胡田飛 徐麗霞 張宗凱

1 石家莊鐵道大學省部共建交通工程結構力學行為與系統(tǒng)安全國家重點實驗室

2 石家莊鐵道大學土木工程學院

0 引言

在寒冷與嚴寒氣候區(qū)，冬季路基填料內部水分凍結相變會引起凍脹，進而導致上部公路路面破損與鐵路軌道結構變形超限[1-2]。填料改良、防排水、保溫法能夠有效抑制凍結深度，但無法消除負溫這一關鍵致災因素，路基凍害難以根除。近年來，寒區(qū)基礎設施主動溫控技術逐步發(fā)展，針對路面積雪結冰、隧道襯砌掛冰、路基凍脹等現(xiàn)象，先后提出電加熱、太陽能、流體熱媒管、地源熱泵等人工供熱方法[3-6]。地源熱泵能效性好、自動化程度高且輸出穩(wěn)定，是最為可靠的一種供熱方法。

面向路基供熱應用時，地熱能收集效率、供熱溫度及供熱量是影響熱泵節(jié)能性和有效性的關鍵因素，因此熱泵型號，換熱溫度，運行模式的選擇與控制非常重要[7]。選型方面，熱泵主要包括吸收式熱泵和壓縮式熱泵，受熱力循環(huán)，工質物性以及壓縮機運行限制，各種熱泵均有適用的工作范圍[8]。吸收式熱泵需要高品位熱源驅動，對于取熱端的要求苛刻[9]。電動熱泵壓縮機有耐溫、耐壓限制，冷凝溫度達到100°C時，潤滑油碳化失效以及工質壓力過高會影響壓縮機穩(wěn)定性[10]。路基填料在0°C以上即可消除凍脹，寒區(qū)淺層地熱能流密度低，應采用壓縮式熱泵。路基凍脹分散，供熱負荷低于建筑空氣環(huán)境，宜采用直接膨脹式換熱形式，以多個熱泵單元分散地布置在路基沿線進行分布式供熱[11]。對于選定功率的熱泵機組，理論吸氣量，輸氣量，冷媒循環(huán)量及輸氣系數(shù)等熱力循環(huán)參數(shù)變化范圍較小，影響供熱量及軸功率的因素主要是換熱溫度，即冷凝溫度和蒸發(fā)溫度[12]。

從熱泵機組運行性能角度，換熱溫度除受壓縮機影響之外，還受到換熱器型式、換熱媒介導熱性能及溫度的影響[13-14]。路基地源熱泵型供熱裝置的特殊之處在于，蒸發(fā)器和冷凝器均處于地層中，換熱溫度受到壓縮機功率、換熱器型式、地層熱物性的多重控制，并直接影響熱泵能效性和供熱效果。但是，對于路基熱泵換熱溫度控制方案的研究尚未開展。本文構建一種路基專用直接膨脹式熱泵供熱裝置，通過熱泵熱力循環(huán)分析模型，分析其換熱溫度對熱泵能效性的影響規(guī)律。通過模型試驗，對比不同條件下冷凝溫度和蒸發(fā)溫度的相關關系，獲取兩者的合理取值范圍，給出實際應用建議。

1 熱能轉化式路基

路基凍脹一般發(fā)生在基床表層，供熱方案為在路基附近地基中布置蒸發(fā)器來采集地熱能，蒸發(fā)器為柱狀螺旋盤管，采用豎直埋管形式，便于獲取地下深部地層的熱量。在路基凍脹層布置冷凝器，加熱基床填料，即“主動供熱式”路基。冷凝器在基床內部可以豎直，水平或傾斜布置，換熱器之間采用金屬波紋軟管柔性焊接，便于靈活地改變布置方案。一種布設方案如圖1所示，蒸發(fā)器布設在路基坡腳，冷凝器以水平埋管形式布設在凍脹層。實際應用時，熱泵以一定間隔D 布置在路基沿線，當交通線路沿線無法配套供電設施時，可以匹配離網(wǎng)式新能源發(fā)電系統(tǒng)，熱泵“孤島”自驅運行，如圖2 所示。

