胡田飛，岳祖潤，閆曉夏，徐麗霞

（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，河北 石家莊 050043；2.石家莊鐵道大學(xué) 土木工程學(xué)院，河北 石家莊 050043；3.中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 深圳研究設(shè)計(jì)院，廣東 深圳 518034）

中國陸上交通線路近75%的營運(yùn)里程位于季節(jié)性凍土區(qū)，近30%位于深季節(jié)性凍土區(qū)［1］。凍土區(qū)路基凍脹問題長期存在，并誘發(fā)融沉、翻漿等次生病害。路基凍脹防控方法包括物料改良法、防排水法及保溫法等，但凍脹現(xiàn)象仍大量存在且有時(shí)難以避免［2-3］。為防治路基凍脹、路面積雪、橋面結(jié)冰及隧道凍害等各類溫度效應(yīng)病害，業(yè)界嘗試從主動(dòng)調(diào)控溫度的角度解決問題［4-5］。

相比于建筑物，路基凍害分布分散，供熱的關(guān)鍵是熱源供應(yīng)。常見熱源包括礦物燃料、電能、太陽能及地?zé)崮艿?，供熱方式包括液態(tài)熱媒管、熱管及電加熱等。BOYD 等［6］設(shè)計(jì)1 個(gè)液態(tài)熱媒管加熱路面試驗(yàn)段，以天然氣鍋爐為熱源，在冬季的供熱熱流密度可達(dá)530 W·m-2，流體溫度可達(dá)51 ℃，但其供熱范圍小，需要人員長期值守。MORITA 等［7］在某高速公路施作流體加熱進(jìn)行路面融雪，采用3根豎向同軸套管換熱器與地下土體進(jìn)行換熱，滿載加熱功率為50 kW，但深部地?zé)崮芑謴?fù)性差，難以保證系統(tǒng)長期穩(wěn)定性。徐慧寧等［8］設(shè)計(jì)太陽能-土壤源熱能耦合路面試驗(yàn)段，地下取熱深度為60 m，在極端氣溫達(dá)到-30 ℃時(shí)，路面溫度仍維持在0 ℃以上。熱管是一種高效傳熱元件，GAO 等［9］提出利用熱管收集太陽熱能并將其傳輸至路基表層的防凍脹方法，但冬季太陽能熱流密度低，無法滿足路基快速解凍的應(yīng)急需求。譚憶秋等［10］設(shè)計(jì)利用熱管提取地?zé)崮艿穆访嫒诒到y(tǒng)，解決了北京首都國際機(jī)場(chǎng)和大興國際機(jī)場(chǎng)圍場(chǎng)路及停機(jī)坪的道面積雪結(jié)冰問題。熱管屬于溫差驅(qū)動(dòng)的被動(dòng)傳熱元件，為保障供熱容量，熱管深度往往高達(dá)數(shù)十米，工程規(guī)模較大。電加熱通過電熱轉(zhuǎn)換的方式供給熱能。LAI 等［11］設(shè)計(jì)1 種在隧道二襯外壁布設(shè)發(fā)熱電纜的防凍系統(tǒng)，應(yīng)用表明可以有效防治隧道凍脹與掛冰。ABUBAKAR 等［12］對(duì)比不同發(fā)熱電纜應(yīng)用于混凝土路面的使用效果，指出碳纖維發(fā)熱電纜的效果較好，但電能屬于高價(jià)能源，運(yùn)行能耗大。由此可見，燃料鍋爐、太陽能及電能用于交通構(gòu)筑物存在供熱范圍小、供熱容量低及能效比差等不足。地?zé)崮芫哂袃?chǔ)量大、連續(xù)性好的優(yōu)勢(shì)，但其熱品位低，直接采用時(shí)的工程規(guī)模過大。

