太陽能制冷與熱管制冷的多年凍土地基熱穩定維護效果對比

米維軍，趙永虎，楊曉明，屈耀輝，武小鵬

(1.中鐵西北科學研究院有限公司，甘肅 蘭州　730000；2.青海省凍土與環境工程重點實驗室，青海 格爾木　816099)

自20世紀50年代起，我國已在青海、西藏、黑龍江等地的多年凍土區修建了大量的鐵路、公路、輸電線路、輸油管路等，為國民經濟的發展起到了巨大的支撐和推動作用。

我國的多年凍土分布面積占國土面積的21.5%，占世界多年凍土分布面積的10%。隨著我國經濟社會的快速發展，在這近1/4的國土面積上，在建和擬建的川藏鐵路和青藏高速公路等也在加速推進，涉及凍土的實際問題也越來越多。

通過青藏公路、青藏鐵路等重大工程的實踐經驗，我國科技工作者針對多年凍土路基、地基的穩定性問題，逐步確立了“主動降溫、冷卻地基、保護凍土”的先進理念，實現了“三大轉變”，取得了諸多創新成果[1]。這些成果在凍土區基礎工程的設計、施工、監理、環保和科研等方面均取得了巨大的突破。

長期以來，科研人員對相關凍土工程進行了多層次的監測、調查與研究。結果表明，凍土工程修筑完成后的2～3年內，其地基、路基的熱學和力學穩定狀態已基本形成，總體上達到了穩定[2]，但個別高含冰量和高溫凍土區段依然出現大量的熱融下沉及開裂病害。

熱管作為主動制冷的一種裝置，在凍土路基、地基的穩定性維護和熱融下沉及開裂病害整治中被大量使用，盡管取得了一定的效果，但在最需要制冷的暖季，卻停止了制冷工作，制冷效果受季節變化的影響明顯[3]。

科研人員從常年維護凍土熱穩定及增加制冷效果的角度出發，研發了維護凍土熱穩定的太陽能制冷技術。

本文在青藏高原風火山多年凍土試驗場，通過現場試驗，進行太陽能制冷與熱管制冷在維護多年凍土地基熱穩定效果的對比研究。

1　工作原理對比

1.1　太陽能制冷工作原理

太陽能制冷是利用多年凍土區豐富的太陽光照為熱源動力，在制冷系統內形成壓差與溫差，實現凍土環境與大氣環境的熱交換，從而實現維護凍土路基、地基熱穩定的目的。

太陽能制冷裝置主要由太陽能發生器、冷凝器、蒸發制冷器3部分組成，如圖1所示。

圖1　太陽能制冷裝置基本組成示意圖

太陽能制冷裝置的工作原理是，當太陽能發生器溫度降低時，填充其內的吸附介質將制冷劑蒸汽分子源源不斷的吸附，從而降低系統壓強，促使蒸發制冷器中的制冷劑由液態轉變為氣態，發生潛熱變化，帶走地基中的熱量，從而降低地溫；發生器外表面安裝有太陽能吸熱膜，當吸收太陽光照而升高溫度時，發生器內被吸附介質飽和吸附的制冷劑分子解吸出來，解吸的制冷劑氣體分子通過冷凝器冷凝，由汽態轉變為液態，并順管道回流到蒸發制冷器中。因此，太陽能發生器起到類似“制冷壓縮機”和“儲能器”的作用。

冷凝器主要由散熱片組成，其作用為將解吸的制冷劑氣體分子所攜帶的熱量通過散熱片散失到大氣中，同時發生相變，由汽態轉變為液態，并將潛熱熱量通過散熱片散失到大氣中。當冷凝器的溫度小于蒸發制冷器的溫度時，還能起到內循環的作用，加大制冷裝置的工作效率。

