性吸收涂層將太陽光轉(zhuǎn)換為熱能，然后向內(nèi)傳遞給導(dǎo)熱油；導(dǎo)熱油升溫引起供熱段金屬管與土體的溫差，熱能由此傳遞給低溫路基。由于土體熱阻大，傳熱效率低，真空集熱管采用靜態(tài)熱傳導(dǎo)方式。當(dāng)路基熱負(fù)荷較大或應(yīng)用于凍脹病害應(yīng)急搶險時，也可以采用溶液泵強(qiáng)制導(dǎo)熱油內(nèi)循環(huán)來優(yōu)化路基專用太陽能供熱系統(tǒng)的供熱效果。

圖2 路基專用太陽能供熱系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)化示意圖Fig. 2 Schematic diagram of energy conversion of solar heating system for subgrade

圖3 路基專用太陽能供熱系統(tǒng)裝置的結(jié)構(gòu)形式Fig. 3 Structure of device of solar heating system for subgrade

由于太陽輻射條件具有季節(jié)波動性，路基專用太陽能供熱系統(tǒng)的供熱方案設(shè)置為全季節(jié)運(yùn)行，即將路基視為熱量載體，在太陽輻射量較大的夏季、春季和秋季，高效地向路基預(yù)儲熱能，提高路基在冬季來臨時的溫度水平，提升其抗凍脹的潛力；在冬季時，系統(tǒng)可實(shí)時補(bǔ)償一部分熱能，改善寒冷天氣下過度熱量損失引起的路基過冷狀態(tài)。

4.2.2 供熱性能試驗(yàn)

圖4 供熱裝置的制作Fig. 4 Manufacturing of heating device

圖4為路基專用太陽能供熱系統(tǒng)裝置(下文簡稱“供熱裝置”)的制作，通過磁控濺射鍍膜、玻璃-金屬熔封[20]、焊接等工藝，制作出1套如圖3所示結(jié)構(gòu)的供熱裝置。其中，玻璃-金屬封接型真空集熱管的內(nèi)部金屬管的直徑為32 mm、外部玻璃管的直徑為70 mm，整體高度為2060 mm；路基供熱段金屬管的高度為1500 mm；單個供熱裝置的光熱轉(zhuǎn)換率約為40%～60%。

搭建路基專用太陽能供熱試驗(yàn)系統(tǒng)，包括供熱裝置、模型箱、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等。該試驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案及試驗(yàn)系統(tǒng)實(shí)物如圖5所示。

圖5 試驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案及實(shí)物圖Fig. 5 Design scheme and drawing of test system

為體現(xiàn)不同條件下供熱裝置的熱性能，在露天環(huán)境下選擇不同的太陽輻射條件進(jìn)行試驗(yàn)，每組試驗(yàn)時間為1 d，共進(jìn)行10組。試驗(yàn)期間的太陽輻射條件及供熱裝置的供熱溫度水平如表2所示。

表2 試驗(yàn)期間的太陽輻射條件及供熱裝置的供熱溫度水平Table 2 Solar radiation condition and heating temperature level of heating device during test

從表2可以看出，在良好的太陽輻射條件下，玻璃-金屬封接型真空集熱管的最高集熱溫度可以達(dá)到60 ℃以上，路基供熱段的日均供熱溫度可以達(dá)到約42 ℃，說明該供熱裝置的集熱性能良好。

單個供熱裝置的日均供熱溫度與日均太陽輻照量的相關(guān)關(guān)系如圖6所示。圖中，R為相關(guān)系數(shù)。

圖6 供熱裝置的日均供熱溫度和日均太陽輻照量的相關(guān)關(guān)系Fig. 6 Relationship between average daily heating temperature of heating device and average daily solar irradiation

從圖6中可以看出，供熱裝置的日均供熱溫度與日均太陽輻照量呈正相關(guān)關(guān)系。雖然路基專用太陽能供熱系統(tǒng)的集熱性能受到太陽輻射條件、環(huán)境溫度等多種因素的影響，但當(dāng)該供熱裝置埋設(shè)于路基時，由于土體熱阻大，路基供熱段可以保持相對穩(wěn)定的邊界溫度。因此，可采用單因素的簡化預(yù)測方法計(jì)算供熱裝置的日均供熱溫度Ts，其公式為：

