寒區路基地源熱泵型供熱裝置運行特性及能效優化

胡田飛，張峻洋，郭 磊，孫天澤

（1.石家莊鐵道大學 省部共建交通工程結構力學行為與系統安全國家重點實驗室，河北 石家莊 050043；2.蘇州軌道交通市域一號線有限公司，江蘇 蘇州 215000；3.長春理工大學 理學院，吉林 長春 130022）

0 引言

在寒冷與嚴寒氣候區，巖土材料中的水分在冬季會凍結相變引起膨脹變形，導致建筑地基、交通隧道、路基、路面、水利渠道、油氣管線等各類土工構筑物產生凍脹現象[1]，[2]。對于交通線路而言，路基凍脹會引起公路路面破損、鐵路軌道變形超限等危害，導致線路限速運營甚至停運，需要投入大量的人力物力進行凍脹整治與搶險，造成巨大的經濟損失。凍害是制約寒區交通基礎設施建設與運營的主要難題之一。

傳統的路基凍脹防治技術主要包括材料改良、保溫隔冷、防水排水等。由于溫度是引起凍脹的根本因素，傳統措施無法實現對溫度的主動控制，導致凍脹病害難以根除。近年來，業界嘗試從主動調控溫度的角度解決凍害問題，土工構筑物人工供熱技術逐漸興起。鐵路、公路為長距離線性工程，凍害分布分散，熱源的分散供應是關鍵。礦物燃料與電能的能效性差，太陽能在冬季的能流密度低。地熱能的連續性好、儲量大，熱泵的能效性與輸出穩定性可靠，因此熱泵是土工構筑物供熱的主流手段[3]。工程界將熱泵換熱段埋設于樁基、隧道、路面、地下連續墻等構筑物中，形成新興的能源樁[4]、能源隧道[5]、能源擋墻[6]等設計理念。針對鐵路、公路路基凍脹問題，胡田飛[7]提出將熱泵冷凝段與蒸發段分別埋設在路基凍脹層與附近地基穩定土層中，形成“熱能轉化式”主動溫控路基，可以有效防治凍脹。在保證路基供熱防凍脹有效性的前提下，熱泵的節能性和耐久性是實現路基供熱長期可靠的必要條件。

運行模式是熱泵換熱特性的關鍵影響因素。董艷芳[8]和楊衛波[9]指出，與連續運行模式相比，間歇供熱方式有利于地層溫度恢復，提高地熱能利用率。Li[10]針對建筑供暖用熱泵系統，進行了每日5：00-11：00，16：00-24：00的 間 歇 運 行 試 驗，結果表明，機組換熱效率與供暖效果優于連續運行模式。Xu[11]以北京某辦公樓為例，指出熱泵間歇供暖相比連續供暖的節熱率可達20%，且熱慣性較大的系統節能潛力更大。Yuan[12]指出在相同運行時間內，增大熱泵間歇比和地埋管間距均可提高換熱效率。上述研究表明，熱泵間歇運行模式能夠強化地下傳熱過程，提高換熱能力與地熱能利用率，改善機組運行效率。王剛[13]和王松慶[14]指出不同間歇模式和啟停時間比例對熱泵運行性能也存在較大影響，但目前針對間歇運行模式時啟停比取值的優化研究較少。此外，面向建筑空氣調節時，熱泵的吸熱對象為巖土地層，供熱對象為空氣對流環境；而應用于路基供熱時，吸熱和供熱對象均為巖土地層。相比空氣對流環境，巖土體導熱系數低，熱慣性大，供熱端換熱效率低，必然對熱泵運行特性產生影響。因此，有必要針對熱泵面向路基工程時的換熱特性與運行模式展開研究。