熱泵是一種高效節(jié)能的低品位熱能提升裝置，是地?zé)崮?、空氣能等可再生熱能利用的主流手段。工程界將熱泵換熱段埋設(shè)于隧道、橋梁、樁基及地下連續(xù)墻等構(gòu)筑物，形成能源巖土工程理念［13］。張國柱等［14］將地源熱泵系統(tǒng)應(yīng)用于某高速公路隧道襯砌凍害防控，供熱溫度可達(dá)20 ℃。LIU 等［15］和YU 等［16］將熱泵應(yīng)用于橋面融冰，供熱溫度可達(dá)35 ℃，但熱損率在40%以上。黨政等［17］在路面下方布置兼具承載和換熱功能的“能源樁”，融雪除冰效果良好。然而，上述應(yīng)用中熱泵均采用二次換熱回路，體積大、熱損多、耗電量高。胡田飛［18］設(shè)計(jì)用于路基工程的直接膨脹式地源熱泵裝置，取消二次回路，蒸發(fā)段與冷凝段直接埋設(shè)在土層中，可以有效降低熱能損失，但尚未深入研究其換熱規(guī)律和運(yùn)行模式優(yōu)化。羅仲等［19］和LI 等［20］研究指出熱泵間歇運(yùn)行策略有助于改善地下傳熱效果和提高制熱系數(shù)。

本文設(shè)計(jì)與制作1 款路基專用直接膨脹式地源熱泵供熱裝置，對(duì)比3種不同運(yùn)行模式下熱泵的供熱效果與運(yùn)行能效，分析裝置的供熱溫度、集熱溫度、換熱量及制熱系數(shù)4個(gè)性能指標(biāo)變化規(guī)律，提出供熱半徑的預(yù)測(cè)方法。針對(duì)路基凍脹發(fā)生后的快速解凍搶險(xiǎn)與凍脹發(fā)生前的預(yù)防等不同需求，以能耗性和防治凍脹有效性為雙重目標(biāo)，提出合理的應(yīng)用建議。

1 直接膨脹式地源熱泵供熱裝置

熱泵工作原理為逆卡諾循環(huán)，主要由壓縮機(jī)、冷凝器、節(jié)流器及蒸發(fā)器組成，如圖1所示。熱泵工作過程為蒸發(fā)器中低溫低壓的液態(tài)制冷劑從周圍環(huán)境吸取熱量并轉(zhuǎn)化為氣態(tài)，氣態(tài)制冷劑經(jīng)壓縮機(jī)壓縮后溫度和壓力上升，之后高溫氣態(tài)制冷劑在冷凝器釋放熱量，冷凝成液態(tài)，液態(tài)制冷劑通過節(jié)流器返回蒸發(fā)器，再次吸熱蒸發(fā)，如此循環(huán)往復(fù)。熱泵制熱系數(shù)可達(dá)5.0 以上，即可以提取及供給5 倍于耗電量的熱能，實(shí)質(zhì)上是一種熱量提升裝置。

圖1 熱泵工作原理

地源熱泵以地?zé)崮転闊嵩?，分為直接膨脹式和間接換熱式。直接膨脹式熱泵系統(tǒng)將制冷劑直接送入地埋換熱管內(nèi)，制冷劑通過蒸發(fā)或冷凝與土體換熱。間接換熱式熱泵系統(tǒng)包括地埋換熱管和地表熱泵機(jī)組2 個(gè)部分，制冷劑與熱媒分別在相互獨(dú)立的閉合回路中運(yùn)行。直接膨脹式熱泵的換熱溫差大、制熱效率高，但換熱器高度過大會(huì)導(dǎo)致壓縮機(jī)回油困難，因此供熱容量小。間接換熱式熱泵的供熱容量大，但需要附加熱媒環(huán)路和溶液泵，運(yùn)行能耗高、熱量損失大。根據(jù)測(cè)算，沿線路方向單線鐵路路基凍脹期的平均熱負(fù)荷約為20 W·m-1，最大熱通量約為240 W·m-1［18］，按照布設(shè)間距4～6 m估算，單臺(tái)熱泵最大供熱功率在2 kW 以下，因此宜采用直接膨脹式熱泵。

