應(yīng)用半導(dǎo)體制冷技術(shù)維護(hù)多年凍土區(qū)地基熱穩(wěn)定性試驗(yàn)研究

苗學(xué)云,米維軍,趙永虎

(中鐵西北科學(xué)研究院有限公司，甘肅 蘭州 730000)

1 概述

隨著全球氣候變暖進(jìn)程加快，我國多年凍土的退化也出現(xiàn)了加速現(xiàn)象，多年凍土地基存在著不同程度的病害[1]。青藏鐵路現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查及研究顯示，多年凍土區(qū)已建路基本體及路基以下活動(dòng)層的固結(jié)沉降大部分在短時(shí)間內(nèi)能夠完成，但凍土路基的融沉病害仍持續(xù)產(chǎn)生[2]。

長期監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)顯示，青藏鐵路多年凍土區(qū)部分地段的普速鐵路路基自2006年以來下沉量多達(dá)250 mm，部分普速路基陽側(cè)的多年凍土上限較多年凍土天然上限下降多達(dá)1.5～2.0 m，甚至在高溫多年凍土區(qū)下降多達(dá)4.76 m[3]。較大融沉路段均位于高含冰量凍土地段，其中多年凍土區(qū)橋梁、涵洞過渡段的路基下沉較為顯著，橋頭路基最大下沉量接近100 cm，非橋頭路基的最大下沉量也達(dá)到數(shù)十厘米之多[4]。多年凍土區(qū)的公路路基普遍存在著不均勻沉陷、坑槽、翻漿、縱(橫)向裂縫、路肩坍塌等病害。這主要是由瀝青路面下融化槽密切相關(guān)的路基凍脹與熱融下沉造成的[5]。

針對(duì)多年凍土路基的熱融與凍脹病害特征，目前普遍采用的防治措施主要有2種：①片石、碎石鋪設(shè)在地基外側(cè)或與天然地面交接層處形成熱屏障，主要是利用其高熱阻阻止外界熱量向多年凍土層傳輸，并利用大空隙空氣對(duì)流作用，使外界冷空氣通過對(duì)流向下傳遞。這種方法在暖季可以阻止外界熱量向多年凍土地基傳輸，但無法解除全球氣候升溫對(duì)多年凍土地基帶來的影響。在寒季，片石、碎石路基表面及空隙易被積雪、風(fēng)沙覆蓋或填充而降低效果，同時(shí)該路基面高熱阻作用也降低了大氣本身對(duì)多年凍土地基的凍結(jié)能力。②將熱棒埋設(shè)在多年凍土層中增加多年凍土層的冷儲(chǔ)量。該方法利用寒季多年凍土層與大氣之間的溫差，通過熱棒內(nèi)部制冷劑的液汽兩相轉(zhuǎn)換對(duì)流循環(huán)作用，將多年凍土層中的熱量傳輸?shù)酱髿庵?，?shí)現(xiàn)增加多年凍土層冷儲(chǔ)量的目的[6]，但熱棒在暖季幾乎停止工作，制冷效果受到季節(jié)變化的限制。

基于以上2種常規(guī)措施的技術(shù)缺陷，在熱棒制冷原理基礎(chǔ)上研發(fā)一種半導(dǎo)體制冷裝置。其特點(diǎn)是對(duì)于溫差要求明顯，在青藏高原大溫差的工作環(huán)境有利于其發(fā)揮較大制冷效率。在實(shí)際應(yīng)用中，可采用太陽能光伏板或風(fēng)力發(fā)電機(jī)作為電能供應(yīng)源，可在暖季主動(dòng)制冷，有效抵御暖季高溫對(duì)多年凍土地基的熱侵蝕，維護(hù)其穩(wěn)定。

半導(dǎo)體制冷又稱熱電制冷、溫差制冷、電子制冷或珀?duì)栙N制冷等。這種制冷技術(shù)早在1821年由德國科學(xué)家Thomas Seebac首次提出，1834年法國的物理學(xué)家Jean Peltier和法國的一位表匠才發(fā)現(xiàn)了熱電制冷的內(nèi)在科學(xué)原理，被稱為賽貝克效應(yīng)與珀?duì)栙N效應(yīng)。從發(fā)現(xiàn)珀?duì)栙N效應(yīng)開始，利用帕爾帖效應(yīng)制造熱電制冷器已經(jīng)有一百多年的歷史[7-8]。20世紀(jì)50～60年代，隨著國際上熱電性能較好的半導(dǎo)體材料的迅猛發(fā)展，熱電效應(yīng)的效率大大提高，才使半導(dǎo)體熱電發(fā)電和熱電制冷進(jìn)入工程實(shí)踐領(lǐng)域，在國防、工業(yè)、農(nóng)業(yè)、商業(yè)、醫(yī)療和日常生活等領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用[9]。