蒸發制冷器是制冷裝置內制冷劑的汽、液通道，并通過管壁與地基土發生熱交換。因此，蒸發制冷器的結構形式直接影響土體的換熱效率。

1.2　熱管制冷工作原理

熱管制冷是利用其制冷裝置蒸發段與冷凝段的溫差而使系統內的制冷劑發生液汽兩相對流循環進行熱傳輸制冷的。

熱管制冷裝置——熱棒主要由蒸發器、冷凝器2部分組成，如圖2所示。

熱管制冷裝置——熱棒的工作原理是，受環境溫度的影響，當冷凝器的溫度小于蒸發器的溫度且二者溫差值大于啟動溫差時，充注于蒸發器內的液態制冷工質吸收汽化潛熱，發生相變而蒸發成汽態。在此過程中，因液態制冷工質汽化吸收熱量，使制冷器的溫度降低。

圖2　熱管制冷裝置基本組成示意圖

當汽化制冷工質在壓差作用下，沿管內空腔上升至冷凝段與溫度相對較低的冷凝器接觸時，放出液化潛熱，降低溫度，從而發生相變又冷凝成液態，并在重力作用下，液態工質沿管壁回流至蒸發器再吸收汽化潛熱，降低溫度，如此往復循環。只要冷凝器和蒸發器之間存在負溫差，這種循環便可自動連續進行。

但當冷凝器溫度大于蒸發器的溫度時，液態工質蒸發后形成的汽態工質到達冷凝器后不能被冷卻，蒸發器中液態工質停止汽化相變，熱管制冷裝置便停止工作。

2　制冷效果對比試驗

太陽能制冷與熱管制冷在凍土熱穩定維護中的應用效果對比試驗場地選擇在青藏高原風火山地區，其空間位置約為東經91°20′—94°15′，北緯34°10′—35°20′，海拔高度約在4 700～5 010 m[4]，地層以砂巖、泥巖、砂礫土、角礫土、黏砂土和砂黏土為主[5-7]。圖3為風火山試驗場地地質斷面圖。

試驗場地位于風火山觀測站后山，地勢平緩，植被覆蓋率達90%以上，多年凍土層的天然上限埋深為2 m，多年凍土層的體積含冰量為10%～25%。風火山試驗場地的各地層物理參數見表1[8]。

在凍土地基熱穩定維護應用效果的對比試驗中，共采用了4組太陽能制冷裝置、2組熱管制冷裝置和1組天然地溫監測元器件，如圖3所示。

太陽能制冷裝置編號依次為TNY-2，TNY-3，TNY-4和TNY-5，水平間距均為5 m，埋設深度均為6 m。每組太陽能制冷裝置的側壁安裝有溫度測試元器件，每組測試元器件共計布設13個測點，測點的豎向間距為0.5 m，總長度為6.0 m。

圖3　風火山試驗場地地質斷面圖

埋深/m巖層名稱容重/(kg·m-3)含水率/%導熱系數/[W·(m·℃)-1]熱容量/[kJ·(m3·℃)-1]導溫系數/(m2·h-1) 0～0.3黏砂土900300.381171.06800.3～2.0砂礫石1600131.102208.118002.0～6.5砂礫石1800171.932107.732806.5以下砂黏土1400181.861551.54310

熱管制冷裝置的編號分別為RB-7和RB-8，水平間距為5 m，埋設深度均為6 m，RB-7與TNY-5的水平間距為10 m。天然地溫監測孔編號為TRDW，距離RB-8的水平距離為10 m，測溫孔深度為6.0 m。RB-7側壁、RB-8側壁和TRDW孔內的溫度測試元器件測點的豎向間距為0.5 m，共計布設13個測點。

溫度測試元器件各測點的工作頻率為每月測試6天，每天溫度采集頻率為1次·h-1，共24組。24組的均值作為當天的測試值，以6天測試值的平均值進行效果分析。

3　制冷效果對比分析

太陽能制冷裝置與熱管制冷裝置的實際應用效果體現在對土體溫度的降低程度上，具體表現在對年均地溫、有效影響半徑、制冷量的影響上。

3.1　年均地溫降低效果對比

為準確地對比分析各制冷裝置的制冷效果，研究中將地層劃分為3段：①地表附近環境溫度影響較大段(0～0.3 m)；②多年凍土上限附近環境溫度影響較小段(0.3～2.0 m)；③多年凍土穩定段(2.0～6.0 m)。圖4和圖5分別為2015年6月至2016年5月的12個月時間內，試驗場地天然年均地溫、太陽能制冷裝置側壁年均地溫、熱管制冷裝置側壁年均地溫的柱狀圖及等溫線圖。

