基于地源熱泵的高速道岔融雪系統設計研究

賀　清

(蘭州交通大學自動化與電氣工程學院,蘭州　730070)

我國北方大部分地區冬季氣溫常在0 ℃以下并伴有降雪，在這樣的氣候條件下，鐵路道岔內會因為積雪或結冰使尖軌與基本軌無法可靠密貼或使尖軌無法正常轉換，給鐵路運輸帶來很大困擾。目前我國鐵路道岔采用的除雪方法主要是人工除雪和電加熱融雪系統，存在著很多缺陷與不足。為了滿足鐵路建設和運營的需要，通過對國內外融雪技術的分析比較，在對當前我國再生能源利用技術、環境保護、節能減排、高鐵建設需求等因素進行綜合分析的基礎上，提出了一種基于地源熱泵技術的高速鐵路道岔融雪系統。系統在冬季從地下巖土層中提取低位熱能，經熱泵機組提升后，最終將熱能傳給道岔，從而達到道岔融雪化冰的需要。夏季埋管內流體將鐵路道岔線路吸收的太陽輻射熱能通過熱泵技術儲存到地下，既能供冬季融雪取用，又能降低線路溫度，改善溫度應力對道岔產生的不良影響。

1　電加熱道岔融雪系統的原理及弊端

國內外對于鐵路積雪的清除主要有人工除雪、機械式除雪和加熱式除雪等方式。人工除雪管理及人工成本高，而且影響行車工作，無法適應中國現代鐵路高速、安全、正點和大密度運行的要求。鐵路線路一般采用機械式除雪，加熱式除雪主要用于鐵路道岔，目前在我國大部分鐵路道岔上安裝使用的是電加熱融雪設備。

電加熱融雪系統是在道岔基本軌軌腰內側、尖軌外側或在滑床板底部安裝加熱元件，通過對現場狀況參數的采集自動控制加熱棒(條)通電加熱，實現除雪化冰。無論電加熱元件安裝在什么位置，都主要通過輻射散熱提高周圍環境溫度，融化道岔積雪，因此電加熱融雪系統存在熱量傳遞效率低，加熱范圍小的缺點[1-3]。我國高速鐵路目前多采用無砟線路，道岔多使用18號以上可動心軌道岔鋪設，道岔尖軌及可動心軌的轉換都采用多機多點牽引方式，鎖閉設備都采用鉤式外鎖閉機構[4-5]。高速鐵路為保證道岔可靠轉換，就需要對道岔尖軌、心軌、外鎖閉機構等多處進行融雪化冰，這就導致采用電加熱融雪系統時電加熱元件安裝數量很多。又受到高速道岔結構、外鎖閉設備機械結構的影響，導致加熱棒(條)安裝作業空間小，難度大，維護困難。目前多采用卡件固定安裝的方式，往往由于高速列車的運行造成固定卡件變形、加熱條脫翹等現象，影響道岔密貼，危及行車安全。又由于整個融雪系統電功耗很大，供電設備放置在軌旁控制柜中，存在軌旁設備數量過多，工作環境差，故障率高，維護困難，安全可靠性低等缺點。

總之，隨著高速鐵路行車速度的不斷提高，對道岔的可靠性、安全性、舒適性也提出了更高的要求。為此就需要一種更節能、有效、環保的融雪系統來解決因大雪冰凍引起的道岔不能轉換和鐵路線路積雪影響行車的問題。

2　地源熱泵技術研究現狀及發展前景

淺層地熱能是指地表以下一定深度范圍內溫度與不被陽光直接照射情況下的溫度之間存在常年溫差而形成的能量，是兩種狀態不同的溫度場之間存在的勢能，屬于地熱資源的一部分。目前開采淺層地熱能較有效的方法是地源熱泵技術。