本文設計并制作一款路基專用地源熱泵型供熱裝置，搭建模型試驗平臺，分別進行連續運行試驗、定 時 間 歇 運 行 試 驗（啟 停 比1∶2，1∶1，2∶1）、定 溫運 行 試 驗（30，45，60，75℃），共 計3類8組 試 驗。基于試驗結果，分析吸熱溫度、供熱溫度、機組啟停次數、制熱系數等指標的變化規律，明確熱泵運行模式和能效性之間的關系。以防凍脹有效性和節能性為雙重目標，提出熱泵運行模式的相關建議，以期為現場應用提供參考。

1 寒區路基地源熱泵型供熱裝置

路基凍脹主要發生在基床，基床表層凍脹量占總凍脹量的平均比例超過60%。因此，路基供熱的主要對象為基床表層，地源熱泵向路基供熱的方式為在路基附近地基鉆設吸熱管，在基床埋設供熱管。熱泵吸熱管搜集地熱能并提升其溫度與熱流密度，通過供熱管將熱量輸送至路基基床，再通過路基內部熱傳導加熱填料，進而防治凍脹，即為主動溫控式路基，如圖1所示。

圖1 主動溫控式路基Fig.1 Active temperature controlled embankment

熱泵換熱管可以采用柱狀螺旋盤管或板狀多U型管，螺旋盤管通過鉆孔布設，實施靈活，而多U型管需要在路基施工時預先埋入。根據測算，單線鐵路路基在凍脹期的最大熱通量約為240W/延米，平均熱負荷約為20W/延米[7]。面向路基凍脹應急搶險時，熱泵換熱段宜采用螺旋盤管。為滿足快速解凍需求，按照布設間距4～6m估算，單臺熱泵最大供熱功率在2kW以下，宜采用直接膨脹式換熱形式，多U型管可以覆蓋更大的范圍，所需供熱量大，宜采用間接換熱形式。

2 裝置運行特性試驗方案

2.1 熱泵裝置

本文設計一款換熱段同軸的直膨式熱泵系統，如圖2所示。

圖2 路基專用地源熱泵型供熱裝置Fig.2 Ground source heat pump type heating device for embankment

蒸發器和冷凝器分別位于穩定地層和凍脹地層，兩者之間設置絕熱段。壓縮機、節流器等其他部件集成固定在地表保護箱內。微電腦控制器提供定溫和定時兩種運行模式。定溫模式采用位式控制法，控制原理為設置目標溫度T1和回差溫度T2，實 測 溫 度C，當C≥T1時，熱 泵 停 機；當C＜T1-T2時，熱泵啟動，如此循環，實現供熱溫度的穩定輸出。熱泵制作時，選用1臺166W的全封閉式活塞壓縮機，理論供熱功率0.8kW。為方便試驗臺建設，蒸發器和冷凝器的整體高度分別為2.0，1.0m，直徑為90.0mm，絕熱段高度為0.2m。

2.2 試驗條件及監測方案

石太客專2009年開通運營后，每年冬季均有路基凍害發生，在石板山隧道附近填筑一個四棱形試驗平臺，該地歷史最大凍結深度為0.85m。四棱臺斷面尺寸為高×寬=3.2m×1.6m，如圖3所示。填料為粉質黏土，熱擴散系數為0.73×10-6m2/s，比 熱 容 為1.25kJ/（kg·℃），容 重 為16.5kN/m3。熱泵埋設于四棱臺中心，監測方案為在熱泵管壁上布置一排PT100溫度傳感器，在周圍土體中按照0.25m徑向間距布置3排溫度傳感器。

圖3 試驗條件及現場情況Fig.3 Test conditions and site scene

2.3 熱泵運行方案

地源熱泵應用于路基工程的主要目的是為凍脹發生后提供應急搶險措施。本文進行3類不同模式的運行試驗：①連續運行模式；②定時運行模式：預 設 固 定 啟 停 時 間 比 例，包 括1∶2，1∶1和2∶1；③定溫運行模式：預設固定供熱溫度，包括30，45，60，75℃，回 差 溫 度 為5℃。共 計8組 試 驗方案。為驗證裝置面向路基的短時解凍功能，每個方案的試驗時間設置為24h。試驗在冬季進行，日均氣溫在-5℃以下，每組試驗結束后待地溫恢復至原始水平，再進行下一組試驗。

