路基凍脹的地源熱泵裝置的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)分析

黃峰

摘要：為有效應(yīng)對凍土區(qū)路基凍脹范圍較寬廣的現(xiàn)實(shí)問題，需要對傳統(tǒng)防凍措施加以改進(jìn)，對路基工程、供熱工程學(xué)科予以綜合分析后，作出將地源熱泵技術(shù)用于路基工程建設(shè)領(lǐng)域中的提議。規(guī)劃設(shè)計(jì)了專用型地源熱泵裝置，該裝置具有獨(dú)立的制熱單元。對供熱試驗(yàn)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)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(shè)計(jì)出的地源熱泵裝置用于路基凍脹領(lǐng)域中，表現(xiàn)出較明顯的優(yōu)越性，值得推廣。

關(guān)鍵詞：凍土;路基工程;凍脹;地源熱泵;裝置設(shè)計(jì);試驗(yàn)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(jié)性凍土區(qū)分布較為廣泛，在該特殊區(qū)域中冬季凍脹是路基工程的常見病害。路基凍脹其實(shí)就是在溫度、荷載等諸多因素的作用下，土內(nèi)水分發(fā)生相變和遷移過程、為降低降低路基工程凍脹的風(fēng)險，延長其使用年限并保證車輛行駛過程的安全性，應(yīng)采用適宜方法使路基溫度在寒冷冬季不低于填料凍結(jié)冰點(diǎn)。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(zhuǎn)型為高品位熱能的裝置，地源熱泵在運(yùn)行期間熱能來源是地表淺層地?zé)崮?，用于路基工程施工階段體現(xiàn)出較好效能。

1? 傳統(tǒng)防凍脹措施及缺點(diǎn)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(nèi)的水分，進(jìn)而減輕凍脹程度。但該種方法多用于非凍脹土較充足的區(qū)域，若遠(yuǎn)距離運(yùn)輸物料則會明顯增加成本。

1.2 保溫法? 即設(shè)置保溫隔熱層，利用提升熱阻指標(biāo)的形式去削弱凍結(jié)深度，最終減輕凍脹。保溫法在經(jīng)濟(jì)性、隔熱效果及工藝便捷性方面占據(jù)優(yōu)勢。但路基工程內(nèi)使用保溫材料后，伴隨時間推移，材料經(jīng)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(dǎo)熱系數(shù)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(jié)溫度，實(shí)現(xiàn)預(yù)防或減少凍脹情況。該種方法應(yīng)用期間雖投入的資金不多、技術(shù)含量不高、施工流程較簡易，但關(guān)于可溶鹽投入量是一個技術(shù)性難題。若投用量過多，則將會促進(jìn)土體凍縮過程，增加路基工程表面裂縫的發(fā)生率。

2? 地源熱泵裝置的設(shè)計(jì)

2.1 結(jié)構(gòu)型使設(shè)計(jì)? 路基工程專用的膨脹式地源熱泵裝置運(yùn)行期間的熱源取自路基下穩(wěn)定地層內(nèi)儲有的地?zé)崮?，通過直接膨脹、壓縮及冷卻凝結(jié)制冷劑的形式，搜索、采集熱能，在將其品質(zhì)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(tài)制冷劑吸熱后，歷經(jīng)蒸發(fā)過程轉(zhuǎn)變?yōu)榈蜏氐蛪赫魵?，以氣化吸熱效?yīng)為支撐經(jīng)穩(wěn)定地層中采集到品質(zhì)相對較低的熱能;②壓縮機(jī)運(yùn)行期間會吸收集熱段形成的蒸氣，對其行壓縮處理后產(chǎn)出高溫高壓氣體，以上過程有益于優(yōu)化熱能的品質(zhì);③在供熱段對②獲得氣體進(jìn)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(xì)管對高壓液體進(jìn)行減壓后，會被再次整合至集熱段，制熱循環(huán)。歷經(jīng)以上運(yùn)作過程后，促進(jìn)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(jī)的氣態(tài)制冷劑進(jìn)行液化處理，把品質(zhì)較優(yōu)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(wěn)定地層，作用是直接收集地層內(nèi)低品質(zhì)的地?zé)崮堋＂蹓嚎s機(jī)：被安置在路基地表，利于電動機(jī)械做功，對制冷劑蒸氣進(jìn)行壓縮，使其轉(zhuǎn)變?yōu)楦邷馗邏簹怏w，提高熱量品質(zhì)。④毛細(xì)管：負(fù)責(zé)調(diào)控制冷劑氣液兩相循環(huán)期間的壓力、流量指標(biāo)，促使液態(tài)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(guī)避水分及污物進(jìn)入至壓縮機(jī)或在低溫嚴(yán)寒氣候中結(jié)冰而填塞通道。⑥鋼制支座：增強(qiáng)裝置的綜合穩(wěn)定性。⑦PPR管：負(fù)責(zé)調(diào)控集熱段、供熱段螺旋盤各自的高程與內(nèi)徑。⑧控制器：調(diào)節(jié)裝置的啟用、停運(yùn)狀態(tài)。⑨制冷劑：以可逆行的氣—液相變?yōu)橹?，收集與遷徙地?zé)崮?。⑩電源：可利用太陽能或者風(fēng)能發(fā)電系統(tǒng)，為壓縮機(jī)正常運(yùn)行提供電力。