設(shè)計(jì)的路基專用直接膨脹式熱泵供熱裝置如圖2 所示，蒸發(fā)器和冷凝器為柱狀螺旋盤管，使用時(shí)分別設(shè)置在穩(wěn)定土層和凍脹土層，壓縮機(jī)、節(jié)流器、微電腦控制器等其他部件集成固定在地表的保護(hù)箱內(nèi)。微電腦控制器提供定溫和定時(shí)2 種自動(dòng)化運(yùn)行模式。定時(shí)模式通過電源定時(shí)器實(shí)現(xiàn)。定溫模式采用位式控制原理：設(shè)置目標(biāo)溫度T1和回差溫度T2，當(dāng)C≥T1（實(shí)測(cè)溫度C）時(shí)，熱泵停機(jī)；當(dāng)C＜T1-T2時(shí)，熱泵啟動(dòng)，如此循環(huán)來實(shí)現(xiàn)供熱溫度的穩(wěn)定輸出。

圖2 直接膨脹式熱泵供熱裝置

鐵路路基凍脹主要發(fā)生在基床范圍內(nèi)，基床表層凍脹量占總凍脹量的平均比例超過60%，最大達(dá)到90%以上［1-3］。因此，路基供熱的主要對(duì)象為基床表層。熱泵蒸發(fā)器（吸熱段）和冷凝器（供熱段）之間設(shè)置絕熱連接段，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施條件，供熱段和吸熱段可以同軸豎直布置（圖3（a）），便于單孔快速布設(shè)；也可以異軸布置（圖3（b）），換熱器之間采用金屬波紋軟管柔性焊接，便于靈活地改變吸熱段與供熱段的空間相對(duì)位置和傾角，適應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)多樣化需求。

圖3 供熱裝置布置方式

2 供熱裝置部件選型及制作

地源熱泵應(yīng)用于路基工程時(shí)主要在嚴(yán)寒天氣下運(yùn)行，應(yīng)以耐久性和長期穩(wěn)定性為部件選型原則。壓縮機(jī)是熱泵的驅(qū)動(dòng)核心，對(duì)于選定功率的壓縮機(jī)，首先匹配相應(yīng)直徑和長度的蒸發(fā)器及冷凝器銅管，然后根據(jù)凍脹土層深度和穩(wěn)定土層地?zé)崮芊植紬l件，通過調(diào)節(jié)盤管螺旋間距改變蒸發(fā)器和冷凝器的整體外觀尺寸，以保證地?zé)崮苁占屎凸嵝Ч?。?dāng)路基存在易發(fā)性局部?jī)雒洉r(shí)，宜縮小螺旋間距，增大熱流密度，滿足短時(shí)快速解凍需求。當(dāng)路基凍脹分布范圍較大時(shí)，宜增大螺旋間距，提高換熱器整體尺寸，擴(kuò)大供熱范圍，適用于長期運(yùn)行。

樣機(jī)制作時(shí)，選擇1 臺(tái)小型全封閉式活塞壓縮機(jī)，耗電率為166 W。節(jié)流器選擇結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能可靠的毛細(xì)管，部件選型方案見表1。為方便試驗(yàn)臺(tái)建設(shè)，蒸發(fā)器和冷凝器的整體高度分別為2.0 和1.0 m，絕熱連接段高度為0.2 m，如圖4所示。實(shí)際應(yīng)用時(shí)，可以通過改變螺旋盤管間距調(diào)整蒸發(fā)器和冷凝器的整體高度，絕熱連接段也可以自由伸縮。熱泵裝置地表外露部分占地面積0.15 m2，結(jié)構(gòu)緊湊，整機(jī)質(zhì)量為18.5 kg。