3 試驗結果及分析

3.1 換熱溫度

圖4為熱泵在不同運行模式下供熱溫度與吸熱溫度的變化規律。

圖4 不同運行模式下熱泵的換熱溫度Fig.4 Heat exchange temperatures of the heat pump device under different operation modes

由圖4（a）可知，在連續運行模式下，熱泵換熱段保持穩定的邊界溫度，最高供熱溫度為95.9℃，對于路基防凍脹非常有效。最低吸熱溫度為-8.5℃，換熱溫度與地層溫度的差值較大，有利于地熱能的收集與利用。由于螺旋盤管的漸進換熱過程及與壓縮機距離的漸變關系，冷凝器和蒸發器溫度均隨制冷劑流動方向呈逐漸降低的規律。在定時運行模式下，熱泵處于規律性的間歇運行狀態。在1∶1定時間歇運行模式下，最高供熱溫度也可達到95.5℃。由于間歇運行的散熱緩沖作用，吸熱溫度可低至-10.9℃，有利于地熱能的收集效率，如圖4（b）所示。而在定溫運行模式下，換熱溫度變化范圍小，但啟停次數多，時間間隔呈隨機 特 征，如 圖4（c）所 示。

圖5為熱泵平均換熱溫度的變化規律。

圖5 熱泵平均換熱溫度Fig.5 Average heat exchange temperatures of the heat pump device

由圖5可知，在連續運行模式下，熱泵可以保持70～80℃的平均供熱溫度。在定時運行模式下，換熱溫度呈規律性交替增減變化，進入正常運行狀 態 后，1∶2，1∶1，2∶1模 式 的 供 熱 溫 度 分 別 為14.46～66.01℃，16.13～72.45℃，26.01～72.60℃，即供熱溫度隨啟停比的增大而提高。在定溫運行模式 下，預 設 溫 度 為30，45，60，75℃時，熱 泵 的 平 均供 熱 溫 度 分 別 為16.80～30.69℃，28.61～41.78℃，34.40～50.89℃，46.29～63.45℃。可 見 平 均 供 熱 溫度低于預設溫度，同時波動幅值低于定時運行模式。土體的熱容大、熱惰性強，溫度保持在0℃以上即可消除凍脹，對于正溫敏感性低，因此供熱溫度波動幅值對于防凍脹效果影響不大。

在 定 時 運 行 模 式 下，啟 停 比 為1∶2，1∶1，2∶1時，試驗期間分別出現8，6，8個啟停周期。而在定溫 模 式 下，預 設 溫 度 為30，45，60，75℃時，試 驗 期間分別出現30，31，28，21個啟停周期。由于熱泵壓縮機為電感元件，啟動電流可達正常工作電流的5倍以上，啟停次數過多，一方面會耗費更多的電能；另一方面，電感線圈長時間過電流運行，不利于熱泵的長期使用。因此，熱泵面向路基供熱防凍脹時，從供熱防凍脹效果和熱泵能耗及運行壽命角度出發，建議采取定時間歇運行模式。

圖6為不同運行模式下熱泵日均換熱溫度。

圖6 不同運行模式下熱泵日均換熱溫度Fig.6 Average daily heat exchange temperatures of the heat pump device under different operation modes

由圖6可知，在定時運行模式下，隨著啟停比例的增大，供熱溫度逐步增大，供熱能力提升；吸熱溫度逐漸減小，地熱能收集效率提高。在連續運行模式下，吸熱溫度僅為-2.44℃，地熱能收集能力不如間歇運行模式。此外，在定溫模式下，隨著預設溫度的提升，吸熱溫度也隨之增大。這是因為當熱泵運行時間過長時，熱量無法及時向地層遠處傳遞，熱量堆積在供熱段周圍，導致制冷劑冷凝液化不良，進而引起循環溫度增高，影響節流蒸發效果。而啟停比過低時，機組運行時間不足，也不利于供熱和吸熱效果。