圖4　2015年6月—2016年5月年均地溫柱狀圖

0～0.3 m地層的天然年均地溫為-0.8～-1.6 ℃，而太陽能制冷裝置側壁的年均地溫為-1.7～-3.4 ℃，相對降低了0.9～1.8 ℃；熱管制冷裝置側壁的年均地溫為-1.3～-3.1 ℃，相對降低了0.5～1.5 ℃。從制冷裝置側壁的年均地溫降低幅度來看，太陽能制冷裝置較熱管制冷裝置的降溫幅度大0.3～0.4 ℃。

0.3～2.0 m地層的天然年均地溫為-1.4～-1.5 ℃，而太陽能制冷裝置側壁的年均地溫為-3.9～-5.3 ℃，相對降低了2.5～3.8 ℃；熱管制冷裝置側壁的年均地為-3.0～-4.6 ℃，相對降低了1.6～3.1 ℃，太陽能制冷裝置較熱管制冷裝置的降溫幅度大0.7～0.9 ℃。

圖5　2015年6月—2016年5月年均地溫等溫線圖(單位：℃)

在2.0～6.0 m范圍內的天然年均地溫均為-1.5 ℃，而太陽能制冷裝置和熱管制冷裝置側壁的年均地溫與上一地層基本接近，分別為-3.9～-5.6 ℃和-3.7～-4.7 ℃，較天然年均地溫的降低幅度分別為2.4～4.1和2.2～3.2 ℃，太陽能制冷裝置較熱管制冷裝置的降溫幅度大0.2～0.9 ℃。

綜合分析圖4中的年均地溫柱狀圖、圖5中的年均地溫等溫線圖及年均地溫降低規律，可以看出天然年均地溫在0.0～6.0 m深度范圍內的變化較小，基本在-1.2～-1.5 ℃；安裝太陽能制冷裝置和熱管制冷裝置后，各地層的年均地溫均明顯低于天然年均地溫，尤其在0.3～6.0 m深度范圍內，分別低于天然年均地溫2.97～3.90和2.40～2.94 ℃，說明采用制冷裝置后，改變了地溫場的分布規律，抵制了環境溫度對多年凍土層的熱侵蝕；太陽能制冷裝置的制冷降溫效果明顯優于熱管制冷裝置的制冷效果，前者的年均地溫低于后者年均地溫0.57～0.96 ℃。

3.2　制冷影響范圍對比分析

凍土層中制冷的影響范圍是評價制冷裝置性能及制冷效果的重要指標，通常確定制冷影響范圍的方法主要有實測法和計算法2種[8-9]。根據傅里葉第一定律，在均質土層中，熱源的溫度波振幅在一定范圍內隨距離的增大呈指數規律衰減[10-12]，其衰減公式為

(1)

式中：r為距熱源(制冷裝置)的水平距離，即制冷影響半徑，m；Ar為距熱源r處的地溫波振幅，在太陽能制冷裝置影響半徑計算中，取同一地層的天然地溫波振幅，℃；A0為熱源溫度波振幅，計算中取制冷裝置側壁實測地溫波振幅，℃；α為土層的導溫系數，m2·h-1，參見表1；t為溫度波動周期，h，計算中取8 760 h。

因此，當測得Ar,A0，即可由式(1)計算得到制冷裝置的制冷影響半徑。

表2給出了風火山試驗場地2015年6月—2016年5月天然地溫波振幅Ar和太陽能制冷裝置及熱管制冷裝置側壁的溫度波振幅A0。

表2　天然地溫與各制冷裝置側壁溫度波振幅

將表1中土層的導溫系數α、表2中的地溫波振幅Ar和A0及地溫波動周期t=8 760 h代入式(1)，可得到太陽能制冷裝置和熱管制冷裝置在各土層中的制冷影響半徑。圖6為2016年5月太陽能制冷裝置和熱管制冷裝置的制冷影響半徑曲線，表3給出了2016年5月制冷裝置在不同深度范圍內的制冷影響半徑。

