季節性凍土區保溫井房研發及保溫效果評價

白 靜，謝崇寶，陳石磊

(1.中國灌溉排水發展中心，北京100054；2.北京中灌綠源國際咨詢有限公司，北京100054)

0 引 言

根據凍土區凍土持續時間長短可以分為短時凍土區、季節凍土區和多年凍土區。我國的高寒地區如黑龍江(大興安嶺除外)、吉林、遼寧和內蒙古東北部都屬于典型的凍土區，冬季局部氣溫可以達到-30 ℃以下。季節性凍土對水工建筑物危害的預防和相應的低溫保護措施[1-4]，是水利研究領域中一個重要的研究方向。農業灌溉井井房內一般安裝水泵、配電柜、閘閥等，如果采用滴灌等高效節水灌溉方式和智能計量監測系統，井房里還需要安裝變頻器、水表、控制終端和通信模塊等。關于保溫井房的研究成果并不多見，傳統上一般建設磚混式井房或半地下式井房。一般情況下，普通的磚混式井房并不具備良好的保溫效果，極端低溫對井房內的設備產生不利影響。一方面低溫會增加設備的故障率，如：低溫造成空氣的相對濕度增大，產生凝露或者結晶現象；材料的收縮系數不同會引起活動部件卡死；設備的元器件電參數發生變化，設備性能不穩定等。另一方面低溫會造成設備破壞，降低材料的彈性，增加材料的脆性，產生裂紋甚至造成設備結構或部件損壞，縮短設備使用壽命。在環境溫度低于-30 ℃時，設備中的器件性能不穩定，當環境溫度低于-40 ℃時，設備可能無法啟動。半地下式井房中設備安裝、使用和檢修不便，同時井房內濕度大。過高的濕度一方面直接降低空氣的絕緣性能，一方面產生凝露降低電氣設備的絕緣電阻，引發安全事故。同時潮濕空氣將銹蝕設備中導電或者導磁金屬部件和設備金屬外殼，將降低設備的性能甚至造成設備故障或者報廢。

在本文中，研發了一種適用于我國季節性凍土區的一體式小型保溫井房，并將其安裝在黑龍江哈爾濱郊區大田中檢驗其保溫效果，通過溫度傳感器、數據采集裝置和通訊模塊獲取井房內外的溫度，并通過對比分析評價其保溫性能。

1 保溫井房的研發

與華北地區相比，我國東北地區的冬季相對漫長，如哈爾濱冬天持續150 d左右。由于時間很長，不能單純依靠保溫措施來維持井房內的溫度。需要采用保溫和加熱的雙重措施來滿足提高井房內溫度的要求。因此在一體化保溫井房的設計中，在保證井房的嚴密性前提下，采用導熱系數低的材料對井房進行保溫處理，并采用加熱措施對井房內部進行加熱。

1.1 井房主體結構

為了保證井房的穩定性以減輕野外強風對設備造成的損壞，井房主體采用圓柱形結構。在本文中井房內只考慮安裝小型簡易設備，其尺寸為內徑1 m，總高1.85 m。井房頂采用30°的邊坡，滿足排水的需要。考慮到井房加工和材料獲取的難易程度，主體材質采用鋼板。為了滿足井房保溫的要求，井房頂部和側壁設置夾層，厚50 mm，填充隔熱質優價廉的聚氯乙烯保溫材料，見圖1(a)。井房內安裝設備支架，用于固定控制終端、電表等設備。井房側壁設有設備檢修窗口，尺寸為高450 mm、寬550 mm，便于進行設備的安裝、操作和維護等工作檢修窗口上安裝防盜鎖，保護設備不受意外破壞，見圖1(b)。

圖1 井房示意圖Fig.1 A schematic diagram of an integrated well house

1.2 井房加熱裝置

考慮到東北地區現有的電力條件和井房持續加熱的需要，一體化保溫井房采用太陽能板為加熱能源，井房的加熱裝置由加熱能源、加熱材料、蓄電池和控制器構成。經過估算，太陽能板采用30W單晶硅電池板，鑲嵌于井房頂部，見圖2。

圖2 一體化保溫井房俯視圖Fig.2 A plan view of an integrated well house

由于井房不間斷的保溫要求，增設蓄電池和充電控制器，蓄電池采用膠體蓄電池(型號12V12AH 20H)，膠體蓄電池與普通鉛酸電池相比，內部沒有游離液體存在，可靠性高，使用壽命長[5]。蓄電池和充電控制器固定在在井房內部的支架上，為加熱材料提供電能[圖1(b)]。加熱材料采用碳熱纖維加熱材料，黏貼在井房內壁用于加熱井房。

2 保溫井房的安裝

在運輸過程中保溫井房部件分拆包裝，在安裝前對井房各組件進行現場組裝。一體式保溫井房的安裝工作包括：基礎開挖、布設保溫層、基礎土體回填、井房安裝固定和封閉空隙?；A尺寸為1.2 m×1.2 m×1.4 m(長×寬×高)，基礎開挖面布置聚氯乙烯保溫層，并采用黏結劑對保溫層進行黏結，確保保溫層的整體性。基礎土體回填深度為1 m，預留40 cm安裝保溫井房(圖3)，基礎整平后對井房進行安裝，在井房與保溫板的空隙處填充、黏結保溫材料，保證保溫效果。

圖3 一體式保溫井房基礎Fig.3 A foundationn of an integrated well house

3 一體式保溫井房的保溫效果評價

在保溫井房安裝完成后，選用現有的地下式玻璃鋼井房和一體式保溫井房進行對比分析。地下式玻璃鋼井房為長方體結構，長寬高分別為4.1、3.6和3.4 m(圖4)。玻璃鋼井房內外的溫度采用人工手工采集，頻次為1天2次，分別在每天6∶00和14∶00進行。一體式保溫井房內外溫度數據采用溫度傳感器(圖5)和數據采集裝置進行采集，頻次為1小時1次，通過GPRS模塊自動傳輸到指定的電腦上。