表1 供熱裝置部件選型及數(shù)量

圖4 供熱裝置制作

3 供熱性能試驗(yàn)及分析

3.1 試驗(yàn)方案

石太客專2009年開通運(yùn)營后每年冬季均有路基凍害發(fā)生，2013年曾因凍害嚴(yán)重而限速運(yùn)行。在石太客專石板山隧道西口附近填筑1個(gè)四棱形試驗(yàn)平臺(tái)，該地歷史最低氣溫為-19.8 ℃，最大凍深為85.0 cm。試驗(yàn)平臺(tái)斷面尺寸及溫度傳感器布置如圖5 所示，監(jiān)測(cè)斷面為矩形，高和寬分別為3.2 和1.6 m，平臺(tái)中心埋設(shè)供熱裝置，沿徑向布置4排PT100溫度傳感器。吸熱段和供熱段周圍土體之間布設(shè)一層隔熱材料，以減小上、下土層之間的熱干擾。填料為粉質(zhì)黏土，熱擴(kuò)散系數(shù)為0.73×10-6m2·s-1，比熱容為1.25 kJ·kg-1·K-1，容重16.5 kN·m-3。

圖5 試驗(yàn)平臺(tái)斷面尺寸及溫度傳感器布置（單位：mm）

地源熱泵應(yīng)用于路基工程的主要目的是提供一種凍害應(yīng)急搶險(xiǎn)措施。熱泵的吸熱段與供熱段均埋設(shè)于土體中，因此運(yùn)行性能主要取決于換熱器與周圍土體之間的傳熱特性。試驗(yàn)方案分為連續(xù)運(yùn)行和間歇運(yùn)行，間歇運(yùn)行模式的啟停時(shí)間比（啟停比）分為2 h∶1 h 和2 h∶2 h。連續(xù)運(yùn)行試驗(yàn)時(shí)間為20171220—20171225，啟停比2 h∶1 h 的試驗(yàn)時(shí)間為20191213—20191218，啟停比2 h∶2 h的試驗(yàn)時(shí)間為20200125—20200130，每個(gè)工況的試驗(yàn)時(shí)間均為5 d。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果

3.2.1 供熱溫度和吸熱溫度

供熱溫度和吸熱溫度分別指裝置供熱段和吸熱段的管壁溫度。圖6—圖8 分別為不同運(yùn)行模式時(shí)的供熱溫度和吸熱溫度隨時(shí)間變化曲線。由圖可得到如下結(jié)論。

圖6 連續(xù)運(yùn)行時(shí)的供熱溫度和吸熱溫度

圖7 啟停比2 h∶1 h時(shí)的供熱溫度和吸熱溫度

圖8 啟停比2 h∶2 h時(shí)的供熱溫度和吸熱溫度

（1）熱泵啟動(dòng)之后1.5 h 時(shí)達(dá)到穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)，最高供熱溫度可達(dá)90 ℃，最低吸熱溫度可達(dá)-15 ℃，管壁溫度與土層溫度之間差異大，可以有效完成地?zé)崮艿氖占?/p>

（2）由于螺旋盤管的漸進(jìn)換熱過程及與壓縮機(jī)距離的漸變關(guān)系，供熱溫度和吸熱溫度均沿制冷劑流動(dòng)方向呈逐漸降低的規(guī)律。

（3）連續(xù)運(yùn)行模式時(shí)，換熱溫度相對(duì)穩(wěn)定，供熱溫度為40～90 ℃，吸熱溫度為-8～0 ℃（見圖6）。

（4）間歇運(yùn)行模式時(shí)，換熱溫度呈增減規(guī)律性交替變化，啟停比為2 h∶1 h 和2 h∶2 h 時(shí)每天分別有8 個(gè)和6 個(gè)啟停周期。由于間歇運(yùn)行的散熱緩沖作用，吸熱溫度可降低至-15 ℃以下，有利于地?zé)崮艿氖占剩ㄒ妶D7和圖8）。

圖9 為熱泵啟動(dòng)階段蒸發(fā)器和冷凝器的溫度垂向分布。由圖9可知：冷凝器內(nèi)制冷劑流動(dòng)方向?yàn)閺纳现料拢垂釡囟扔缮现料轮饾u減小，這一模式有利于優(yōu)先向地表凍脹層供給熱量；由于冷凝器頂部受地表環(huán)境影響散熱較快，供熱溫度呈中間大、兩端小的分布規(guī)律；蒸發(fā)器下端與節(jié)流器連接，因此初始啟動(dòng)階段蒸發(fā)器下部首先開始制冷，而蒸發(fā)器上端與壓縮機(jī)入口連接，由于壓縮機(jī)抽吸效應(yīng)，進(jìn)入穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)后蒸發(fā)器制冷溫度由下至上逐漸降低。在實(shí)際應(yīng)用中，可以通過改變盤管方向調(diào)整換熱模式，以滿足不同的供熱需求和地?zé)崮芊植紬l件。