近年來，隨著科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，半導(dǎo)體致冷器件的材料體系、摻雜種類與濃度、制造工藝等技術(shù)性難題被攻破。我國研制的半導(dǎo)體材料性能已經(jīng)處于國際領(lǐng)先水平。據(jù)相關(guān)資料顯示，我國自主研發(fā)的高效半導(dǎo)體熱電元件，其優(yōu)值系數(shù)已在原來的基礎(chǔ)上成倍增長，可以超過13×10-3K-1，現(xiàn)在高效的半導(dǎo)體制冷器在溫差50 ℃時(shí)，制冷系數(shù)大于3，制冷效率還能高于個(gè)別壓縮機(jī)制冷效率(收式或蒸汽噴射式制冷機(jī)制冷系數(shù)為2.5～5.0)[10-13]。

2 制冷裝置的工作原理

青藏高原多年凍土區(qū)具有豐富的太陽能和風(fēng)能。采用太陽能電池板或風(fēng)動(dòng)發(fā)電機(jī)可有效地將多年凍土區(qū)豐富的自然能源轉(zhuǎn)化為電能，再通過電能帶動(dòng)安裝于熱棒過渡段的半導(dǎo)體制冷器工作，促使熱棒過渡段與蒸發(fā)段產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)溫差。這樣，既在寒季能夠加大熱棒的制冷工作效率，增強(qiáng)多年凍土層的冷儲(chǔ)量，又在暖季能夠啟動(dòng)熱棒制冷工作，抵御大氣熱量對(duì)多年凍土層的侵蝕。

2.1 普通熱棒工作原理

熱棒是一種汽液兩相對(duì)流循環(huán)的密封管導(dǎo)熱裝置，主要由散熱段、過渡段、蒸發(fā)段經(jīng)通管連接而成。蒸發(fā)段置于多年凍土層中，散熱段置于大氣中，制冷工質(zhì)充灌于蒸發(fā)段中。在寒季，當(dāng)蒸發(fā)段的溫度高于散熱段溫度時(shí)，蒸發(fā)段的液態(tài)制冷劑蒸發(fā)為氣態(tài)，并上升至散熱段處冷凝成液態(tài)而回流至蒸發(fā)段中；在熱侵蝕最為嚴(yán)重的暖季，當(dāng)散熱段的溫度等于或大于蒸發(fā)段的溫度時(shí)，制冷工質(zhì)停止循環(huán)，熱棒停止工作，則無法保護(hù)多年凍土[14]。

2.2 半導(dǎo)體制冷原理

半導(dǎo)體制冷裝置在普通熱棒結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，將半導(dǎo)體安裝于熱棒的過渡段處，通過半導(dǎo)體制冷降低過渡段處的溫度，并使其溫度低于蒸發(fā)段的溫度，從而使蒸發(fā)段中的液態(tài)制冷劑蒸發(fā)為氣態(tài)，上升至過渡段處并冷凝成液態(tài)而回流至蒸發(fā)段中，以此強(qiáng)制熱棒啟動(dòng)工作。在寒季，當(dāng)散熱段的溫度低于蒸發(fā)段處的溫度時(shí)，能夠強(qiáng)化熱管制冷循環(huán)工作；在暖季，當(dāng)散熱段的溫度不低于蒸發(fā)段處的溫度時(shí)，強(qiáng)制熱棒啟動(dòng)制冷循環(huán)工作。

3 半導(dǎo)體制冷現(xiàn)場(chǎng)實(shí)體試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)場(chǎng)地概況

半導(dǎo)體制冷裝置試驗(yàn)場(chǎng)地在青藏高原風(fēng)火山地區(qū)。風(fēng)火山又名隆青吉布山，有的地圖標(biāo)名為烽火山。