國外地源熱泵技術的研究與應用已經很成熟，美國、日本、加拿大、瑞典、俄羅斯、土耳其等國家都有利用地源熱泵對機場、高速公路、道橋、隧道出入口等地進行路面融雪的理論研究和工程實例。我國在地源熱泵的應用方面開始比較晚，但在國家政府的大力推廣下發展迅速。近十年來利用地源熱泵技術為建筑物供暖(冷)的工程項目數量已躍居世界前列。隨著該技術的大量應用與深入研究，我國已成熟掌握了地源熱泵的全套技術，并在評價規范、換熱機理、設備匹配和安裝技術、測試技術以及與太陽能聯合應用等方面都取得了一系列的研究成果[6-7]。

地源熱泵技術與現有的電能制冷制熱技術相比較，具有穩定性好、可靠性高、花費少等優勢；若考慮環境效益、能源保障、再生及長期利用等因素，地源熱泵系統是目前最優的、技術含量最高的用能產品。

3　地源熱泵高速道岔融雪系統工作原理

地源熱泵技術按照熱源不同可分為3類：土壤源熱泵、地表水熱泵、地下水熱泵。鑒于鐵路車站地基一般情況是修筑在巖土之上，所以道岔融雪系統的熱源更易于來自深層的溫度較高的巖土體，因此道岔融雪系統屬于土壤源熱泵系統。

我國客運專線及其他高速鐵路采用的高速無砟道岔主要有混凝土長枕埋入式和道岔板式兩種。板式無砟道岔是一種在列車高速運行下能很好地保持軌道結構的穩定性、耐久性和高平順性的無砟道岔結構形式。板式無砟道岔結構由上到下主要由道岔、扣件、道岔板、底座板、找平層等部分組成。在板式無砟道岔的施工過程中，道岔板和找平層為預制結構，底座板為現場澆筑而成[8-10]。

基于地源熱泵技術的高速鐵路道岔融雪系統是在高速道岔底座板內枕下橫向鋼筋和道岔床鋼筋布設過程中沿線路縱向埋置用于融雪的熱水管網并固定，然后進行混凝土澆筑成型，如圖1所示。

圖1　道岔底座板內埋管示意

地源熱泵道岔融雪系統主要由地下埋管換熱器、末端用于融雪的熱水管網、熱泵機組、循環泵以及各種控制閥、相關附屬部件和電氣自動控制子系統等組成。系統原理示意如圖2所示，通過在車站道岔底座內埋置熱管，利用地源熱泵技術，經由埋管換熱器從地下提取熱巖土層中的低位熱能，再經熱泵提升后，將溫度較高的流體輸送到道岔底座的熱管內。高溫熱流體在埋管內流動時，通過對流換熱方式，把熱量傳給道岔底座，從而達到道岔融雪化冰的目的。

圖2　地源熱泵道岔融雪系統原理示意

系統主要的運行模式分為冬季融雪模式和夏季蓄熱模式，如圖3所示。冬季融雪時由3個閉路式循環子系統組成，閥門10、閥門11關閉，閥門8、閥門9、閥門12、閥門13開啟。

(1)地源熱泵地埋管換熱器子系統：循環泵2—閥門8—埋管換熱器1—蒸發器3—閥門9—循環泵2。

(2)熱泵機組子系統：蒸發器3—壓縮機4—冷凝器5—膨脹閥6—蒸發器3。

(3)道岔底座熱水管網融雪化冰子系統：循環泵7—閥門12—道岔底座熱水管網—閥門13—冷凝器5—循環泵7。

夏季運行時，為了節能，熱泵機組系統可不必開啟，直接通過地下換熱器提取大地冷量為道岔降溫冷卻。即閥門9、閥門12、閥門13關閉，閥門8、閥門10、閥門11開啟，系統工作流程為：循環泵2—閥門8—埋管換熱器1—閥門11—道岔底座熱水管網—閥門10—循環泵2。

圖3　系統循環模式示意

在夏季，鋼軌、軌枕和鋼筋混凝土道岔底座面有較強的吸收太陽輻射熱的能力，常使道岔體面溫度過高，由于晝夜溫差而產生溫度應力，嚴重時會導致道岔變形，線路機械強度變差[11]；另一方面，從大地能量平衡的角度考慮，由于常年冬季融雪提取地下熱能，導致地下熱能不平衡，從而影響熱泵系統運行效果。所以系統通過熱水管網循環熱流體將道岔體面吸收的太陽輻射熱能傳至地下土壤儲藏，既地下蓄能，又能冷卻道岔，有效地提高了線路工程的穩定性、耐久性。冬季循環熱流體再將熱量提取至地面提高道岔溫度融雪化冰。

