面向城市道路路基凍脹的地源熱泵試驗(yàn)研究

李偉

（太原市政建設(shè)集團(tuán)有限公司辰宇公司，山西太原 030024）

0 引言

隨著信息時(shí)代的快速發(fā)展，我國(guó)在奉行綠色交通發(fā)展觀的大背景下，人們對(duì)于道路上的養(yǎng)護(hù)研究進(jìn)一步得到提升，逐步發(fā)明了用于路基養(yǎng)護(hù)試驗(yàn)的技術(shù)，其就是可以直接通過(guò)地?zé)崮茉吹募夹g(shù)，在高度凍脹的路基上快速進(jìn)行功能恢復(fù)，可以進(jìn)一步提升路基的養(yǎng)護(hù)功能，節(jié)約了對(duì)于路基養(yǎng)護(hù)施工的材料成本與養(yǎng)護(hù)時(shí)間，是一種應(yīng)用較為理想的技術(shù)選擇，在目前我國(guó)的各條公路工程中的熱泵養(yǎng)護(hù)管理方已經(jīng)得到廣泛的研究應(yīng)用，大部分公路已經(jīng)基本進(jìn)入了熱泵養(yǎng)護(hù)的準(zhǔn)備狀態(tài)，熱泵的工作原理主要是通過(guò)使用少許的發(fā)電能源來(lái)提取處于自然界低溫高品位中的能源，并將其轉(zhuǎn)型為高品位地源熱能的驅(qū)動(dòng)裝置，事實(shí)上，地源熱泵在運(yùn)作的期間，熱能的來(lái)源是通過(guò)表層的地?zé)崮軄?lái)運(yùn)作的，如果將它用于解決城市路基凍脹的問(wèn)題，可能會(huì)出現(xiàn)較好的效果。

1 研究背景

1.1 傳統(tǒng)方法

1.1.1 AASHTO 法

這樣的設(shè)計(jì)方法其實(shí)是美國(guó)首先進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的，在現(xiàn)有試驗(yàn)性道路的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上，通過(guò)對(duì)次數(shù)之間基本關(guān)系的綜合分析，從而對(duì)其進(jìn)行設(shè)計(jì)總結(jié)，在美國(guó)AASHTO 法其實(shí)也是試驗(yàn)路面整體結(jié)構(gòu)的主要使用設(shè)計(jì)測(cè)量方式之一，這樣的設(shè)計(jì)方式在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，采用監(jiān)測(cè)技術(shù)去對(duì)于試驗(yàn)路面的兩個(gè)相關(guān)性能指標(biāo)進(jìn)行基本監(jiān)測(cè)，將監(jiān)測(cè)技術(shù)作為整個(gè)路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的主要使用測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)，建立基本關(guān)系式。

1.1.2 AI 法

AI 法將計(jì)算機(jī)與查圖法融合在一起，通過(guò)分析開(kāi)裂和路基永久變形的原因，對(duì)于瀝青的要求和指標(biāo)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，通過(guò)分析關(guān)鍵的指標(biāo)，在最小面層的厚度進(jìn)行處理，進(jìn)一步考慮量的變化。

1.1.3 換填法

利用換填方法，在長(zhǎng)期凍脹性水泥路基內(nèi)的土層中挖出，填入非長(zhǎng)期凍脹性泥土。非長(zhǎng)期凍脹性泥土一般來(lái)說(shuō)是由粗粒土、砂礫、中粗土和砂等多種材料混合做出來(lái)的，具有一定的耐熱、排水、耐蝕性能，其工作原理主要是通過(guò)快速排除凍脹路基內(nèi)的多余水分，進(jìn)一步大大縮減路基凍脹的嚴(yán)重程度。但該種換填方法多數(shù)適用于非長(zhǎng)期凍脹性水土較充足的道路區(qū)域，如果需要遠(yuǎn)距離運(yùn)輸這種物料，可能會(huì)大大增加運(yùn)輸成本與環(huán)境負(fù)擔(dān)。

1.1.4 保溫法

即通過(guò)設(shè)置保溫隔熱層，用提高溫阻指標(biāo)的形式去降低凍結(jié)深度，以最終降低凍脹。保溫法在經(jīng)濟(jì)性和隔熱的效果上都具有優(yōu)點(diǎn)，特別是針對(duì)保溫的工藝便捷性而言，但是在我國(guó)的道路上采用保溫的時(shí)候，因?yàn)槠涑掷m(xù)時(shí)間比較長(zhǎng)，所以保溫的材料往往發(fā)生銹蝕，進(jìn)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(dǎo)致路基凍脹的事情出現(xiàn)。對(duì)保溫法來(lái)說(shuō)，它沒(méi)有長(zhǎng)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(zhǎng)的路基保護(hù)方式。