根據試驗結果，統計熱泵定時運行模式下平均供熱溫度與吸熱溫度的相關關系，如圖7所示。由圖可以看出，隨著供熱溫度的升高，吸熱溫度呈先降低、后升高的規律。啟停比過低時，機組運行時間短，換熱效率高，但供熱量不足；而當熱泵啟停比過高甚至連續運行時，制冷劑循環整體溫度水平高，導致吸熱溫度過高，地熱能搜集能力變差。熱泵啟停比為2∶1時，供熱溫度為50～70℃，對應的吸熱溫度顯著低于其他模式，換熱效果最優，有利于達到防凍有效性和節能性的雙重目標。

圖7 熱泵供熱溫度與吸熱溫度的相關性Fig.7 Correlation between heating temperatures and heat-absorbing temperatures of the heat pump device

3.2 土體溫度

圖8為熱泵定溫運行模式（30℃）下土體溫度場分布特征。

圖8 試驗平臺溫度場的變化Fig.8 Variation of temperature field of the test platform

由圖8可知，土體在熱泵供熱段周圍形成近似橢圓形的升溫區，供熱效果由中心向外擴散，形成顯著的柱狀熱源，負溫凍脹區域逐漸消除。同時，在集熱段地層形成近似梯形的降溫區域，0℃等溫線逐步向外側移動，吸熱效應明顯。其他運行模式下土體溫度場的變化規律與30℃定溫運行模式的類似，供熱溫度越高，土體增溫幅度越大。因此，該裝置可以主動地將穩定地層熱量傳遞至上部凍脹地層，控制路基的熱量收支和溫度變化。

根據土體溫度的監測結果，計算連續運行和定時運行模式下熱泵的有效供熱量，結果如圖9所示。由圖可以看出，隨著啟停比的增大，供熱溫度逐漸提高，熱泵有效供熱量也隨之增大。啟停比為1∶2，1∶1，2∶1時，有 效 供 熱 量 分 別 為5.90，8.63，12.60MJ，但有效供熱量增大幅度隨啟停比的增大而減小。這是因為隨著熱泵運行時間的增大，土體的溫度逐漸升高，土體熱阻變大，溫差驅動作用下傳熱效率會逐漸減小。因此，在實際應用中，應合理控制熱泵的運行時間，以防熱泵供熱量堆積損耗。

圖9 定時運行模式下熱泵的有效供熱量Fig.9 Effective heat supply capacity of the heat pump device under timer operation mode

地源熱泵的熱作用半徑是決定其在路基沿線布設間距的關鍵依據。熱作用半徑指在其范圍內熱泵供熱量被土體吸收，而熱作用半徑外的土體維持初始溫度不變。為保證熱泵影響范圍在預定時間內完整地覆蓋凍脹段落，熱泵間距一般取預定時間所對應熱作用半徑的2倍。圖10為熱泵供熱段周圍土體的溫度變化規律。由圖10（a）可知，在不同運行模式下，豎直埋深35cm、水平距離熱泵25cm處的土體均在第2小時左右開始升溫。試 驗 結 束 時，熱 泵 啟 停 比1∶2，1∶1，2∶1和 連 續 運 行時，該 位 置 的 溫 度 分 別 升 高2.35，3.06，6.26，11.07℃，啟停比越大，土體升溫幅度越大。由圖10（b）可知，在連續運行模式下，熱泵啟動8.6，18.2h之后，豎直埋深35cm、水平距離熱泵50cm，75cm處土體也分別開始升溫。

圖10 水平方向上熱泵供熱段不同距離處土體溫度變化Fig.10 Variation of soil temperature at different distances from the heating section of heat pump device in the horizontal direction