2.3 設(shè)計(jì)與制作裝置

把集熱段、供熱段的高度分別設(shè)計(jì)為2.0m、1.0m，具體步驟如下[3]：

步驟I：區(qū)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(huán)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(wěn)固處理;下部固定連接;

步驟III：借用錨栓強(qiáng)化壓縮機(jī)在鋼制支座上的穩(wěn)固性;

步驟IV：利用氣焊技術(shù)，把集熱段、壓縮機(jī)、供熱段等設(shè)施的出入口銜接在一起;

步驟V：依照相關(guān)規(guī)范要求，安設(shè)控制器好后，將其和壓縮機(jī)電氣銜接在一起;

步驟VI：利用真空泵抽吸裝置內(nèi)儲有的真空，裝入適量制冷劑（R600a）;

步驟VII：推行實(shí)用化處理方法，加強(qiáng)換熱段、地表構(gòu)件的維護(hù)處理，將其被侵蝕、磨損的概率降至最低水平。

3? 試驗(yàn)研究及分析

3.1 確定具體試驗(yàn)方案? 本次研究中將試驗(yàn)場地選定在冬季月平均氣溫-2.5℃、最低氣溫-19.9℃、既往凍結(jié)深度最大值為0.86m的區(qū)段。試驗(yàn)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(shè)作為中心點(diǎn)后，于地面上構(gòu)建一個四棱臺（高程2.0m、底邊長3.0m、頂邊長1.6m）。溫度監(jiān)測系統(tǒng)的作用是監(jiān)測換熱段以及周邊土溫變化期間所遵循的規(guī)律，監(jiān)測位點(diǎn)規(guī)劃的個數(shù)為2個。試驗(yàn)設(shè)計(jì)見圖1。

3.2 統(tǒng)計(jì)試驗(yàn)結(jié)果并作出解讀? ①裝置的工作屬性分析：在試驗(yàn)早期，供熱段溫度快速上升，裝置運(yùn)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(wěn)定。在試驗(yàn)早期，集熱段溫度表現(xiàn)出先減后增趨勢，溫度最低時可能會低于-8℃，對促進(jìn)路基穩(wěn)定層吸熱過程貢獻(xiàn)率較高。針對集熱段溫度上升的原因進(jìn)行分析，認(rèn)為是在裝置供熱運(yùn)行狀態(tài)中，受供熱段周邊土體溫度驅(qū)動后自身溫度也有上升。②四棱臺土體溫度的改變：經(jīng)觀察后發(fā)現(xiàn)供熱段周邊土體溫度由連續(xù)上升的態(tài)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(jié)范疇有逐漸減縮趨勢，提示裝置供熱效果優(yōu)良。集熱段周遭土體溫度改變呈現(xiàn)出先減、后增、再減的規(guī)律。對以上情況形成的原因進(jìn)行剖析，認(rèn)為主要是由于試驗(yàn)早期，供熱段與周遭土體溫差指標(biāo)存在較大懸殊，造成換熱量偏高，進(jìn)而誘導(dǎo)了集熱段制冷溫度降低的過程，有益于提升對地?zé)崮艿牟杉?，促進(jìn)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(diǎn)降低，以致制冷劑整體循環(huán)溫度上升，且遠(yuǎn)處儲存的地?zé)崮芤矔幸欢ㄞD(zhuǎn)移、補(bǔ)充，在多種因素的作用下誘導(dǎo)集熱段周邊土溫于試驗(yàn)中期形成大幅度增加的情況。在試驗(yàn)后期，因?yàn)闅夂驕囟绕?，以致表層土體承載的熱負(fù)荷有不同差點(diǎn)增加，因?yàn)榧療岫螠囟冉档驼T導(dǎo)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(diǎn)予以分析。發(fā)現(xiàn)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(jìn)了地?zé)崮芙?jīng)由下部穩(wěn)定地層轉(zhuǎn)移至凍脹地層的過程（圖2）。

③裝置的有效供熱半徑：以試驗(yàn)數(shù)據(jù)為支撐，模擬該裝置的供熱半徑，把0℃設(shè)作為有效供熱界限的溫度指標(biāo)。試驗(yàn)結(jié)束后發(fā)現(xiàn)，土體監(jiān)測位點(diǎn)TA2-4、TA3-4、TA4-4每天對應(yīng)的溫度均值依次是16.83℃、7.03℃、2.82℃。TA4-4這一監(jiān)測位點(diǎn)日均對應(yīng)的供熱溫度時75.92℃。分析擬合結(jié)果后發(fā)現(xiàn)，見圖3，可以使用指數(shù)函數(shù)去解讀、描述數(shù)據(jù)點(diǎn)曲線圖，經(jīng)測算后得出有效供熱半徑是1.41m。因?yàn)橥馏w傳熱過程表現(xiàn)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(jì)算的數(shù)值會低于實(shí)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(shè)定在2.82m以上。

4? 結(jié)束語

針對在寒冷區(qū)域中建設(shè)的路基工程，為應(yīng)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(tài)式補(bǔ)償熱量大量損失過程，力爭使路基填料溫度高于凍結(jié)冰點(diǎn)，這是減輕或接觸凍脹問題的有效方法之一。本文還設(shè)計(jì)了一種路基專用型地源熱泵裝置，供熱試驗(yàn)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(shè)計(jì)出的地源熱泵裝置用于路基凍脹領(lǐng)域中，表現(xiàn)出較好的技術(shù)優(yōu)質(zhì)，值得推廣。

參考文獻(xiàn)：

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