從江源地區(qū)山脈分布來看，風(fēng)火山地區(qū)屬橫列于北麓河與沱沱河之間的冬布里山的一段，地處可可西里東南，距離青海省格爾木市區(qū)380 km，海拔約 4 700～5 010 m[14]。風(fēng)火山地區(qū)的地層以砂巖、泥巖、砂礫土、角礫土、黏砂土、砂黏土為主，屬多年凍土區(qū)。試驗(yàn)場(chǎng)地位于風(fēng)火山觀測(cè)站，地勢(shì)較平緩，如圖1所示。

圖1 風(fēng)火山試驗(yàn)場(chǎng)地地質(zhì)斷面

如圖1所示，風(fēng)火山試驗(yàn)場(chǎng)地地層埋深0～0.3 m為黏砂土層，含水率為30%，未凍結(jié)；0.3～6.5 m為砂礫石土層，多年凍土上限埋深為2 m，其中0.3～2.0 m為季節(jié)活動(dòng)層；6.5 m及以下為砂黏土層，多年凍土層。其各層的導(dǎo)熱系數(shù)、熱容量、導(dǎo)溫系數(shù)見表1。

表1 風(fēng)火山試驗(yàn)場(chǎng)地地層物理參數(shù)

試驗(yàn)場(chǎng)中，熱棒埋設(shè)間距為5 m，在普通熱棒的過渡段安裝半導(dǎo)體制冷器。試驗(yàn)場(chǎng)中的半導(dǎo)體制冷器利用水冷散熱形式，其動(dòng)力采用太陽能與風(fēng)能發(fā)電。

在風(fēng)火山試驗(yàn)場(chǎng)地進(jìn)行了2組平行試驗(yàn)，分別埋設(shè)了普通熱棒和半導(dǎo)體制冷裝置，2種制冷裝置的蒸發(fā)段都埋設(shè)于6 m深的地層,并在寒季2016年12月和暖季2017年4—9月期間觀測(cè)0～6.0 m深度范圍的天然地溫、普通熱棒側(cè)壁溫度、半導(dǎo)體制冷裝置側(cè)壁溫度。通過對(duì)比這三類溫度變化情況，研究半導(dǎo)體制冷裝置的制冷效果，并驗(yàn)證采用半導(dǎo)體制冷裝置替代普通熱棒的可行性。

3.2 月均溫度變化分析

3.2.1 天然地溫變化情況

2016年12月—2017年9月天然地溫隨深度變化的月均溫度曲線見圖2?？芍渲泻?2016年12月)地溫曲線隨著深度的增加呈冪函數(shù)形式遞增，其地溫由地面的-10.57 ℃遞增至地下5.5 m處的-1.57 ℃。在暖季，天然地溫隨著深度的增加呈遞減的趨勢(shì)，其中8月份地面達(dá)到暖季最高溫度，地面最高溫度達(dá)到6.89 ℃，最低溫度為4月份深度2.0 m處的-3.20 ℃。

圖2 天然地溫月均溫度曲線

圖3 普通熱棒側(cè)壁月均溫度曲線

3.2.2 普通熱棒側(cè)壁溫度變化情況

普通熱棒側(cè)壁月均溫度曲線見圖3?？芍?，在寒季(2016年12月)普通熱棒側(cè)壁溫度在0～6.0 m深度范圍內(nèi)先遞增后逐漸趨于平穩(wěn)，溫度由地面的-15.61 ℃遞增至地下6.0 m處的-6.26 ℃，其中地面至地下1.0 m處地溫增幅較大，ΔT達(dá)到10.24 ℃，1.0～6.0 m地溫增幅很小，ΔT僅為0.18 ℃。在2017年暖季，4月、5月普通熱棒側(cè)壁月均溫度隨深度的增加先遞減后略有回升，而6月、7月、8月月均地溫隨深度近似呈冪函數(shù)遞減，9月份側(cè)壁溫度呈對(duì)數(shù)函數(shù)形式遞減，其中7月份地面普通熱棒側(cè)壁地溫達(dá)到最高溫度6.79 ℃，4月份地下2.5 m處達(dá)到最低溫度-3.72 ℃。