熱泵換熱特性受到熱源溫度、運行時間、土體溫度及熱物性等因素的影響。根據試驗結果，熱作用半徑主要取決于供熱時間與土體熱物性，熱源溫度或啟停比對其影響不顯著[15]。而土體升溫幅度主要取決于熱源溫度和供熱量[16]。上述試驗規律與既有試驗結果一致[17]。

根據線熱源傳熱理論，熱作用半徑Rc的預測計算式為[16]

式中：Ks和Kb分別為土體和換熱段半徑修正系數；r為 常 數；a為 熱 擴 散 系 數，m2/s；τ為 時 間，s。

根據試驗監測結果，擬合得到熱作用半徑隨時間的擴大規律，如圖11所示。

圖11 熱作用半徑的計算值與實測值Fig.11 Calculated values and measured values of thermal influencing radius

由圖11可以看出，實測值與預測值吻合，初始階段的熱作用半徑擴大速率快，第24小時和48小時熱作用半徑分別為0.87，1.21m，之后熱擴散速率逐漸減小，第120小時熱作用半徑為1.90 m。實際應用時，應根據不同的路基填料類型、凍脹程度、換熱段布設方案等因素，合理設計熱泵供熱容量，并對熱作用半徑及布設間距進行動態修正。

3.3 制熱系數

制熱系數（COP）是熱泵能效性的重要評價指標，指單位功耗所獲得的供熱量。基于平均蒸發溫度、冷凝器入口和出口附近平均溫度，通過查表確定制冷劑（R600a）循環過程中不同特征節點的比焓值，計算熱泵的理論COP，如圖12所示。

圖12 定時運行模式下熱泵COPFig.12 COP of the heat pump device under timer operation modes

在定溫運行模式下，當供熱溫度預設值依次為30，45，60，75℃時，理 論COP分 別 為6.58，4.56，3.68，2.81，即理論COP隨著供熱溫度的增大而減小，原因在于冷凝溫度越高，制冷劑在冷凝器中的冷凝壓力越大，引起壓縮機排氣壓力增大，進而引起壓縮機軸功提高。在定時運行模式下，當啟 停 比 為1∶2，1∶1，2∶1和 連 續 運 行 時，理 論COP分 別 為3.67，3.19，3.08，2.86，即 隨 著 啟 停 比 的 增大，COP也逐漸減小，原因在于熱泵運行時間比例越大，換熱段與緊鄰土體的溫差越小，不利于熱量的收集與轉化。具體而言，供熱段周圍熱量堆積，無法及時向遠處傳遞，引起冷凝散熱效果不良，進而導致蒸發溫度升高，降低地熱能收集效率；而集熱段周圍土體溫度下降，地熱能流密度下降，則會引起蒸發集熱效果不良，遠處的地熱能無法被及時高效地利用。因此，實際應用時應優先采用間歇運行模式，合理控制熱泵運行時間，以防換熱段周圍熱能堆積，影響換熱效率。

熱泵COP在不同試驗條件下均大于2.5，且可以通過調節運行模式進行能效優化。相比而言，燃料熱源需要配套鍋爐與熱力管網，投資規模大，且COP小于1.0；電能為高價能源，電熱的COP為1.0；太陽能的能流密度低，供熱功率小，輸出穩定性差[18]。因此，地源熱泵具有高能效、低能耗、可靠性好、長期經濟效益好的優勢。

在輸出相同的供熱溫度時，定時運行模式的COP大于定溫運行模式。原因在于，定溫運行模式時熱泵啟停周期時間短、次數多，一方面，壓縮機作為電感元件，頻繁啟動導致平均工作電流大，耗能多；另一方面，制冷劑無法進入穩定的蒸發-壓縮-冷凝-節流-蒸發循環過程，影響換熱效率。