式中，S為日均太陽輻照量，MJ/m2。

4.2.3 日均供熱溫度的預(yù)測模型

太陽輻射條件主要由直射輻射和散射輻射組成，是路基專用太陽能供熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。童成立等[21]介紹了一個晴朗天氣下日均太陽輻射量S′的逐日計(jì)算模型，即：

式中，a為透明度系數(shù)，一般取0.73～0.83；β為日照百分率；K為常數(shù)，MJ/(m2?d)，本文取118.12；E為地球軌道偏心率修正系數(shù)；Φ為地球維度；δ為太陽赤緯角；W為太陽時角。

E的計(jì)算式為[21]：

式中，Γ為年角，單位為弧度。

Γ的計(jì)算式為[21]：

式中，n為一年中的日序數(shù)，即第幾日。

δ的計(jì)算式為[21]：

W的計(jì)算式為[21]：

聯(lián)立式(1)、式(2)，即可建立不同地區(qū)的路基專用太陽能供熱系統(tǒng)單個供熱裝置的日均供熱溫度預(yù)測模型。

以屬于凍土區(qū)的黑龍江省齊齊哈爾市為例對路基專用太陽能供熱系統(tǒng)單個供熱裝置的日均供熱溫度預(yù)測模型進(jìn)行驗(yàn)證。齊齊哈爾地區(qū)位于48°N，a取0.73、β取60%。1年中齊齊哈爾地區(qū)的逐日日均太陽輻射量S′和供熱裝置的日均供熱溫度Ts預(yù)測結(jié)果如圖7所示。

圖7 1年中齊齊哈爾地區(qū)的逐日日均太陽輻射量和供熱裝置的日均供熱溫度預(yù)測結(jié)果Fig. 7 Prediction results of average daily solar radiation and average daily heating temperature of heating device in Qiqihar area during a year

從圖7可以看出，1年中齊齊哈爾地區(qū)的日均太陽輻射量范圍為5～25 MJ/m2，相應(yīng)的供熱裝置的日均供熱溫度范圍為20～40 ℃。由于建筑環(huán)境調(diào)節(jié)或工業(yè)熱利用對太陽能供熱系統(tǒng)的供熱溫度的要求較高，導(dǎo)致太陽能供熱系統(tǒng)的輸出連續(xù)性和季節(jié)匹配性不足。但是，路基的溫度保持在0 ℃以上即可根除凍脹現(xiàn)象，因此，20～40 ℃這一供熱溫度范圍對于路基防凍脹而言是有效的。

4.2.4 供熱范圍

根據(jù)均質(zhì)半無限地基中熱源的傳熱測試結(jié)果[22-23]，土體在加熱條件下會經(jīng)歷快速升溫、緩慢升溫、溫度相對穩(wěn)定這3個階段，由于土體的熱擴(kuò)散系數(shù)較低，熱源表面溫度和熱輸入率在持續(xù)供熱的條件下一般可以保持相對穩(wěn)定的水平。根據(jù)圖7中的數(shù)據(jù)，可計(jì)算獲取單個供熱裝置的日均供熱功率為21.5 W，日均供熱溫度為36.7 ℃。以這一結(jié)果為例，基于地基中線熱源計(jì)算模型[19]，結(jié)合土體的導(dǎo)熱系數(shù)取值范圍0.5～2.5 W/(m?K)[24]，可得出單個供熱裝置的供熱半徑約為0.9～2.1 m，即路基專用太陽能供熱系統(tǒng)中2個供熱裝置間的布置間距可設(shè)計(jì)為1.8～4.2 m。

4.3 路基專用地源熱泵系統(tǒng)

4.3.1 結(jié)構(gòu)形式

路基專用地源熱泵系統(tǒng)由直接膨脹式熱泵單元和自動化控制單元組成。直接膨脹式熱泵單元的示意圖如圖8所示，路基專用地源熱泵系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式如圖9所示。

圖8 直接膨脹式熱泵單元的能量轉(zhuǎn)化示意圖Fig. 8 Schematic diagram of energy conversion of direct-expansion heat pump unit

