路基凍脹的地源熱泵裝置的設計與試驗分析

黃峰

摘要：為有效應對凍土區路基凍脹范圍較寬廣的現實問題，需要對傳統防凍措施加以改進，對路基工程、供熱工程學科予以綜合分析后，作出將地源熱泵技術用于路基工程建設領域中的提議。規劃設計了專用型地源熱泵裝置，該裝置具有獨立的制熱單元。對供熱試驗進行分析，發現該裝置的供熱溫度高于50℃，集熱溫度低于-8℃，有效供熱半徑大于1.41m。設計出的地源熱泵裝置用于路基凍脹領域中，表現出較明顯的優越性，值得推廣。

關鍵詞：凍土;路基工程;凍脹;地源熱泵;裝置設計;試驗分析

Abstract： In order to effectively deal with the wide range of subgrade frost heave in permafrost area， it is necessary to improve the traditional anti-freezing measures. Based on the comprehensive analysis of subgrade engineering and heating engineering， it is proposed to use the ground source heat pump technology in the field of subgrade engineering construction. A special ground source heat pump is designed， which has an independent heating unit. It is found that the heating temperature of the device is higher than 50℃， the collecting temperature is lower than -8℃， and the effective heating radius is greater than 1.41m. The designed ground source heat pump device has obvious advantages in the field of subgrade frost heave and is worth popularizing.

Key words： frozen soil;subgrade engineering;frost heave;ground source heat pump;device design;test analysis

0? 引言

中國國土遼闊，季節性凍土區分布較為廣泛，在該特殊區域中冬季凍脹是路基工程的常見病害。路基凍脹其實就是在溫度、荷載等諸多因素的作用下，土內水分發生相變和遷移過程、為降低降低路基工程凍脹的風險，延長其使用年限并保證車輛行駛過程的安全性，應采用適宜方法使路基溫度在寒冷冬季不低于填料凍結冰點。熱泵的原理是使用少許電能提升自然界低品位能源并將其轉型為高品位熱能的裝置，地源熱泵在運行期間熱能來源是地表淺層地熱能，用于路基工程施工階段體現出較好效能。

1? 傳統防凍脹措施及缺點分析

1.1 換填法? 等同于利用換填手段，用凍脹性路基土將非凍脹土取而代之。粗粒土，砂礫、中粗砂等是常用的非凍脹材料，排水性能較好，可以較快捷的排出滲至路基內的水分，進而減輕凍脹程度。但該種方法多用于非凍脹土較充足的區域，若遠距離運輸物料則會明顯增加成本。

1.2 保溫法? 即設置保溫隔熱層，利用提升熱阻指標的形式去削弱凍結深度，最終減輕凍脹。保溫法在經濟性、隔熱效果及工藝便捷性方面占據優勢。但路基工程內使用保溫材料后，伴隨時間推移，材料經常被蟲蛀，削弱了自身的防滲性能，并且在地下水浸潤下，材料的導熱系數會增加，降低使用效果[1]。

1.3 人工鹽漬化法? 這種防凍手段就是利用人工手段，把適量可溶鹽注入土體中，借此方式去降低土體的凍結溫度，實現預防或減少凍脹情況。該種方法應用期間雖投入的資金不多、技術含量不高、施工流程較簡易，但關于可溶鹽投入量是一個技術性難題。若投用量過多，則將會促進土體凍縮過程，增加路基工程表面裂縫的發生率。

2? 地源熱泵裝置的設計

2.1 結構型使設計? 路基工程專用的膨脹式地源熱泵裝置運行期間的熱源取自路基下穩定地層內儲有的地熱能，通過直接膨脹、壓縮及冷卻凝結制冷劑的形式，搜索、采集熱能，在將其品質提升至一定高度后予以釋放。工作流程可以做出如下表述[2]：①集熱段中儲有的液態制冷劑吸熱后，歷經蒸發過程轉變為低溫低壓蒸氣，以氣化吸熱效應為支撐經穩定地層中采集到品質相對較低的熱能;②壓縮機運行期間會吸收集熱段形成的蒸氣，對其行壓縮處理后產出高溫高壓氣體，以上過程有益于優化熱能的品質;③在供熱段對②獲得氣體進行冷凝、液化處理，將其作為熱量來源朝向管體周邊土體提供熱能;④毛細管對高壓液體進行減壓后，會被再次整合至集熱段，制熱循環。歷經以上運作過程后，促進了深部底層與凍脹地層的熱量的互換過程。

2.2 零部件介紹

①供熱段：為功能性部件，深埋在凍脹地層。作用是對始源于壓縮機的氣態制冷劑進行液化處理，把品質較優良的熱能釋放到凍脹地層。②集熱段：被埋置在路基深部的穩定地層，作用是直接收集地層內低品質的地熱能。③壓縮機：被安置在路基地表，利于電動機械做功，對制冷劑蒸氣進行壓縮，使其轉變為高溫高壓氣體，提高熱量品質。④毛細管：負責調控制冷劑氣液兩相循環期間的壓力、流量指標，促使液態制冷劑順利被整合至集熱段。⑤干燥過濾器：功能以過濾、凈化為主，規避水分及污物進入至壓縮機或在低溫嚴寒氣候中結冰而填塞通道。⑥鋼制支座：增強裝置的綜合穩定性。⑦PPR管：負責調控集熱段、供熱段螺旋盤各自的高程與內徑。⑧控制器：調節裝置的啟用、停運狀態。⑨制冷劑：以可逆行的氣—液相變為支撐，收集與遷徙地熱能。⑩電源：可利用太陽能或者風能發電系統，為壓縮機正常運行提供電力。