供熱段周圍土體熱儲量增大值與熱泵耗電量之比為有效COP。由圖12可以看出，有效COP顯著低于理論COP，基本小于1.0。這是由于在熱泵供熱作用下，地層溫度升高，由于自然溫差傳熱的自發性，熱量會向周圍環境散失，而且土體溫度越高，熱量散失速率越快。因此在實際應用中，建議在路基表面施作保溫措施，與熱泵形成復合熱防護方案。

4 裝置能效優化建議

寒區路基工程在建設階段的防凍措施應以填料改良、防排水和保溫等傳統措施為主，熱泵的優勢是凍脹后的應急搶險，主要面向凍害概率高或運營期才出現的凍害工點。熱泵以一定間隔布置在路基沿線，可以匹配離網式新能源發電系統分散地“孤島”運行，如圖13所示。

圖13 現場布設方案示意Fig.13 Diagram of site layout scheme

熱泵集熱段采用立柱螺旋盤管型式，根據地熱能分布條件確定集熱段高度，并與路基保持足夠距離，以防次生影響。供熱段采用螺旋盤管時，可以采用水平、傾斜或豎直等不同形式布置在凍脹層；采用多U型管時，根據凍深確定埋置深度，并應保證結構強度足夠大，以防被列車荷載破壞。

熱泵布設間距D越小，加熱解凍所需時間越短，且有助于預防局部解凍不及時導致的不均勻變形現象。當面向路基凍脹短期快速搶險時，熱泵間距D宜取1.5～3.0m，熱泵功率按照最大瞬時熱負荷設計，供熱容量宜取1.0～2.0kW。當面向凍脹預防時，布設間距D建議取3.0～5.0m，熱泵功率按照平均熱負荷設計，供熱容量宜取0.5～1.0kW。裝置可以預設自動化運行模式，不需要頻繁維護，維修成本低。因此，地源熱泵供熱方法除具有有效性和搶險功能之外，相比常規措施還具有一定經濟優勢。

熱泵宜優先采用定時運行模式，僅在需要控制供熱溫度水平或溫度過高會導致路基填料性能發生不利變化時采用定溫運行模式。同時，應根據路基凍脹程度，選擇合理的啟停時間比例，以保證系統換熱效果和能耗比。

5 結論

為解決寒冷與嚴寒氣候區鐵路、公路路基面臨的冬季凍脹病害問題，本文提出一種基于地源熱泵技術的路基專用供熱裝置，并針對該裝置進行供熱性能測試。根據試驗結果研究熱泵在不同運行模式下換熱溫度及制熱系數的變化情況。

①寒區路基防凍脹的一個新途徑為采用地源熱泵技術，將地基穩定層的地熱能收集、轉化、輸送至路基凍脹地層，實現對路基溫度的主動控制。根據實施時機和路基供熱需求的不同，換熱管可以采用柱狀螺旋盤管或多U型管，換熱形式采用直接膨脹式或間接換熱式。

②路基用地源熱泵在冬季連續運行時的最高供熱溫度可達95.9℃，最低吸熱溫度為-8.5℃。定溫運行模式的啟停次數多，換熱效果和能效性不如定時運行模式。熱泵啟停比過低時供熱量不足，而啟停比過高時能效性差。啟停比為2∶1時，供熱溫度為50～70℃，吸熱溫度顯著低于其他模式，換熱效果最優。熱泵運行1d的熱作用半徑為0.87m，土體升溫幅度隨啟停比的增大而增大。熱泵有效COP低于理論值，建議在路基表面施作保溫措施，與熱泵形成復合熱防護方案。

③面向單線鐵路路基凍脹搶險時，熱泵間距建 議 取1.5～3.0m，供 熱 功 率 取1.0～2.0kW；面 向凍脹預防時，布設間距建議取3.0～5.0m，供熱功率取0.5～1.0kW。熱泵優先選擇定時間歇運行模式，啟停比建議取2∶1，實際應用時應根據天氣條件與路基凍脹程度動態地調節運行時間比例。