圖9 路基專用地源熱泵系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式Fig. 9 Structure of ground-source heat pump system for subgrade

路基專用地源熱泵系統(tǒng)的直接膨脹式熱泵單元整體呈立柱狀，其中，蒸發(fā)集熱段和冷凝供熱段為螺旋盤管，壓縮機(jī)通過消耗電能做功驅(qū)動熱泵單元內(nèi)部制冷劑的循環(huán)相變，節(jié)流器用來調(diào)節(jié)制冷劑的流量和壓力。自動化控制單元包括溫度傳感器和智能控制器，其可以預(yù)設(shè)熱泵單元的供熱溫度或啟停間隔。

供熱溫度采用位式控制法控制，路基專用地源熱泵系統(tǒng)的工作原理為：預(yù)設(shè)的目標(biāo)供熱溫度為T1、回差溫度為T2、實(shí)測溫度為T，當(dāng)T＜T1?T2時，路基專用地源熱泵系統(tǒng)啟動運(yùn)行；當(dāng)T≥T1時，系統(tǒng)停機(jī)；如此循環(huán)來控制路基專用地源熱泵系統(tǒng)的供熱溫度。

由于淺層地?zé)崮艿膬α看?，地源熱泵系統(tǒng)的供熱性能穩(wěn)定，因此本設(shè)計(jì)的路基專用地源熱泵系統(tǒng)的應(yīng)用思路為：當(dāng)氣候極端寒冷、路基熱負(fù)荷較大或需要進(jìn)行凍脹病害應(yīng)急搶險時，路基專用地源熱泵系統(tǒng)采用連續(xù)運(yùn)行模式來快速、集中地向凍脹地層輸送熱量；當(dāng)路基凍脹程度較低或熱負(fù)荷較小時，系統(tǒng)則采用間歇運(yùn)行模式。

4.3.2 供熱性能試驗(yàn)

根據(jù)圖9的路基專用地源熱泵系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式圖，通過機(jī)械盤管、管路焊接、電氣連接等工藝，制作出1套路基專用地源熱泵系統(tǒng)的實(shí)物，制作現(xiàn)場如圖10所示。其中，冷凝供熱段和蒸發(fā)集熱段的管徑均為90 mm，高度分別為1 m和2 m；選擇1臺功率為166 W的全封閉活塞式壓縮機(jī)；整個路基專用地源熱泵系統(tǒng)的供熱量約0.5 kW。

圖10 路基專用地源熱泵系統(tǒng)的制作Fig. 10 Manufacturing of ground-source heat pump system for subgrade

在某凍土區(qū)搭建路基專用地源熱泵試驗(yàn)系統(tǒng)。將直接膨脹式熱泵單元埋設(shè)于1個四棱形土堆的中心位置，熱泵單元的管壁上布置1排溫度傳感器，然后在土體中按照25 cm的間距布置3排溫度傳感器。系統(tǒng)的布設(shè)示意圖如圖11所示，圖中TA、TB均代表溫度傳感器，角標(biāo)數(shù)字表示其所在位置。試驗(yàn)的現(xiàn)場情況如圖12所示。

圖11 路基專用地源熱泵系統(tǒng)的布設(shè)示意圖(單位：cm)Fig. 11 Layout diagram of ground-source heat pump system for subgrade (Unit: cm)

圖12 路基專用地源熱泵系統(tǒng)的試驗(yàn)現(xiàn)場情況Fig. 12 Test site conditions of ground-source heat pump system for subgrade

為驗(yàn)證路基專用地源熱泵系統(tǒng)的自動化輸出功能，試驗(yàn)方案將系統(tǒng)的目標(biāo)供熱溫度順次設(shè)置為30 ℃、45 ℃、60 ℃，回差溫度均為5 ℃，每個目標(biāo)供熱溫度的試驗(yàn)時間為24 h，總試驗(yàn)時間為72 h。試驗(yàn)時間選擇在2019年12月，日均氣溫約為-1.4 ℃。路基專用地源熱泵系統(tǒng)的工作溫度如圖13所示。

圖13 路基專用地源熱泵系統(tǒng)的工作溫度的分布特征Fig. 13 Distribution characteristics of work temperature of ground-source heat pump system for subgrade