圖1 主動供熱式路基

圖2 寒區(qū)路基分布式供熱方案

對于路基熱泵而言，當選用一臺參數(shù)固定的壓縮機，供熱量和制熱效率主要由冷凝溫度和蒸發(fā)溫度決定。熱泵熱力循環(huán)如圖3 所示，循環(huán)過程為a-b-c-d-e-f-a，冷凝溫度與冷凝壓力呈正相關關系，冷凝壓力越高，冷凝溫度越高[15]。蒸發(fā)溫度與蒸發(fā)壓力也呈正相關關系。當蒸發(fā)溫度Te不變、冷凝溫度Tc變化時，熱力循環(huán)過程變?yōu)閍-b’-c’-d’-e’-f’-a，可以看出在冷凝溫度提高、蒸發(fā)溫度不變的情況下，壓縮機的壓比增大，壓縮機功率和壓比成正相關關系，即壓縮機耗功率也增大。地源熱泵向路基供熱時，冷凝溫度過高會使壓縮機的排氣溫度增高，引起吸氣比容增大和輸氣量減小。同理，在冷凝溫度降低、蒸發(fā)溫度不變的情況下，可以減少功率消耗，但冷凝溫度過低又難以滿足路基供熱需求，同時還會導致冷凝壓力降低，引起熱力膨脹閥關小，制冷劑流量減少，反而使循環(huán)換熱量進一步下降。

圖3 冷凝溫度變化對熱泵性能的影響

實際應用中，冷凝溫度偏低的原因主要包括：1）熱泵供熱容量與熱負荷不匹配，路基熱負荷較大，但熱泵設計時選擇的壓縮機功率過低。2）膨脹閥選型過大或者膨脹閥開度過大，節(jié)流效果不良。3）冷媒充注量不夠。為保證路基供熱可靠性，設計時應選擇足夠供熱容量的壓縮機。反之，冷凝溫度偏高的原因包括：1）制冷劑充注量過多，液體占據(jù)有效冷凝面積。2）環(huán)境換熱介質溫度高，換熱效率低，冷凝器散熱效果不好。同一臺熱泵設備隨著負荷的變化，換熱溫度是不同的。因此路基熱泵設計時，應為壓縮機匹配合理長度的冷凝器和蒸發(fā)器銅管，根據(jù)凍脹范圍和供熱需求，計算螺旋盤管間距和整體尺寸，以保持合理的換熱溫度。

2 路基專用地源熱泵型供熱裝置試驗

2.1 試驗裝置及試驗方案

2.1.1 試驗裝置

根據(jù)測算，東北地區(qū)單線鐵路路基在冬季的最大熱通量約為200 W/延米。因此，選用一臺低溫全封閉活塞壓縮機，制冷劑R600a，排氣容積8.1 cm3，輸入功率166 W，凈重9.4 kg。設計與制作面向路基工程的直膨式熱泵系統(tǒng)，蒸發(fā)器和冷凝器均采用柱狀螺旋盤管，直徑90 mm，蒸發(fā)器高度2.0 m，以冷凝器盤管間距為變量，設計兩種裝置方案。方案一為：冷凝器盤管間距為20 cm，整體高度為4.5 m，如圖4 所示；方案二為：冷凝器盤管間距約為5 cm，整體高度為1.0 m。微電腦控制器提供定溫和定時兩種自動化運行模式。

圖4 地源熱泵型供熱裝置

2.1.2 試驗方案

石太客專2009 年開通運營后每年冬季均有路基凍害發(fā)生，在該線石板山隧道西口附近填筑試驗平臺，工點歷史最低氣溫-19.8°C，最大凍深85.0 cm，現(xiàn)場試驗情況如圖5 所示。溫度監(jiān)測方案為在裝置冷凝器和蒸發(fā)器管壁上均勻布置5 個PT100 溫度傳感器，分別為TA-1～TA-5 和TB-1～TB-5，由Datataker 80 數(shù)據(jù)采集儀自動采集，時間間隔為15 分鐘。試驗在冬季進行，日均溫度在0°C以下。試驗方案分為連續(xù)運行和間歇運行，間歇運行模式的啟停時間比例分為2 h:1 h、2 h:2 h、1 h:2 h。上述4 種熱泵運行模式的啟停時間比例逐漸減小。