3.2.3 半導(dǎo)體制冷裝置側(cè)壁溫度變化情況

半導(dǎo)體制冷裝置側(cè)壁溫度月均變化曲線見圖4?？芍?，在寒季半導(dǎo)體側(cè)壁溫度隨深度增加先遞增后趨于平穩(wěn)，1.0～6.0 m地溫曲線基本趨于“垂直”，其側(cè)壁溫度由地面的-10.44 ℃遞增至6.0 m處的-6.80 ℃。在暖季2017年4月、5月、6月半導(dǎo)體側(cè)壁月均溫度隨深度的增加逐步遞增并趨于平穩(wěn)，而2017年7月、8月、9月月均地溫隨深度的增加呈近似冪函數(shù)遞減。其中，8月份地面半導(dǎo)體側(cè)壁達(dá)到最高溫度5.90 ℃，最低溫度為4月份地下2.0 m處的-3.20 ℃。

圖4 半導(dǎo)體制冷裝置側(cè)壁月均溫度曲線

3.3 半導(dǎo)體制冷與天然地溫月均差對(duì)比分析

半導(dǎo)體制冷裝置側(cè)壁溫度與天然地溫月均差曲線見圖5?？芍?，在寒季月均差曲線隨著深度的增加呈冪函數(shù)形式遞減，月均差值基本處于“負(fù)溫區(qū)”，表明在寒季半導(dǎo)體側(cè)壁溫度在0～6.0 m深度范圍比天然溫度低，其差值范圍為-5.48～-2.21 ℃。在暖季2017年4—9月，月均差曲線分布也在“負(fù)溫區(qū)”，其月均差較差值為-3.80～-0.81 ℃。

圖5 半導(dǎo)體制冷裝置側(cè)壁溫度與天然地溫月均差曲線

綜上所述，在寒季和暖季，半導(dǎo)體制冷裝置溫度在0～6.0 m深度范圍均比天然地溫低，表明半導(dǎo)體制冷裝置起到了降溫效果。

3.4 半導(dǎo)體與熱棒月均差分析

半導(dǎo)體制冷裝置與普通熱棒的側(cè)壁溫度月均差曲線見圖6?？芍?，在寒季從0.5～6.0 m深度范圍內(nèi)，月均差曲線位于“負(fù)溫區(qū)”，可見半導(dǎo)體制冷裝置較普通熱棒溫度低，其差值范圍為-0.92～-0.13 ℃。在暖季2017年4—9月由地面至地下6.0 m深度范圍內(nèi)，除 2017年4月深度4.5～5.5 m的范圍月均差曲線在“正溫區(qū)”，其余深度范圍月均差曲線均在“負(fù)溫區(qū)”，其較熱棒降溫副值為1.16～2.06 ℃。

圖6 半導(dǎo)體制冷裝置與普通熱棒的側(cè)壁溫度月均差曲線

綜上所述，無論在寒季還是暖季，半導(dǎo)體側(cè)壁溫度較普通熱棒低，其中在暖季半導(dǎo)體制冷裝置的降溫效果更為顯著。

4 半導(dǎo)體制冷裝置實(shí)際降溫效果對(duì)比分析

制冷裝置在試驗(yàn)場(chǎng)地實(shí)際降溫效果，涉及到各地層的實(shí)際溫度變化情況。由于地層溫度場(chǎng)在不同地層、不同徑向范圍內(nèi)，其溫度變化情況有明顯的相關(guān)性和規(guī)律性。為進(jìn)一步分析半導(dǎo)體制冷裝置的實(shí)際降溫效果，在對(duì)2016年12月—2017年9月間的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)整理分析的基礎(chǔ)上，主要針對(duì)各地層在監(jiān)測(cè)時(shí)段范圍內(nèi)的月度最低溫度和均值溫度這兩項(xiàng)“特征值”作為判定實(shí)際降溫效果的“指標(biāo)”。因此，有必要結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)工作分析2種制冷裝置的月度最低溫度和均值溫度對(duì)比情況。