圖6　2016年5月各制冷裝置的制冷影響半徑曲線

從表3和圖6可以看出：在地表附近受環境溫度影響較大段(0.0～0.3 m)，太陽能制冷裝置的制冷影響半徑為0.13～0.37 m，熱管制冷裝置的制冷影響半徑為0～0.14 m。在上限附近受環境溫度影響較小段(0.3～2.0 m)，太陽能制冷裝置的制冷影響半徑為0.91～2.89 m，熱管制冷裝置的制冷影響半徑為0.29～2.35 m；在多年凍土穩定區段(2.0～6.0 m)，太陽能制冷裝置的制冷影響半徑為2.94～4.14 m，熱管制冷裝置的制冷影響半徑為2.50～3.27 m。

表3　2016年5月制冷裝置影響半徑

從圖6還可看出：各制冷裝置在3.5～4.0 m深度處的制冷影響半徑最大，其中太陽能制冷裝置的最大制冷影響半徑為4.14 m，熱管制冷裝置的最大制冷影響半徑為3.23 m。

圖7太陽能制冷裝置和熱管制冷裝置分別在3.5和4.0 m深度地層中的制冷影響范圍。

圖7　深3.5和4.0 m地層中制冷裝置的制冷影響范圍(單位：℃)

分析圖6、圖7及表3還可得出：太陽能制冷裝置和熱管制冷裝置均體現出了較好的工作效能。在0.0～0.3 m深土層中，制冷影響半徑受外界環境溫度的影響較大；在1.5 m處，因受環境溫度的影響較小，制冷裝置的制冷影響半徑出現了突增現象，而在1.5～4.0 m多年凍土層中，制冷影響半徑出現遞增現象，其下的4.5～6.0 m范圍內，受制冷裝置結構形式的影響，制冷影響半徑出現遞減現象?？傮w上，太陽能制冷裝置與熱管制冷裝置的制冷影響半徑相比，前者大于后者0.13～0.87 m。

3.3　制冷量對比分析

試驗結果表明，在風火山試驗場地采用太陽能制冷裝置和熱管制冷裝置維護多年凍土地基熱穩定時，前者的實際制冷效果優于后者。以TYN-5號太陽能制冷裝置和RB-8號熱管制冷裝置為例，建立計算模型，進行制冷量對比分析。為便于對比，天然上限抬升量均取0.5 m，即上限埋深均由2.0 m抬升到1.5 m。

2016年5月，TYN-5號太陽能制冷裝置和RB-8號熱管制冷裝置在深1.5～6.0 m范圍內各土層中的制冷影響半徑及地溫分別見表4和表5。

3.3.1減小季節活動層厚度時產生的制冷量對比

減小季節活動層厚度時產生的制冷量分為2部分，第1部分為活動層溫度降低至0℃時產生的制冷量，第2部分為活動層由融化狀態轉變為凍結狀態且降低至一定負溫時產生的制冷量。

表4　TYN-5號太陽能制冷裝置制冷影響半徑及地溫

表5　RB-8號熱管制冷裝置制冷影響半徑及地溫

在季節活動層中由太陽能制冷裝置和熱管制冷裝置降溫而形成凍土核，其體積VS和VR呈圓錐臺型，計算公式分別為

(2)

(3)

式中：rS1和rR1分別為TYN-5號太陽能制冷裝置和RB-8號熱管制冷裝置在1.5 m深度處的制冷影響半徑，分別取2.51和1.90 m；rS2和rR2分別為TYN-5號太陽能制冷裝置和RB-8號熱管制冷裝置在2.0 m深度處的制冷影響半徑，分別取2.89和2.13 m；h為深度差值，取0.5 m。

由式(2)和式(3)計算得到的TYN-5號太陽能制冷裝置和RB-8號熱管制冷裝置在季節活動層中產生的凍土核體積分別為11.5和6.4 m3。

利用TYN-5號太陽能制冷裝置和RB-8號熱管制冷裝置減小季節活動層厚度并形成凍土核時產生的制冷量QSI和QRI的計算公式分別為

QSI=CuVSΔtS1+θρd(ω-ωu)VS+CfVSΔtS2

(4)