圖5 現(xiàn)場試驗情況

2.2 試驗結果

2.2.1 換熱溫度

圖6 為不同運行模式下熱泵設計方案一（冷凝器盤管間距20 cm）的換熱溫度變化規(guī)律。可以看出，在連續(xù)運行模式下，熱泵啟動之后冷凝溫度迅速升高，最高溫度可達45.23°C，由于螺旋盤管的漸進換熱過程及與壓縮機距離的漸變關系，冷凝溫度隨制冷劑流動方向呈逐漸降低的分布規(guī)律，供熱溫度范圍為30～45°C，可以有效加熱路基凍脹層。同時，蒸發(fā)溫度范圍為-5～-15°C，這一溫度低于地層溫度，可以有效收集地熱能。在間歇運行模式下，啟停比2 h:1 h、2 h:2 h、1 h:2 h 時每天分別有8 個，6 個和8 個啟停循環(huán)次數(shù)。在熱泵運行狀態(tài)下，啟停比2 h:1 h、2 h:2 h、1 h:2 h 時的最高冷凝溫度分別為40.98°C、40.08°C、39.21°C，最低蒸發(fā)溫度分別為-13.75°C、-12.36°C、-12.21°C。熱泵進入停機狀態(tài)后，吸熱溫度有所升高，可見間歇運行模式有利于蒸發(fā)器周圍地熱能的恢復，提高地熱能收集效率。而冷凝溫度迅速降低，整體供熱溫度范圍基本為20～40°C?？傮w而言，熱泵供熱性能相比連續(xù)運行模式有所降低，且隨啟停時間比例的減小而逐漸劣化。

圖6 熱泵設計方案一的換熱溫度變化規(guī)律

圖7 為不同運行模式下熱泵設計方案二（冷凝器盤管間距5 cm）的換熱溫度變化規(guī)律?？梢钥闯?，最高冷凝溫度可達90°C以上，蒸發(fā)溫度范圍為0°C～-10°C。原因在于，冷凝器盤管間距過小會引起散熱不良，冷凝溫度升高。冷凝溫度過高還會導致制冷劑液化不足，進而影響節(jié)流氣化過程，蒸發(fā)溫度也高于方案一，不利于地熱能收集。熱泵受工質物性、壓縮機耐溫耐壓限制，只能工作于有限溫度范圍之內，90°C對于壓縮機長期運行壽命不利。在間歇運行模式下，供熱溫度仍可達到90°C以上，換熱溫度呈規(guī)律性交替增減變化，日均供熱溫度有所降低。由于間歇散熱緩沖作用，最低蒸發(fā)溫度可降低至-10°C以下，對地熱能收集效率有所改善。

圖7 熱泵設計方案二的換熱溫度變化規(guī)律

2.2.2 平均換熱溫度

圖8 為不同熱泵設計方案和運行模式下的平均換熱溫度?？梢钥闯?，隨著啟停時間比例的減小，方案一和方案二的平均供熱溫度均逐漸降低，且方案一供熱溫度低于方案二。方案一平均吸熱溫度呈逐漸升高的變化趨勢，而方案二則呈先降低、后升高的規(guī)律，原因在于連續(xù)運行時制冷劑平均循環(huán)溫度過高，導致蒸發(fā)不良而溫度難以下降。因此，當冷凝器盤管間距較小時，需要嚴格控制熱泵機組啟停時間比例，否則容易出現(xiàn)冷凝器散熱不良和換熱性能劣化現(xiàn)象。而當冷凝器盤管間距較大時，則可以采用連續(xù)運行模式，維持穩(wěn)定的換熱性能。整體而言，當冷凝器螺旋盤管間距過小時，單位長度銅管與土體接觸面積或換熱范圍小，容易導致熱量在冷凝器附近聚集，形成“熱堆積”現(xiàn)象，一方面對于路基供熱防凍脹效果改善不明顯，另一方面則會引起熱泵機組過熱運行，造成機械過度損耗。

圖8 不同運行模式下的平均換熱溫度

2.2.3 冷凝溫度與蒸發(fā)溫度的相關性

根據(jù)試驗結果，統(tǒng)計熱泵在運行狀態(tài)時冷凝溫度與蒸發(fā)溫度的相關關系，如圖9 所示?？梢钥闯?，對于冷凝器盤管間距為20 cm 的熱泵，隨著冷凝溫度的增大，蒸發(fā)溫度呈逐漸降低的變化規(guī)律。說明隨著熱泵冷凝器供熱輸出功率的提高，蒸發(fā)器吸熱效率或地熱能收集效率也隨之提高，兩者呈正相關關系，有利于機組良性運行。當路基熱負荷較大時，可以采用連續(xù)運行模式。而對于冷凝器盤管間距為5 cm 的熱泵，隨著冷凝溫度的增大，蒸發(fā)溫度呈先降低、后升高的變化規(guī)律，這說明當熱泵啟停比較低時，機組運行時間短，換熱效率高，但供熱量不足。而當熱泵啟停比過高甚至連續(xù)運行時，制冷劑循環(huán)整體溫度水平高，導致蒸發(fā)溫度過高，地熱能收集能力變差。因此，當冷凝器盤管過密時，熱泵不宜采用連續(xù)運行模式，并應合理控制運行啟停比，才能達到最優(yōu)換熱效果。