4.1 最低溫度對(duì)比研究

圖7 最低溫度對(duì)比曲線

最低溫度對(duì)比曲線見圖7。由圖7(a)可知，天然地溫和制冷裝置的最低溫度在0～1.0 m范圍隨深度增加有逐漸升高的趨勢(shì)，在1.0～6.0 m深度范圍曲線逐漸趨于平穩(wěn)。其中半導(dǎo)體制冷裝置在各層中的Tmin最低，均值達(dá)到-7.21 ℃，普通熱棒其次，Tmin均值為-7.02 ℃，天然地溫的Tmin均值達(dá)到-3.77 ℃。由圖7(b)可知，半導(dǎo)體制冷裝置與天然地溫Tmin相較差在0～6.0 m深度范圍內(nèi)，隨著深度的增加逐漸降低，由0.5 m處的-2.21 ℃逐漸降低至5.5 m處的-4.22 ℃，均值達(dá)到-3.74 ℃；普通熱棒與天然地溫相較差在0.5～6.0 m深度范圍內(nèi)，由0.5 m處的-2.08 ℃ 逐漸降低至6.0 m處的-3.53 ℃，均值達(dá)到-3.10 ℃；半導(dǎo)體制冷裝置與普通熱棒制冷最低溫度相較差在0.5 m處達(dá)到最大值-0.13 ℃，在1.0 m處達(dá)到最小值-1.55 ℃，均值為-0.64 ℃。

4.2 均值溫度對(duì)比分析

均值溫度對(duì)比曲線見圖8。由圖8(a)可知，由天然地溫和制冷裝置的在2016年12月及2017年4—9月的均值溫度隨深度的增加溫度逐漸降低，其中，天然地溫的均值溫度由地表1.45 ℃逐漸降低至5.0 m的-2.23 ℃，均值為-1.06 ℃；半導(dǎo)體制冷裝置的均值溫度由地表處的0.35 ℃，遞減至5.5 m處的-3.15 ℃，均值為-2.45 ℃；普通熱棒的均值溫度最大值與最小值溫度較差ΔT達(dá)到0.73 ℃，均值為-2.06 ℃。由圖8(b)可知，半導(dǎo)體制冷裝置與天然地溫之間的均值溫度較差值在0～6.0 m深度范圍內(nèi)，隨著深度的增加先減小至1.0 m處的最小值-2.40 ℃，后逐漸遞增至5.0 m 處的最大值-0.88 ℃，均值為-1.39 ℃；普通熱棒與天然地溫相較差變化趨勢(shì)與前者相同，在1.5 m處達(dá)到最小值-1.44 ℃，在0.5 m處達(dá)到最大值-0.78 ℃，均值達(dá)到-1.0 ℃；半導(dǎo)體制冷裝置與普通熱棒制冷均值溫度隨著深度的增加先減小后逐漸增加，在1.0 m處達(dá)到最小值-1.04 ℃，在5.0 m處達(dá)到最大值-0.1 ℃，均值為-0.39 ℃。

圖8 均值溫度對(duì)比曲線

綜上所述，由制冷裝置和天然地溫的最低溫度和均值溫度對(duì)比分析，半導(dǎo)體制冷裝置這兩項(xiàng)“特征值”均最低,熱棒其次、天然地溫較高。

5 結(jié)論

1)無論在暖季還是寒季，半導(dǎo)體制冷裝置能起到降溫的作用，在寒季半導(dǎo)體側(cè)壁溫度比天然溫度低，其差值為-5.48～-2.21 ℃，在暖季差值為-3.80～-0.81 ℃；

2)無論在暖季還是寒季，半導(dǎo)體側(cè)壁溫度較普通熱棒低，其中在寒季差值為 -0.92～-0.13 ℃，在暖季半導(dǎo)體制冷裝置的降溫效果更為顯著，其差值為-2.06～-1.16 ℃；

3)從最低溫度和均值溫度對(duì)比分析來看，半導(dǎo)體制冷裝置的這兩項(xiàng)“特征值”均更低，其中最低溫度較熱棒低0.13～1.55 ℃；均值溫度較熱棒低0.1 ～1.04 ℃。

綜合來看，半導(dǎo)體制冷裝置能有效降低地層溫度，減小凍融層厚度，比熱棒制冷溫度更低，可有效增加多年凍土區(qū)地基冷儲(chǔ)量，且受季節(jié)溫度變化干擾小，維護(hù)地基的穩(wěn)定性更有效。研究成果為下一步半導(dǎo)體制冷裝置在實(shí)體路基試驗(yàn)段進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用奠定了理論基礎(chǔ)，也使后續(xù)用半導(dǎo)體制冷裝置替代熱棒以維護(hù)地基熱穩(wěn)定成為可能。

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