面向城市道路路基凍脹的地源熱泵試驗研究

李偉

（太原市政建設集團有限公司辰宇公司，山西太原 030024）

0 引言

隨著信息時代的快速發展，我國在奉行綠色交通發展觀的大背景下，人們對于道路上的養護研究進一步得到提升，逐步發明了用于路基養護試驗的技術，其就是可以直接通過地熱能源的技術，在高度凍脹的路基上快速進行功能恢復，可以進一步提升路基的養護功能，節約了對于路基養護施工的材料成本與養護時間，是一種應用較為理想的技術選擇，在目前我國的各條公路工程中的熱泵養護管理方已經得到廣泛的研究應用，大部分公路已經基本進入了熱泵養護的準備狀態，熱泵的工作原理主要是通過使用少許的發電能源來提取處于自然界低溫高品位中的能源，并將其轉型為高品位地源熱能的驅動裝置，事實上，地源熱泵在運作的期間，熱能的來源是通過表層的地熱能來運作的，如果將它用于解決城市路基凍脹的問題，可能會出現較好的效果。

1 研究背景

1.1 傳統方法

1.1.1 AASHTO 法

這樣的設計方法其實是美國首先進行實驗的，在現有試驗性道路的設計基礎上，通過對次數之間基本關系的綜合分析，從而對其進行設計總結，在美國AASHTO 法其實也是試驗路面整體結構的主要使用設計測量方式之一，這樣的設計方式在進行設計時，采用監測技術去對于試驗路面的兩個相關性能指標進行基本監測，將監測技術作為整個路面結構設計的主要使用測量標準，建立基本關系式。

1.1.2 AI 法

AI 法將計算機與查圖法融合在一起，通過分析開裂和路基永久變形的原因，對于瀝青的要求和指標進行監測，通過分析關鍵的指標，在最小面層的厚度進行處理，進一步考慮量的變化。

1.1.3 換填法

利用換填方法，在長期凍脹性水泥路基內的土層中挖出，填入非長期凍脹性泥土。非長期凍脹性泥土一般來說是由粗粒土、砂礫、中粗土和砂等多種材料混合做出來的，具有一定的耐熱、排水、耐蝕性能，其工作原理主要是通過快速排除凍脹路基內的多余水分，進一步大大縮減路基凍脹的嚴重程度。但該種換填方法多數適用于非長期凍脹性水土較充足的道路區域，如果需要遠距離運輸這種物料，可能會大大增加運輸成本與環境負擔。

1.1.4 保溫法

即通過設置保溫隔熱層，用提高溫阻指標的形式去降低凍結深度，以最終降低凍脹。保溫法在經濟性和隔熱的效果上都具有優點，特別是針對保溫的工藝便捷性而言，但是在我國的道路上采用保溫的時候，因為其持續時間比較長，所以保溫的材料往往發生銹蝕，進而造成保溫材料被損壞，或者道路的保溫效果并不明顯，從而導致路基凍脹的事情出現。對保溫法來說，它沒有長久性和耐久度，且極其易于被損壞，是一種工藝上便捷性較高，但耐久力卻不長的路基保護方式。

1.2 國內結構設計調查

隨著我國科學技術的不斷進步，我國凍脹路面已經有了一定程度的研究，但是在鋪設的相關措施上使用的方式全憑鋪設的經驗，在理論上缺乏一定基礎和理論依據，參數敏感和交通等級在建設路面結構方面較為薄弱，在鋪設時候，可以采取地源熱泵試驗的處理方式，其適用于公路城市的干線或者是其他公共場合，可以有效的預防路基的凍脹。而這種預防性養護技術的地源熱泵試驗可以進一步節約材料資源，從而降低建造的成本。

2 地源熱泵裝置的設計

2.1 結構型設計

在地源熱泵的結構設計當中，地源熱泵是一個應用于道路施工中的設備，其主要熱源來源均是在路基下穩定巖層中的地熱能源，可以采用膨脹、擠壓和冷卻等的方法進行搜索并收集熱量后，將自身的質量增加后進一步釋放能量，在集熱段當中，將儲有的液體制冷劑吸熱后，再采用蒸發的形式使之轉化為相對低溫低壓的狀態，用蒸發的形式以吸收短路電流所產生的地熱效應為基礎，從穩定巖層中收集到品質相對較低的熱量。而在高壓氣機在供熱工作的第一時候，也可能會進一步通過吸取其進行上一階段供熱工作所需要形成的熱水蒸氣，對這些水蒸氣進行壓縮液化處理，從而使其形成排放出高溫高壓的壓縮氣體，通過這一工作階段的高壓氣體處理會在風機供熱的第二階段進一步對其進行氣體冷凝和空氣液化的壓縮處理，作為新的熱源與其進行交換提供新的熱能，通過這些處理運作之后，其氣體才能盡可能進一步實現促進氣體底層與用于凍脹淺層的氣體熱量的有效互換。