QRI=CuVRΔtR1+θρd(ω-ωu)VR+CfVRΔtR2

(5)

式中：Cu為融土熱容量，試驗場地砂礫石土層融化狀態下的熱容量為2 208.1 kJ·(m3·℃)-1 [10-11]；θ為水的結晶潛熱，一般熱工計算中取334.56 kJ·kg-1 [11]；ρd為土的干密度，取1 415.9 kg·m-3；ω為土的天然含水率，取13%；ωu為凍土中未凍水含量，取1.95%；Cf為凍土熱容量，試驗場地砂礫石土層凍結狀態下的熱容量為2 107.7 kJ·(m3·℃)-1 [10-11]；ΔtS1和ΔtR1分別為季節活動層由太陽能制冷裝置和熱管制冷裝置從0.39 ℃的地溫降至0 ℃時的溫度絕對差；ΔtS2和ΔtR2分別為季節活動層由太陽能制冷裝置和熱管制冷裝置從0 ℃的地溫分別降至-1.83和-1.54 ℃時的溫度絕對差。

由式(4)和式(5)計算得到的TYN-5號太陽能制冷裝置和RB-8號熱管制冷裝置在減小季節活動層厚度時產生的制冷量分別為656 218.6和361 288.1 kJ。

3.3.2降低多年凍土層地溫時產生的制冷量對比

在2～6 m深度范圍內，TYN-5號太陽能制冷裝置和RB-8號熱管制冷裝置的制冷影響半徑隨地層的不同而有所變化。TYN-5號太陽能制冷裝置的實際制冷影響半徑在2.89～3.87 m，RB-8號熱管制冷裝置的實際制冷影響半徑在2.13～3.05 m。TYN-5號太陽能制冷裝置對多年凍土地溫的平均降低幅度為1.56～1.86 ℃，RB-8號熱管制冷裝置對多年凍土地溫的平均降低幅度為1.08～1.60 ℃。

降低多年凍土層地溫時產生的制冷量QSII和QRII的計算公式為

(6)

(7)

式中：VSi和VRi分別為制冷裝置在各土層中的影響體積，m3；ΔtSi和ΔtRi分別為制冷裝置在各土層中的絕對降溫，℃；Cf為凍土熱容量，試驗場地砂礫石土層凍結狀態下的熱容量為2 107.7 kJ·(m3·℃)-1 [10-11]。

由式(6)和式(7)計算得到在2.0～6.0 m深度范圍內TYN-5號太陽能制冷裝置和RB-8號熱管制冷裝置降低多年凍土層溫度時產生的制冷量分別為732 771.1和343 025.2 kJ。

3.3.3總制冷量對比

TYN-5號太陽能制冷裝置和RB-8號熱管制冷裝置在凍土層中的總制冷量QS和QR包括減小季節活動層厚度時的制冷量和降低多年凍土層地溫時的制冷量，即

QS=QSI+QSII

(8)

QR=QSI+QSII

(9)

由式(8)和式(9)計算得到的TYN-5號太陽能制冷裝置和RB-8號熱管制冷裝置產生的總制冷量分別為1 388 989.7和704 313.3 kJ，太陽能制冷裝置的實際制冷量為熱管制冷裝置實際制冷量的1.97倍。

4　結　論

(1)在維護多年凍土地基的熱穩定試驗中，太陽能制冷裝置和熱管制冷裝置均能很好地起到主動制冷的目的。但太陽能制冷裝置在具有熱管制冷裝置功能的同時，還具有以太陽光照為熱源動力，可在暖季也工作的功能。

(2)太陽能制冷裝置與熱管制冷裝置相比，前者的年均地溫降低幅度、制冷影響半徑、實際制冷量分別大于后者0.57～0.96 ℃，0.13～0.87 m和684 676.4 kJ(1.97倍)，體現出了太陽能制冷裝置較強的工作性能和制冷維護效果。

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