4　高速道岔融雪系統熱物性分析

4.1　道岔融雪耗能分析

影響道岔融雪的因素有很多，歸納總結前人的研究成果[12-14]，對復雜的融雪化冰過程進行傳熱分析，給出道岔底座單位面積上的熱量平衡方程式

Qmelt=Qsnow+Qlatent_water+Qevap/cond+

Qconv+Qrad_LW-Qsolar

(1)

式中，Qmelt為融雪熱耗，kJ；Qsnow為積雪的融雪顯熱，kJ；Qlatent_water為積雪的融雪潛熱，kJ；Qevap/cond為雪水蒸發熱，kJ；Qconv為雪面空氣對流散熱，kJ；Qrad_LW為雪面的輻射散熱，kJ；Qsolar為太陽能輻射熱量，kJ。

(1)積雪的融雪顯熱Qsnow

降雪過程中，積雪由環境溫度Tair升至融雪溫度0 ℃所需要的加熱量。

Qsnow=csnow·Δt·ρsnow·hsnow

(2)

式中，Csnow為雪的比熱容，kJ/(kg·℃)；Δt為積雪由Tair升至0 ℃的溫度差，℃；ρsnow為積雪的密度，kg/cm3；hsnow為積雪的厚度，cm。

(2)積雪的融雪潛熱Qlatent_water

降雪過程中，在融雪溫度0 ℃左右時，積雪融化潛熱。

Qlatent_water=rsnow·ρsnow·hsnow

(3)

式中，rsnow為雪的融化熱，取334.614 kJ/kg；ρsnow為積雪的密度，kg/cm3；hsnow為積雪的厚度，cm。

(3)雪水蒸發熱Qevap/cond

Qevap/cond=ρdryair·hd(ωf-ωair)hevapΔt1

(4)

式中，ρdryair為干空氣密度，kg/m3；hd為對流質交換表面傳質系數，m/s；ωf為飽和空氣濕度，kg/kg；ωair為空氣濕度，kg/kg；hevap為蒸發潛熱，kJ/kg；Δt1為雪融化持續時間，h。

(4)融雪過程中，雪層表面的輻射散熱Qrad_LW

(5)

式中，ε為雪層的表面發射率；σ為波爾茲曼常數，取5.67×10-8W/(m2·K4)；Tsnow_top為雪層的表面溫度，K；Tsky為天空有效溫度，K；Δt2為輻射散熱持續時間，h。

(5)融雪過程中，雪層表面的對流散熱Qconv

融雪過程中，由于雪層表面溫度高于環境溫度，由于溫度差而引起的對流換熱為

Qconv=hair(Tsnow_top-Tair)·Δt3

(6)

式中，hair為雪面對流換熱系數W/(m2·K)，一般取自然對流系數和強制對流系數中的最大值；Tsnow_top為雪層的表面溫度，K；Tair為環境溫度，K；Δt3為對流散熱持續時間，h。

(6)雪面吸收的太陽輻射熱量Qsolar

Qsolar=α·IT·Δt4

(7)

式中，α為雪面太陽輻射吸收率；IT為太陽輻射強度，W/m2；Δt4為吸收太陽輻射能持續時間，h。

通過對道岔融雪耗能分析，研究融雪熱負荷與環境溫度、道岔體溫度、風速等的關系，計算分析可得，環境溫度和道岔體溫度是影響融雪耗能量的關鍵因素。能耗量隨環境溫度變化幅度較大，且隨著溫度的升高能耗量減少。受雪層表面對流換熱和輻射換熱作用的影響，融雪能耗隨道岔體溫度的升高而增加。融雪能耗量隨環境溫度和道岔體溫度變化示意如圖4所示。