2.2 零部件介紹

在液化供熱的第一階段，其具有功能性的散熱部件將可能會深埋在那些凍脹的氣體底層當中，并且如果需要對于壓縮機的整個氣態，制冷劑將會先進行一個液化的供熱處理，這樣的供熱效果就是可以將這些熱能直接轉入凍脹的氣體地層中，除此之外，其還可以擁有一段集熱段，可以直接用來收集那些位于凍脹地層內的較低品質的氣體地層內熱能，通過壓縮機的耦合作用可以使其熱能變化為高溫高壓的氣體，提升自身熱能的品質。在各種地熱能源熱泵循環裝置當中，存在一個毛細管循環裝置，其作用可以提供控制冷劑液與氣液之間進行循環所作用產生的氣體壓力及氣液流量兩個指標的相關數據，從而可以使各種液態的受控氣液得以順利循環運行，被快速輸送到地源集熱段當中，有效防止在運作中產生的各種問題，例如過濾一些水分和污染物。鋼制供熱支座也能夠有效提高供熱設備的高度綜合供熱穩定性。PPR 管還可以能夠同時負責自動調節設備集熱段、供熱段螺線和托盤各自的活動高度和供熱內徑。控制器是一種容易調節的設備，它可以控制整個裝置的開關。而自然制冷劑，則主要是通過利用室內可逆行的溫室氣體由液相支撐變為固體支撐，去除和收集室內地熱能，而自然地源節能熱泵系統的自然制冷節能原理則是運用傳統制冷劑的自然制冷節能特性，利用室內土壤的自然吸熱變化能力，制冷劑將有機會直接吸收室內的室外空氣全部熱量從而將室內熱量直接轉移向外到地下混凝土層之中，避免室內熱量直接向外流入室內大氣之中，減少室內溫室污染氣體的大量排放，在夏季時所儲存的室內熱量釋放到冬天時就可以直接通過地熱能源熱泵的裝置直接釋放出來，達到室內熱量的二次有效利用，這樣的方法也就使地熱能源熱泵在利用制冷劑和制熱節能方面具有很好的應用優勢，節能低碳減排，符合綠色發展的需求。電源則是通過太陽能或者是風能進行發電，提供足夠的運行電量給壓縮機，以供壓縮機正常運行。

3 地源熱泵性能結構試驗

在對城市道路路基凍脹的研究中，對于如何使道路結構更加的優化需要開展相應的實驗。在工程實踐中，如果選取了冬季平均氣溫-2.5℃，最低氣溫-19.9℃的區域，就可以研究該裝置對路基凍脹的影響。首先要在地基中開挖矩形的地基，然后將地源熱泵和傳感設備放入地基中，在回填地基后將熱泵裝置設定的中心區域，并建立四棱臺，然后實施溫度監測，溫度檢測的意義是在監測地換熱段及其周圍土溫變化期間所遵守的規則。但在集熱實驗的早期當中，供熱段的空氣溫度還是上升得比較快，裝置正常運行的集熱速度也有所增加，供熱段的溫度變化范圍基本是50~100℃，但是隨著全球氣候變化溫度的不斷波動，裝置的供熱系統溫度也開始有一定的變化波幅，綜合說明供熱系統性能較為穩定。而早期的集熱實驗當中，集熱段的空氣溫度變化表現出先減后升變化趨勢，溫度可能會相對較低。對于能夠促進路基穩定層吸熱過程的設備使用率也比較高。而針對這樣的使用情況，應該認為是在供熱裝置進行供熱的設備運行管理階段當中，供熱段及其周邊的表層圖體的溫度自身是會有所應的上升變化導致的，四棱臺周圍的表層圖體凍結溫度也是會有所應的改變。通過觀察后可以發現其周圍的表層土體凍結溫度仍然呈上升的變化趨勢，氣候的變化條件仍然是影響表層周圍土體凍結溫度變化改變凍結程度范圍大小的主要影響因素。而四棱臺臺的表層土體風化凍結程度范圍也是逐漸有所縮減的變化趨勢，這正好表明裝備設施的供熱效果較好。而其中集熱段周遭則逐漸出現溫度先減后減逐增再增漸減的變化規律。其最根本的重要原因就是集中供熱段的土壤溫度與周圍的土壤溫度參差不齊、差異大，造成了換氣的熱量偏高，進而直接誘導了其中集熱段周圍土壤溫度上升降低的變化過程，有益于不斷提升對周圍地熱的性能的綜合采集利用效率，促進周遭地熱土體土壤溫度緩緩上升降低的變化過程。并且如果伴隨著地熱工作區頂端周圍地熱土層土壤溫度的不斷上升，其傳熱的采集效率也隨之有不同幅度的降低，周圍的地熱循環土壤溫度有所上升，遠處的整體地熱的性能也會有所大的轉移。通過一些重要因素的綜合誘導下，集中供熱段周圍的土壤溫度逐漸降低的情況，并且在后期由于氣候變化溫度偏低的這種情況下，表層的土壤承載負荷出現不同程度的上升趨勢。

4 結語

隨著科學的發展，我國對公路的處理也在進步，盡管城市道路路基凍脹的地源熱泵被人們提出了并且使用，但是其還是有待完善的。而在未來，將會有更好的、更加先進的技術被人們應用到路基的處理上，豐富我國的公路結構，進一步對公路進行發展。目前為止，當前的城市道路路基凍脹的地源熱泵可以進一步對于路面進行發展，提升路基性能，但是由于本文的時間有限，經驗上存在不足，不能對中國的城市道路路基凍脹的地源熱泵進行進一步研究，提出的問題也相應地存在一些缺陷。