圖9 熱泵啟動(dòng)階段蒸發(fā)器和冷凝器的溫度垂向分布

圖10 為供熱裝置日均供熱溫度和吸熱溫度。由圖10 可知：熱泵連續(xù)運(yùn)行時(shí)，日均供熱溫度由70 ℃逐漸增大至90 ℃，供熱能力強(qiáng)，但會(huì)導(dǎo)致熱量在供熱段周圍堆積，供熱溫度過高時(shí)，制冷劑冷凝液化不良會(huì)影響節(jié)流蒸發(fā)效果，因此僅第1天日均吸熱溫度為-2.15 ℃，之后即增加至0 ℃以上，不利于地?zé)崮艿氖占粺岜瞄g歇運(yùn)行時(shí)，熱量在熱泵停止間隙繼續(xù)向遠(yuǎn)處傳遞，有利于降低制冷劑溫度；啟停比為2 h∶1 h 時(shí)，供熱溫度范圍為53～60 ℃，吸熱溫度范圍為-6.74～-5.85 ℃，溫度隨運(yùn)行時(shí)間仍有小幅波動(dòng)；啟停比為2 h∶2 h時(shí)，供熱溫度基本穩(wěn)定在45 ℃，吸熱溫度穩(wěn)定在-3.80 ℃，供熱效果和吸熱效果均劣于啟動(dòng)比2 h∶1 h工況。

圖10 供熱裝置日均供熱溫度和吸熱溫度

綜上，熱泵在連續(xù)運(yùn)行時(shí)供熱溫度最高，但吸熱溫度也隨之增高，會(huì)降低地?zé)崮苁占?；而熱泵啟停比過低時(shí)，熱泵運(yùn)行時(shí)間少，換熱量不足。實(shí)際應(yīng)用時(shí)應(yīng)根據(jù)路基凍脹程度，選擇合理的啟停時(shí)間比，以保證熱泵的換熱效果和能耗比。

3.2.2 土體溫度

圖11 為供熱段周圍土體溫度隨時(shí)間變化曲線。由圖11 可知：不同運(yùn)行模式時(shí)供熱范圍隨時(shí)間的擴(kuò)大速率基本一致，但相同位置的溫度升高速率與幅度不同；連續(xù)運(yùn)行模式時(shí)，距離熱泵25 cm 處土層的初始溫度升高率達(dá)0.74 ℃·h-1，之后逐漸減小，1～5 d 的逐日平均升溫幅度分別為9.86，4.24，1.66，1.64 和0.08 ℃；啟停比2 h∶1 h 時(shí)，1～5 d 的逐日平均升溫幅度分別為3.98，2.74，2.62，2.70 和2.08 ℃，土層升溫幅度隨時(shí)間發(fā)展相對(duì)均衡；啟停比2 h∶2 h 時(shí)，1～5 d 的逐日平均升溫幅度分別為2.64，1.07，0.56，1.28 和0.53 ℃，均小于啟停比2 h∶1 h 時(shí)的土層升溫幅度。連續(xù)運(yùn)行時(shí)和啟停比2 h∶1 h時(shí)的最終升溫值分別為17.48 和14.12 ℃，前者能耗為后者的1.5倍，而升溫值僅為1.24 倍，可見熱泵運(yùn)行時(shí)間比例過高會(huì)降低裝置供熱量的有效利用率。