從圖13可以看出，在路基專用地源熱泵系統(tǒng)啟動之后，系統(tǒng)的供熱溫度迅速升高，可保持在預(yù)設(shè)的目標(biāo)供熱溫度水平范圍內(nèi)，說明系統(tǒng)的自動化功能良好；系統(tǒng)進(jìn)入正常運(yùn)行狀態(tài)后的集熱溫度保持在0 ℃以下，最低可達(dá)到-11 ℃，說明系統(tǒng)能夠有效地搜集穩(wěn)定地層的地?zé)崮?。同時，系統(tǒng)的集熱溫度隨著供熱溫度的提高而逐漸增大，這是因?yàn)楫?dāng)預(yù)設(shè)的目標(biāo)供熱溫度較高時，壓縮機(jī)需要連續(xù)運(yùn)行，從而導(dǎo)致內(nèi)部制冷劑的循環(huán)溫度增高。

路基專用地源熱泵系統(tǒng)周圍土體溫度場的變化特征如圖14所示。圖中，X代表土層的橫向?qū)挾?，Y代表土層的縱向深度；原點(diǎn)為熱泵單元所在位置。

圖14 路基專用地源熱泵系統(tǒng)周圍土體溫度場的變化特征(單位：℃)Fig. 14 Change characteristics of soil temperature field around ground-source heat pump system for subgrade(Unit: ℃)

由圖14可以看出，在路基專用地源熱泵系統(tǒng)冷凝供熱段，其周圍的土體形成了近似橢圓形的升溫區(qū)，隨著土體溫度逐漸升高，升溫區(qū)域范圍由中心向外擴(kuò)散，熱泵單元起到了顯著的柱狀熱源作用；隨著試驗(yàn)時間的增加，6 ℃等溫線逐步向外側(cè)移動，最初的負(fù)溫凍脹區(qū)域逐漸縮小。同時，在路基專用地源熱泵系統(tǒng)蒸發(fā)集熱段周圍土層形成近似三角形的降溫區(qū)域，隨著試驗(yàn)時間的增加，0 ℃等溫線逐步向外側(cè)移動，這表明系統(tǒng)蒸發(fā)集熱段的吸熱效應(yīng)明顯。因此，路基專用地源熱泵系統(tǒng)可以高效地將穩(wěn)定地層的熱量提升至上部凍脹地層。

4.3.3 制熱系數(shù)

根據(jù)熱泵的壓縮式熱力循環(huán)原理[19]，在不同目標(biāo)供熱溫度下，路基專用地源熱泵系統(tǒng)的制熱系數(shù)COP的計(jì)算結(jié)果如圖15所示。

從圖15可以看出，在不同目標(biāo)供熱溫度下，路基專用地源熱泵系統(tǒng)的COP值在4.52～7.37之間。由于電熱源的COP為1.0，而太陽能熱源和常規(guī)熱源的COP均小于1.0，因此相比而言，路基專用地源熱泵系統(tǒng)具有高能效、低能耗的節(jié)能優(yōu)勢。

圖15 在不同目標(biāo)供熱溫度下，路基專用地源熱泵系統(tǒng)的制熱系數(shù)計(jì)算結(jié)果Fig. 15 Calculation results of COP of ground-source heat pump system for subgrade under different target heating temperature

同時從圖15還可以看出，路基專用地源熱泵系統(tǒng)的COP隨著目標(biāo)供熱溫度的增大而逐漸減小。這是因?yàn)轭A(yù)設(shè)的目標(biāo)供熱溫度越高，熱負(fù)荷越大，制冷劑在冷凝供熱段中的冷凝壓力會相應(yīng)提高；而路基專用地源熱泵系統(tǒng)的節(jié)流部件采用的是節(jié)流器，制冷劑全部參與熱力循環(huán)，冷凝壓力提高會引起壓縮機(jī)軸功增大，最終降低了系統(tǒng)的COP。因此在實(shí)際應(yīng)用時，應(yīng)根據(jù)路基的凍脹程度，合理選擇路基專用地源熱泵系統(tǒng)的運(yùn)行模式與目標(biāo)供熱溫度，以保證系統(tǒng)的供熱效果和低能耗。