圖4 地下式井房Fig.4 A well house below ground level

圖5 一體式保溫井房內的溫度傳感器Fig.5 A temperature sensor inside the integrated well house

2016年10月28日至次年4月15日，一體式保溫井房內外溫差日均隨時間的變化情況見圖6(a)。從圖中趨勢線可以看出，井房內外日均溫差整體上的趨勢為隨著時間呈現拋物線分布特征。井房內升溫值與氣溫呈現反比例關系。5日滑動平均的井房內外溫差的分布特征更加明顯，見圖6(b)。一體式保溫井房最大日均溫差出現在2016年12月27日，為18.21 ℃，2017年4月2號開始出現負溫差，最小溫差出現在2017年4月15日，為-3.43 ℃。2016年11月1日-2017年2月28日期間，平均氣溫為-12.91 ℃，一體式保溫井房內平均溫度為-3.88 ℃，井房內平均升溫幅度為9.03 ℃。期間氣溫低于-15 ℃共計48天，平均氣溫為-18.17 ℃，一體是保溫井房內平均溫度為-6.15℃，井房平均升溫幅度為12.02 ℃。

圖6 一體式保溫井房內外溫差隨時間變化圖Fig.6 A profile of temperature difference between inside and outside of an integrated well house

一體式井房內外日均溫差和氣溫的相關關系如圖7所示。從圖7中可以看出，井房內外日均溫差與日均氣溫之間的相關系數為0.84。由于一體式保溫井房具有保溫隔熱作用，氣溫越低，井房的保溫效果越顯著，井房內外日均溫差越大。除此之外，井房內的氣溫還與當日蓄電池內存儲的電量有關，由于近期的天氣情況影響蓄電池內存儲電量，因此在一定的程度上，近期的天氣情況也影響了井房內外日均溫差。當日均氣溫較高時，日均溫差較小。當氣溫高于井房內的溫度時，井房的保溫層阻止外部熱量向井房內傳遞。根據觀測的數據，當日均氣溫超過7 ℃時，井房內外溫差為負數，即一體化保溫井房內的溫度低于氣溫。

圖7 井房內外日均溫差隨著氣溫的變化Fig.7 The changes of daily-averaged temperature difference between inside and outside of an integrated well house with daily-averaged temperature

為了比較玻璃鋼井房和一體式保溫井房的保溫效果，提取一體式保溫井房每日6點和14點的數據，分別與玻璃鋼井房進行對比分析。每天6點兩種井房溫差對比情況見圖8。從圖8中可以看出，一體式保溫井房的保溫效果與玻璃鋼井房相 當，五日平均的結果更加明顯[圖8(b)]。每日6點一體化保溫井房內的溫度介于-18.22～8.55 ℃之間，2016年10月28日至次年4月15日期間，一體化保溫井房的14點平均升溫幅度為-4.44 ℃。與玻璃鋼井房相比，一體式保溫井房內外溫差略有波動，這種波動情況可能與井房的安裝高度有關。一體化保溫井房6點井房內外日均溫差最大出現在12月27日，井房外氣溫-28.76 ℃，井房內氣溫為-6.62 ℃，升溫幅度為22.14 ℃。玻璃鋼井房6點井房內外的溫差最大出現在2017年1月20日，井房外氣溫-20.9 ℃，井房內氣溫為-8.4 ℃，升溫幅度為12.5 ℃，此時一體化保溫井房的升溫幅度為17.16 ℃，比玻璃鋼井房高4.66 ℃。

圖8 每日6點井房內外溫差隨著時間的變化情況Fig.8 The profile of temperature differences at 6∶00 between inside and outside the integrated well house

每天14點井房溫差對比情況見圖9。從圖9中可以看出，整體上一體式保溫井房的保溫效果較好，這種趨勢在圖9(b)體現得更加明顯。每日14點一體化保溫井房內的溫度介于-7.74～24.52 ℃之間，2016年10月28日至次年4月15日期間，一體化保溫井房的14點平均升溫幅度為4.80 ℃。與玻璃 鋼井房相比，一體式保溫井房內外溫差稍有波動，這種波動情

圖9 每日14點井房內外溫差隨著時間的變化情況Fig.9 The profile of temperature differences at 14∶00 between inside and outside the integrated well house

況可能來自于加熱措施或者井房安裝高度的影響。一體化保溫井房14點內外溫差最大值出現在2016年12月26日，此時井房外氣溫-14.57 ℃，井房內氣溫為-1.99 ℃，升溫幅度為12.58 ℃。在2017年1月10日后，一體化保溫井房內14點升溫幅度最大為8.98 ℃，發生在2017年1月19日，而此時玻璃鋼井房的升溫幅度為3.89 ℃，比一體化保溫井房低5.09 ℃。

4 結 語

在東北地區冬季比較漫長，極端低溫對井房內的設備危害較大。本文研發了一種新型的一體式保溫井房，在井房中采取了一系列加熱措施和保溫措施保證其保溫性能。為了驗證其保溫性能的優劣，研究中進行了連續的大田現場試驗，通過安裝溫度傳感器、數據采集裝置和通訊模塊獲取井房內外的溫度。試驗表明，一體化保溫井房內冬季的平均溫度提高9℃，在一定程度上降低了極端氣溫對井房內設備產生的不利影響，保護設備不受低溫損壞，可以在我國季節性凍土區推廣應用。

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