2.3 設計與制作裝置

把集熱段、供熱段的高度分別設計為2.0m、1.0m，具體步驟如下[3]：

步驟I：區一根長度為3.0m的PPR管，將其制作成換熱段基管，選取長度不一的Φ6 銅管環繞在PPR管表層，最后制得螺旋型盤管;

步驟II：對拉螺桿，銜接換熱段頂0.1m 與鋼制支座下端，并予以穩固處理;下部固定連接;

步驟III：借用錨栓強化壓縮機在鋼制支座上的穩固性;

步驟IV：利用氣焊技術，把集熱段、壓縮機、供熱段等設施的出入口銜接在一起;

步驟V：依照相關規范要求，安設控制器好后，將其和壓縮機電氣銜接在一起;

步驟VI：利用真空泵抽吸裝置內儲有的真空，裝入適量制冷劑（R600a）;

步驟VII：推行實用化處理方法，加強換熱段、地表構件的維護處理，將其被侵蝕、磨損的概率降至最低水平。

3? 試驗研究及分析

3.1 確定具體試驗方案? 本次研究中將試驗場地選定在冬季月平均氣溫-2.5℃、最低氣溫-19.9℃、既往凍結深度最大值為0.86m的區段。試驗具體方案如下：先于路基上挖掘矩形基坑（坑深為1.0m），將地源熱泵與溫度傳感器安放其中，隨即回填基坑;把熱泵裝置設作為中心點后，于地面上構建一個四棱臺（高程2.0m、底邊長3.0m、頂邊長1.6m）。溫度監測系統的作用是監測換熱段以及周邊土溫變化期間所遵循的規律，監測位點規劃的個數為2個。試驗設計見圖1。

3.2 統計試驗結果并作出解讀? ①裝置的工作屬性分析：在試驗早期，供熱段溫度快速上升，裝置運行增速，供熱溫度范疇是50～100℃。伴隨氣候溫度的改變，裝置供熱溫度有一定波幅，但綜合分析供熱性能較穩定。在試驗早期，集熱段溫度表現出先減后增趨勢，溫度最低時可能會低于-8℃，對促進路基穩定層吸熱過程貢獻率較高。針對集熱段溫度上升的原因進行分析，認為是在裝置供熱運行狀態中，受供熱段周邊土體溫度驅動后自身溫度也有上升。②四棱臺土體溫度的改變：經觀察后發現供熱段周邊土體溫度由連續上升的態勢，氣候條件是表層土體溫度改變程度大小的主要因素。四棱臺土體凍結范疇有逐漸減縮趨勢，提示裝置供熱效果優良。集熱段周遭土體溫度改變呈現出先減、后增、再減的規律。對以上情況形成的原因進行剖析，認為主要是由于試驗早期，供熱段與周遭土體溫差指標存在較大懸殊，造成換熱量偏高，進而誘導了集熱段制冷溫度降低的過程，有益于提升對地熱能的采集效率，促進周遭土體溫度緩緩降低的過程。伴隨供熱段周邊土溫上升，傳熱效率會有不同差點降低，以致制冷劑整體循環溫度上升，且遠處儲存的地熱能也會有一定轉移、補充，在多種因素的作用下誘導集熱段周邊土溫于試驗中期形成大幅度增加的情況。在試驗后期，因為氣候溫度偏低，以致表層土體承載的熱負荷有不同差點增加，因為集熱段溫度降低誘導了周邊土溫再次跌落的過程。

對四棱臺土體溫度在豎直方向上的分布特點予以分析。發現供熱段周遭土溫有逐漸上升的趨向，而集熱段周邊土溫不斷降低，這提示該熱泵裝置促進了地熱能經由下部穩定地層轉移至凍脹地層的過程（圖2）。

③裝置的有效供熱半徑：以試驗數據為支撐，模擬該裝置的供熱半徑，把0℃設作為有效供熱界限的溫度指標。試驗結束后發現，土體監測位點TA2-4、TA3-4、TA4-4每天對應的溫度均值依次是16.83℃、7.03℃、2.82℃。TA4-4這一監測位點日均對應的供熱溫度時75.92℃。分析擬合結果后發現，見圖3，可以使用指數函數去解讀、描述數據點曲線圖，經測算后得出有效供熱半徑是1.41m。因為土體傳熱過程表現出一定滯后性特征，外加四棱臺表層保溫性能偏差，故而擬合后計算的數值會低于實際值。這就提示在熱泵裝置用于路基工程中，可以將布置間距設定在2.82m以上。

4? 結束語

針對在寒冷區域中建設的路基工程，為應對凍脹問題，可以采用把外界熱源輸入到路基深部的方法，動態式補償熱量大量損失過程，力爭使路基填料溫度高于凍結冰點，這是減輕或接觸凍脹問題的有效方法之一。本文還設計了一種路基專用型地源熱泵裝置，供熱試驗表明，該裝置的供熱溫度高于50℃，集熱溫度低于-8℃，有效供熱半徑大于1.41m。設計出的地源熱泵裝置用于路基凍脹領域中，表現出較好的技術優質，值得推廣。

參考文獻：

[1]陳正順，余躍進.混合式地源熱泵夏季運行的試驗研究[J].流體機械，2015，43（06）：55，66-68.

[2]曾光，馬爽，劉若陽.地埋管地源熱泵冷熱聯供方案的設計與技術經濟分析[J].區域供熱，2018，47（05）：65-70.

[3]楊志鵬，張峰，梁軍，等.含熱泵和儲能的冷熱電聯供型微網經濟運行[J].電網技術，2018，42（06）：1735-1743.