圖11 供熱段周圍土體溫度隨時(shí)間變化曲線

圖12 為吸熱段周圍土體溫度隨時(shí)間變化曲線。由圖12可知：連續(xù)運(yùn)行時(shí)，距離熱泵25 cm土體僅1 d 降低1.67 ℃，之后轉(zhuǎn)為逐日升溫；啟停比2 h∶1 h 時(shí)，該位置土體1～5 d 的逐日平均降溫幅度分別為0.66，0.47，0.38，0.32 和0.25 ℃；啟停比2 h∶2 h 時(shí)，該位置土體1～5 d 的逐日平均降溫幅度分別為0.58，0.41，0.30，0.26 和0.27 ℃，降溫幅度小于前者。因此，土層降溫幅度與熱泵吸熱溫度直接相關(guān)，吸熱溫度越低，土層溫度降幅越大，地?zé)崮苁占吭礁摺?/p>

圖12 吸熱段周圍土體溫度隨時(shí)間變化曲線

此外，在試驗(yàn)中土體豎向降溫幅度呈上下小、中間大的規(guī)律，以啟停比2 h∶1 h 為例，試驗(yàn)1 d傳感器TB2-1—TB2-6 的降溫幅度分別為0.78，1.02，1.67，1.73，1.14 和0.43 ℃，與吸熱溫度從上至下升高的規(guī)律不符。原因在于，土層頂部受到鄰近供熱段土體的熱干擾，因此在實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)保證絕熱段高度，以防止熱泵吸熱段和供熱段周圍土體之間的相互影響。

3.2.3 土體熱儲(chǔ)量變化值

根據(jù)土層溫度監(jiān)測(cè)結(jié)果，計(jì)算不同試驗(yàn)方案下熱泵供熱段和吸熱段周圍土體熱儲(chǔ)量的變化值。熱儲(chǔ)量變化值Q計(jì)算公式為

式中：V為換熱范圍土體體積，m3；m為土體質(zhì)量，kg；c為土體比熱容，kJ·kg-1·℃-1；ΔT為換熱前后溫差，℃。

不同運(yùn)行模式下的土體熱儲(chǔ)量變化值計(jì)算結(jié)果如圖13 所示。由圖13 可知：供熱段周圍土體的熱儲(chǔ)量增大值與吸熱段周圍土體的熱儲(chǔ)量減小值均逐日降低，原因在于隨著時(shí)間發(fā)展土體溫差逐漸減小，日均傳熱效率與傳熱量隨之降低；連續(xù)運(yùn)行時(shí)，2～5 d 吸熱段周圍土體熱儲(chǔ)量為正，說明吸熱溫度已高于周圍土體溫度，無法收集地?zé)崮?；間歇運(yùn)行時(shí)，吸熱段周圍土層熱儲(chǔ)量均為負(fù)，說明熱泵可以有效地吸收地?zé)崮埽⑾蛏蟼鬟f至凍脹土層；啟停比2 h∶1 h 時(shí)的熱儲(chǔ)量變化幅值高于啟停比2 h∶2 h時(shí)，與土體溫度變化規(guī)律一致。

圖13 不同運(yùn)行模式下土體的熱儲(chǔ)量變化值

4 供熱裝置的能效性特征與應(yīng)用建議

4.1 制熱系數(shù)

制熱系數(shù)（COP）指單位功耗所獲得的供熱量，是評(píng)價(jià)供熱裝置能效性的重要指標(biāo)。基于試驗(yàn)監(jiān)測(cè)得到的蒸發(fā)器平均吸熱溫度、冷凝器入口和出口附近平均供熱溫度，通過查表確定制冷劑的比焓值，可計(jì)算不同試驗(yàn)條件下熱泵的理論COP［21］。有效COP 指供熱段周圍土體熱儲(chǔ)量增大值與裝置耗電量之比。

不同運(yùn)行模式時(shí)的制熱系數(shù)隨時(shí)間發(fā)展曲線如圖14所示。由圖14可知：理論COP 隨著啟停比的減小而增大，間歇運(yùn)行模式的理論COP 大于3.0。相對(duì)而言，電熱源的制熱系數(shù)為1.0，太陽光熱和燃料熱源的制熱系數(shù)均小于1.0，因此地源熱泵供熱裝置具有高能效、低能耗的優(yōu)勢(shì)。由于凍脹土層熱量向周圍環(huán)境的散失，有效COP 大部分小于1.0，且低于理論COP 值。因此，實(shí)際應(yīng)用時(shí)還應(yīng)結(jié)合保溫方案提高供熱量有效利用率。