圖4　融雪熱負荷與環境溫度、道岔體溫度的關系

根據能耗組成進行分析可知，融雪耗能和蒸發潛熱占總能耗的20%～40%，隨溫度變化有一定的波動；輻射換熱所需要的熱量占總能耗比例基本不變，為10%左右；對流換熱所需要的熱量變化范圍較大，占總能耗的10%～50%。

4.2　熱流體傳熱分析

地源熱泵道岔融雪系統采用閉式土—水型換熱方式，末端融雪部分的熱水管網是整個部位的核心，是體現最終效果的關鍵。能否成功將熱能散發傳遞給道岔是評價系統工作效益的最基本指標。根據熱流體熱學理論，熱水管網與道岔底座板之間的換熱機理很復雜，是一個通過多層介質傳熱的過程。它包括熱水管內的熱流體與管壁的對流換熱過程，管壁的導熱過程，管壁與鋼筋混凝土材料的道岔底座板之間的導熱過程，以及道岔底座板體內的導熱過程。其換熱強度和效率受熱水管埋管導熱系數、長度、間距、管徑尺寸，熱流體進出口溫度、流速，以及道岔底座材料類型、結構、導熱性能等多種因素的影響。

總結前人的研究成果，以單根熱水管為基礎分析傳熱熱阻，對于N個平行熱水管可運用疊加原理加以擴展[15-16]。

(1)流體至管道內壁的對流換熱熱阻R1

(8)

(2)換熱管的管壁熱阻Rpe

(9)

(3)道岔底座板體熱阻即從管壁至無窮遠處的熱阻；由N個平行熱水管組成集群的體熱阻Rroad

(10)

式(8)、式(9)、式(10)中，h1為熱流體與管壁間的對流換熱系數，W/(m2·K)；D1為熱水管的內直徑，m；D2、r2分別為熱水管的外直徑和外半徑，m；I(x)為指數積分；xi為第i個熱水管至計算點的距離，m；λpipe為管壁材料的導熱系數W/(m·℃)；λroad為道岔底座板材料導熱系數W/(m·℃)；α為道岔底座板平均熱擴散率；τ為運行時間，h。

(4)設計的換熱量Qh

(11)

式中，Lroad為熱水管埋管長度，m；t1、t2分別為管內熱水進、出口溫度，℃；Fh為系統供熱運行份額。

如果道岔融雪的熱負荷為Q，則Qh≥Q時滿足設計要求，可以實現融雪化冰。由此可以得到道岔融雪熱水管埋管長度Lroad。

通過對道岔融雪耗能和地埋管換熱分析，建立融雪系統和地埋管系統數學關系模型，進一步探討地源熱泵道岔融雪系統的常規設計方法。

5　地源熱泵高速道岔融雪系統方案設計及優化分析

系統框圖如圖5所示，整個系統的3個循環子系統根據能量平衡建立能量關系式

(12)

式中，cop為熱泵機組的性能系數；Qcharge為地埋管換熱器提取熱能量，kJ；Q為道岔融雪耗能量，kJ。

圖5　地源熱泵道岔融雪系統控制框圖

設計系統方案需要收集的工程原始資料主要包括：(1)車站線路面積、道岔組數及其周圍環境；道岔底座結構、材料熱物性參數；車站線路所在地的巖土層熱物性參數等。(2)車站線路所在地的氣象參數，包括冬季平均溫度、極端最低溫度、最大降雪量及降雪速度、風速、地表溫度、太陽輻射強度等。

根據工程數據資料，通過道岔融雪分析獲得的熱消耗量指標確定系統設計負荷Q。設計融雪負荷的確定，除了以車站道岔組數、型號、當地下雪期間的標準設計工況為主，還要結合隨機影響因素等為計算依據。在確定最大負荷時，選取當地氣候最低溫度，下雪最大速度、最大降雪量以及風速等最不利自然條件。在此基礎上進一步設計道岔底座熱水管網分布系統，包括設計埋管長度、管間距，管徑、管材料、規格等。埋管材料的熱物性參數：導熱系數、密度及比熱容等都是設計計算中需要考慮的重要因素。同時根據設計融雪負荷確定熱泵機組系統的設備組數、型號及機房輔助設備等。