圖9 熱泵冷凝溫度與蒸發(fā)溫度的相關性

對于本文裝置設計方案二（冷凝器盤管間距為5 cm）的熱泵機組，最優(yōu)運行模式為啟停比2 h:1 h，冷凝溫度為50°C～70°C，對應的蒸發(fā)溫度低于-5°C，地熱能收集能力顯著優(yōu)于其他運行模式。對于裝置設計方案一（冷凝器盤管間距為20 cm）的熱泵機組，最優(yōu)運行模式為連續(xù)運行。

3 地源熱泵型供熱裝置應用建議

對于路基而言，路基填料和地基土體熱容大、熱阻大，本身就是熱惰性較強的蓄熱體，溫度保持在稍高于0°C即可消除凍脹現(xiàn)象。因此，在熱泵設計時，為保證壓縮機提供的熱量滿足路基需求，應根據(jù)路基最不利工況對應的熱負荷選擇壓縮機型號。同時，路基對熱能品位和連續(xù)性要求低，在滿足防凍脹的前提下，不必過分追求供熱溫度。對于固定功率的壓縮機，熱泵運行性能的主要影響因素為冷凝溫度和蒸發(fā)溫度，兩者具有相關關系。在熱泵機組設計時，選定壓縮機功率后，會匹配相應長度和直徑的低壓端銅管和高壓端銅管，進而通過螺旋盤管制作冷凝器和蒸發(fā)器。根據(jù)本文試驗結果，在熱泵正常運行狀態(tài)下，冷凝器和蒸發(fā)器均可維持恒定的溫度范圍。當冷凝器銅管螺旋間距為20 cm 時，最高供熱溫度可達45°C，平均供熱溫度為40°C。當冷凝器銅管螺旋間距為5 cm 時，最高供熱溫度可達90°C，平均供熱溫度為70°C。

熱泵冷凝溫度的高低主要取決于冷卻介質的溫度及流量、冷凝面積、冷凝器型式等。同時地域及氣候條件的不同，導致路基熱負荷和地基地熱能條件不同，也會使冷凝溫度發(fā)生變化。由于土體熱擴散系數(shù)低、傳熱效率慢，盤管間距過小容易在冷凝器周圍出現(xiàn)“熱堆積”現(xiàn)象。冷凝溫度過高不僅無°C于路基凍脹防控效果，而且會使吸熱溫度升高、地熱能收集量下降，能耗增加，直接影響熱泵的能效性和長期壽命。增大盤管間距可以降低冷凝溫度，提高熱泵換熱量，減少功率消耗。但冷凝溫度也不應過低，否則會影響制冷劑循環(huán)量，反而使地熱能收集量下降。因此在實際應用時，應從路基供熱需求和熱泵運行能效性兩個角度出發(fā)，在設計階段參考盤管間距5 cm 對應平均冷凝溫度70°C和盤管間距20 cm 對應平均冷凝溫度40°C的區(qū)間，合理選擇冷凝器盤管間距，在運行階段合理控制啟停時間比例，從而實現(xiàn)對冷凝溫度的動態(tài)調控。

4 結論

1）地源熱泵型供熱裝置可以在冬季高效地將穩(wěn)定地層地熱能收集、提升、輸送至路基凍脹層，形成一種新型“熱能轉化式”路基。實現(xiàn)對路基熱量收支和溫度變化的人為控制，進而消除凍脹，相比既有被動保溫措施更具實時性、主動性和有效性。

2）對于路基熱泵，冷凝溫度和蒸發(fā)溫度是影響機組供熱量和制熱效率的關鍵因素。冷凝溫度提高會引起壓縮機的壓比增大，不利于機組能效性。路基用熱泵的冷凝器和蒸發(fā)器型式為柱狀螺旋盤管，在壓縮機功率固定的情況下，可以通過改變盤管間距調整換熱溫度水平。

3）在運行狀態(tài)下，熱泵冷凝器銅管螺旋間距為20 cm 時，最高供熱溫度可達45°C，平均供熱溫度為40°C。當螺旋間距為5 cm 時，最高供熱溫度可達90°C，平均供熱溫度為70°C。當冷凝器盤管間距較大時，蒸發(fā)溫度隨著冷凝溫度的提高而降低，熱泵機組可以采用連續(xù)運行模式。當冷凝器盤管間距較小時，蒸發(fā)溫度隨著冷凝溫度的提高呈現(xiàn)先降低、后升高的規(guī)律，冷凝器周圍容易出現(xiàn)熱堆積現(xiàn)象，宜采用間歇運行模式。