圖14 不同運(yùn)行模式時(shí)的制熱系數(shù)隨時(shí)間發(fā)展曲線

4.2 熱作用半徑

熱作用半徑指在其范圍內(nèi)裝置供熱量被土體吸收，而熱作用半徑外的土體維持初始溫度不變。地源熱泵的熱作用半徑是決定其在路基沿線布設(shè)間距的關(guān)鍵依據(jù)。為保證熱泵影響范圍在預(yù)定時(shí)間內(nèi)完整地覆蓋凍脹段落，以免相鄰熱泵供熱解凍范圍不交圈導(dǎo)致路基差異變形，熱泵間距一般取預(yù)定時(shí)間所對(duì)應(yīng)熱作用半徑的2倍。

圖15 為連續(xù)運(yùn)行時(shí)供熱段土體徑向溫度隨時(shí)間變化曲線。由圖15 可知：在熱泵啟動(dòng)1.7，8.6和18.2 h之后，距離熱泵25，50和75 cm處的土體分別開始升溫，說明隨時(shí)間發(fā)展熱泵熱作用半徑在不斷增大；試驗(yàn)結(jié)束時(shí)，上述3個(gè)位置的升溫幅度分別為19.98，5.67和0.63 ℃，可見隨著徑向距離的增大，土體溫度變化幅度逐漸減小。

圖15 連續(xù)運(yùn)行時(shí)供熱段土體徑向溫度隨時(shí)間變化曲線

根據(jù)參考文獻(xiàn)［22-24］，熱作用半徑計(jì)算公式為

式中：a為土體熱擴(kuò)散系數(shù)，取0.73×10-6m2·s-1；τ為熱泵運(yùn)行時(shí)間，s。

圖16 為熱泵熱作用半徑隨時(shí)間變化的實(shí)測(cè)值和計(jì)算值。由圖16 可知：實(shí)測(cè)值與計(jì)算值基本吻合，說明公式（2）可預(yù)測(cè)熱泵熱作用半徑隨時(shí)間變化規(guī)律；根據(jù)計(jì)算結(jié)果可知，熱泵啟動(dòng)之后初始階段的熱作用半徑增大速率快，1 d和2 d熱作用半徑分別為0.87 和1.26 m，之后熱擴(kuò)散速率逐漸減小，5 d 和10 d 的熱作用半徑分別為2.03 和2.90 m，30 d時(shí)可達(dá)5.07 m。

圖16 熱作用半徑的實(shí)測(cè)值與計(jì)算值

4.3 供熱溫度與吸熱溫度的相關(guān)性

熱泵供熱溫度是決定防凍脹效果的關(guān)鍵，而吸熱溫度是影響地?zé)崮芾寐屎蜔岜媚苄缘年P(guān)鍵。圖17 為熱泵日均供熱溫度與吸熱溫度的相關(guān)性關(guān)系。由圖17 可知：吸熱溫度隨所需供熱溫度的增大先減小、后增大。

圖17 吸熱溫度與供熱溫度的相關(guān)性

當(dāng)熱泵啟停比較低時(shí)，機(jī)組運(yùn)行時(shí)間短，供熱量不足；而啟停比過高甚至連續(xù)運(yùn)行時(shí)，會(huì)導(dǎo)致吸熱溫度過高、地?zé)崮苁占芰ψ儾?。?yīng)合理控制熱泵運(yùn)行啟停比，啟停比為2 h∶1 h時(shí)，供熱溫度范圍控制在50～70 ℃，對(duì)應(yīng)的吸熱溫度低于-5 ℃，有利于達(dá)到供熱有效和節(jié)能的雙重目標(biāo)。