對于道岔融雪的實施過程，如果道岔存在表面積雪，在熱力融雪過程中，所需的加熱量主要用于道岔底座自身的溫度提升、積雪的融化熱、積雪表面的對流輻射漏熱等，此刻的融雪過程勢必存在一定的雪漿層，介于雪水層和干雪層之間。為了達到更快的融雪效果，在降雪前，可以進行先期的預熱處理，維持線路表面溫度在一定值，然后進行實時完全融雪，確保線路表面沒有積雪產生，考慮鐵路線路自身設計，有良好的自排水效果，確保線路表面的積水能夠迅速被排除，可以大大減小表面積水的自蒸發熱。

控制系統通過在現場設置氣象站和傳感器，對車站環境參數、道岔參數和地下換熱器參數等數據信息進行采集，運算控制熱泵機組啟閉時間和運行數量，達到先期的預熱、實時融雪化冰的目的，以適應不同溫度、降雪強度下的融雪負荷的需求。為提高系統的可靠性、可調節性，熱泵機組采用多機熱泵組合N+M冗余方式。

熱泵系統的工作性能取決于熱泵機組的進水溫度。進水溫度和很多因素有關，包括埋管換熱器的類型和間距、熱泵cop性能指標、土壤地質條件等。因此，在熱泵性能的選定時要綜合考慮熱負荷和埋管換熱器可提供的換熱能力。根據Qcharge分析計算確定埋管換熱器的數量、長度、型式、結構等，再根據現場地質條件確定鉆孔深度，間距及回填方式等。埋管型式主要指埋管方式和埋管間距，系統采用垂直埋管方式，在地面鉆孔，孔內布置有單U、雙U或套管式換熱器，采用并聯式聯接方式，恒溫效果好，后期維護費用小。

6　系統優點評價

對比于目前我國鐵路普遍采用的電加熱道岔融雪系統，基于成熟的地源熱泵融雪技術應用于高速鐵路道岔，該系統的優點主要如下。

(1)節能效果明顯。通常地源熱泵消耗1 kW·h的能量，終端用戶可以得到4 kW·h以上的熱量，已有的研究表明，該系統比電加熱系統省電30%以上。

(2)運營成本低，經濟效益好。系統初期建設投資較大，如果采取融雪系統建設隨同車站線路施工一起進行，可減少相當一部分工程量和工程造價。系統建好之后，只用少部分電能作為運行能量。

(3)可靠性、安全性高，維護工作量小。該系統所有的設備都安裝在室內和地下，大大減少了室外軌旁設備的數量，設備運行工作環境好，穩定性高，故障率低，維護方便。

(4)改善溫差對道岔的影響，對提高高鐵線路的穩定性起到積極作用。系統不僅冬季有效地對道岔融雪化冰，在夏季還可以降低道岔線路的溫度，改善道岔縱向溫度力對道岔受力與變形產生的不良影響，對提高線路工程的穩定性、耐久性，延長設備使用壽命都起到積極作用。

(5)環境效益好，能源保障及長期利用率高。系統充分利用可循環再生、環保、清潔的地球淺層地熱能，有效地利用地區的季節變化實現跨季節性的蓄能再利用，較好地保證了熱能平衡，大大提高了能源的利用率。再通過地源熱泵實現升溫、控溫運行，可進一步提高能源的利用效率。

7　結語

針對現有鐵路電阻加熱道岔融雪系統運行成本高，耗電量大，安裝、維護不方便，既有線改造電力增容成本投入過大等缺陷。通過地源熱泵技術在道岔融雪中的應用，提出一種基于地源熱泵的高速道岔融雪系統，該系統是將地源熱泵和鐵路道岔融雪相結合的一種更節能、環保、有效的用能方式。本文通過對道岔融雪耗能和熱流體傳熱基本性能的分析研究，提出了系統設計的常規方法，為道岔融雪新技術的研究與應用提供了新思路。

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