4.4 路基專用供熱系統(tǒng)的布置方案

綜上所述，通過供熱方法比選、可再生能源分布調(diào)查、裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與制作、供熱性能試驗(yàn)等工作，設(shè)計(jì)了分別以不同可再生能源作為熱源的應(yīng)用于路基工程的供熱系統(tǒng)。2種供熱系統(tǒng)均為小型集成式系統(tǒng)，適合采用分布式“孤島”運(yùn)行方式。在實(shí)際應(yīng)用時，路基專用供熱系統(tǒng)的布置方案的設(shè)計(jì)步驟為：

1)根據(jù)路基發(fā)生凍脹的位置及深度，確定供熱系統(tǒng)供熱段的尺寸(直徑、高度)及布設(shè)位置(路肩、邊坡中部或坡腳)。

2)基于路基地溫變化規(guī)律，計(jì)算路基的熱負(fù)荷及防凍脹所需的供熱量。

3)若采用路基專用太陽能供熱系統(tǒng)，需根據(jù)路基所處的大氣環(huán)境條件，確定該供熱系統(tǒng)的集熱溫度及其對應(yīng)的供熱范圍，進(jìn)而確定供熱系統(tǒng)的太陽能集熱段尺寸(吸熱管高度、面積)；若采用路基專用地源熱泵系統(tǒng)，需根據(jù)路基附近地基穩(wěn)定地層的熱儲量條件，確定直接膨脹式熱泵單元的布置間距，以及壓縮機(jī)功率與蒸發(fā)器的尺寸。

路基專用太陽能供熱系統(tǒng)布設(shè)在路基坡腳時的一種布設(shè)方案如圖16所示。

圖16 路基專用太陽能供熱系統(tǒng)布設(shè)于路基坡腳的方案示意圖Fig. 16 Schematic diagram of layout of solar heating system for subgrade at foot of subgrade slope

5 結(jié)論

本文分析了現(xiàn)有路基防凍脹方法的局限性，對比選擇出適用于路基工程的供熱種類；針對熱源的分散供應(yīng)問題，分析了利用太陽能和淺層地?zé)崮艿瓤稍偕茉醇夹g(shù)供熱的可行性，并設(shè)計(jì)了分別以這2種可再生能源作為熱源的路基專用供熱系統(tǒng)。

1)現(xiàn)有的路基防凍脹方法側(cè)重于控制填料土質(zhì)的凍脹敏感性和含水率，保溫措施局限于調(diào)節(jié)自然溫差傳熱過程，均屬于被動性方法。更有效的路基防凍脹方法是在冬季實(shí)時補(bǔ)償路基的過度熱量損失，即附加一個人工熱量傳輸過程主動向路基補(bǔ)償熱量，該方法屬于供熱學(xué)科范疇。實(shí)現(xiàn)路基主動供熱的關(guān)鍵在于選擇合理的熱源供應(yīng)方式和裝置形式，以滿足路基防凍脹所需的供熱溫度、分散供熱及供熱深度等要求。

2)太陽能和淺層地?zé)崮苁?種分布廣泛的可再生能源。我國凍土區(qū)均位于太陽能利用條件良好的Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ類地區(qū)，且太陽能熱利用技術(shù)成熟。淺層地?zé)崮艿膬?yōu)勢在于其具有穩(wěn)定性和連續(xù)性。地源熱泵屬于一種高效的熱量提升裝置，在我國凍土區(qū)具有良好的技術(shù)性和資源性條件。

3)路基專用供熱系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式應(yīng)為一體化的小型集成系統(tǒng)，供熱裝置的形式為立柱狀。路基專用太陽能供熱系統(tǒng)的主要部件為玻璃-金屬封接型真空集熱管，1年內(nèi)日均供熱溫度的模型預(yù)測結(jié)果為20～40 ℃，滿足路基防凍脹所需的供熱要求。路基專用地源熱泵系統(tǒng)可以自動化地輸出30 ℃、45 ℃、60 ℃等不同水平的目標(biāo)供熱溫度，但其COP隨目標(biāo)供熱溫度的提高而降低。