4.4 應(yīng)用建議

影響供熱裝置防凍脹效果的主要影響因素為熱作用半徑和土體升溫幅度，取決于土體熱學(xué)性質(zhì)、供熱時(shí)間、供熱溫度和供熱量。因此，當(dāng)用于單線鐵路路基凍脹快速搶險(xiǎn)時(shí)，熱泵功率應(yīng)按照最大瞬時(shí)熱負(fù)荷設(shè)計(jì)，供熱容量宜取1.0～2.0 kW，布設(shè)間距建議取1.5～3.0 m，首先采用啟停比2 h∶1 h運(yùn)行模式，然后視凍脹緩解程度，降低供熱溫度與運(yùn)行時(shí)間。當(dāng)用于凍脹預(yù)防時(shí)，熱泵功率應(yīng)按照平均熱負(fù)荷設(shè)計(jì)，供熱容量宜取0.5～1.0 kW，布設(shè)間距建議取3.0～5.0 m，根據(jù)氣溫變化實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)啟停比。

為保證冷凝器不被列車荷載破壞，可在冷凝器盤管外套高強(qiáng)度鋼管，并盡量將其布設(shè)在基床表層應(yīng)力工作區(qū)下部或基床底層。實(shí)際應(yīng)用時(shí)，建議在路基表面施作保溫措施，并應(yīng)根據(jù)不同的路基型式、填料類型、凍脹程度等因素，對(duì)熱泵供熱容量、熱作用半徑及布設(shè)間距進(jìn)行動(dòng)態(tài)修正。

投資規(guī)模是路基供熱實(shí)用化的前提。根據(jù)市場(chǎng)調(diào)查與樣機(jī)試制過程，單套熱泵裝置造價(jià)約為1 500 元，按照?qǐng)D3（a）方案與5 m 縱向間距布置，1 km初始造價(jià)約為60.0萬元。有電網(wǎng)供電條件下，每年每公里運(yùn)行費(fèi)用僅需數(shù)萬元，如果偏遠(yuǎn)地區(qū)無電網(wǎng)供電條件，配套離網(wǎng)式光伏系統(tǒng)的成本約為80.0 萬元·km-1。相比既有填料換填、人工維護(hù)等方法的支出成本，地源熱泵的長期經(jīng)濟(jì)性更優(yōu)。

5 結(jié) 論

（1）地源熱泵在冬季可以主動(dòng)向路基輸入熱量，彌補(bǔ)路基的過度熱量損失，實(shí)現(xiàn)對(duì)路基凍脹的實(shí)時(shí)防控，具有時(shí)效性好和供熱效率高的優(yōu)勢(shì)。路基專用直接膨脹式地源熱泵裝置的吸熱段采用柱狀螺旋盤管，豎直埋設(shè)在路基附近地基以高效收集地?zé)崮?；供熱段則可采用豎直、水平或傾斜等不同形式埋置于路基基床，裝置集成化和小型化技術(shù)成熟。

（2）熱泵在冬季的供熱溫度最高達(dá)90 ℃，吸熱溫度可達(dá)-15 ℃。平均供熱溫度隨啟停比的增大而升高，吸熱溫度隨之呈先降低、后升高的規(guī)律，間歇運(yùn)行模式下啟停比2 h∶1 h時(shí)的換熱效果最優(yōu)。間歇運(yùn)行模式下土體的逐日溫度變化幅度相比連續(xù)運(yùn)行模式更為均衡。熱泵理論COP值達(dá)3.0以上，間歇運(yùn)行模式的COP 高于連續(xù)運(yùn)行模式。熱作用半徑主要受供熱時(shí)間與土體熱物性影響，第1 天熱作用半徑為0.87 m，至第5 天可增大至1.90 m。

（3）裝置應(yīng)用于單線鐵路路基凍害搶險(xiǎn)時(shí)，建議供熱容量設(shè)計(jì)為1.0～2.0 kW，布設(shè)間距取1.5～3.0 m，啟停比首先取2 h∶1 h，然后視凍脹緩解程度逐步減小啟停比。