1.2 國(guó)內(nèi)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)調(diào)查

隨著我國(guó)科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，我國(guó)凍脹路面已經(jīng)有了一定程度的研究，但是在鋪設(shè)的相關(guān)措施上使用的方式全憑鋪設(shè)的經(jīng)驗(yàn)，在理論上缺乏一定基礎(chǔ)和理論依據(jù)，參數(shù)敏感和交通等級(jí)在建設(shè)路面結(jié)構(gòu)方面較為薄弱，在鋪設(shè)時(shí)候，可以采取地源熱泵試驗(yàn)的處理方式，其適用于公路城市的干線或者是其他公共場(chǎng)合，可以有效的預(yù)防路基的凍脹。而這種預(yù)防性養(yǎng)護(hù)技術(shù)的地源熱泵試驗(yàn)可以進(jìn)一步節(jié)約材料資源，從而降低建造的成本。

2 地源熱泵裝置的設(shè)計(jì)

2.1 結(jié)構(gòu)型設(shè)計(jì)

在地源熱泵的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)當(dāng)中，地源熱泵是一個(gè)應(yīng)用于道路施工中的設(shè)備，其主要熱源來(lái)源均是在路基下穩(wěn)定巖層中的地?zé)崮茉?，可以采用膨脹、擠壓和冷卻等的方法進(jìn)行搜索并收集熱量后，將自身的質(zhì)量增加后進(jìn)一步釋放能量，在集熱段當(dāng)中，將儲(chǔ)有的液體制冷劑吸熱后，再采用蒸發(fā)的形式使之轉(zhuǎn)化為相對(duì)低溫低壓的狀態(tài)，用蒸發(fā)的形式以吸收短路電流所產(chǎn)生的地?zé)嵝?yīng)為基礎(chǔ)，從穩(wěn)定巖層中收集到品質(zhì)相對(duì)較低的熱量。而在高壓氣機(jī)在供熱工作的第一時(shí)候，也可能會(huì)進(jìn)一步通過(guò)吸取其進(jìn)行上一階段供熱工作所需要形成的熱水蒸氣，對(duì)這些水蒸氣進(jìn)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(guò)這一工作階段的高壓氣體處理會(huì)在風(fēng)機(jī)供熱的第二階段進(jìn)一步對(duì)其進(jìn)行氣體冷凝和空氣液化的壓縮處理，作為新的熱源與其進(jìn)行交換提供新的熱能，通過(guò)這些處理運(yùn)作之后，其氣體才能盡可能進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)促進(jìn)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(huì)深埋在那些凍脹的氣體底層當(dāng)中，并且如果需要對(duì)于壓縮機(jī)的整個(gè)氣態(tài)，制冷劑將會(huì)先進(jìn)行一個(gè)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(zhuǎn)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(lái)收集那些位于凍脹地層內(nèi)的較低品質(zhì)的氣體地層內(nèi)熱能，通過(guò)壓縮機(jī)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(zhì)。在各種地?zé)崮茉礋岜醚h(huán)裝置當(dāng)中，存在一個(gè)毛細(xì)管循環(huán)裝置，其作用可以提供控制冷劑液與氣液之間進(jìn)行循環(huán)所作用產(chǎn)生的氣體壓力及氣液流量?jī)蓚€(gè)指標(biāo)的相關(guān)數(shù)據(jù)，從而可以使各種液態(tài)的受控氣液得以順利循環(huán)運(yùn)行，被快速輸送到地源集熱段當(dāng)中，有效防止在運(yùn)作中產(chǎn)生的各種問(wèn)題，例如過(guò)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(shè)備的高度綜合供熱穩(wěn)定性。PPR 管還可以能夠同時(shí)負(fù)責(zé)自動(dòng)調(diào)節(jié)設(shè)備集熱段、供熱段螺線和托盤(pán)各自的活動(dòng)高度和供熱內(nèi)徑?？刂破魇且环N容易調(diào)節(jié)的設(shè)備，它可以控制整個(gè)裝置的開(kāi)關(guān)。而自然制冷劑，則主要是通過(guò)利用室內(nèi)可逆行的溫室氣體由液相支撐變?yōu)楣腆w支撐，去除和收集室內(nèi)地?zé)崮?，而自然地源?jié)能熱泵系統(tǒng)的自然制冷節(jié)能原理則是運(yùn)用傳統(tǒng)制冷劑的自然制冷節(jié)能特性，利用室內(nèi)土壤的自然吸熱變化能力，制冷劑將有機(jī)會(huì)直接吸收室內(nèi)的室外空氣全部熱量從而將室內(nèi)熱量直接轉(zhuǎn)移向外到地下混凝土層之中，避免室內(nèi)熱量直接向外流入室內(nèi)大氣之中，減少室內(nèi)溫室污染氣體的大量排放，在夏季時(shí)所儲(chǔ)存的室內(nèi)熱量釋放到冬天時(shí)就可以直接通過(guò)地?zé)崮茉礋岜玫难b置直接釋放出來(lái)，達(dá)到室內(nèi)熱量的二次有效利用，這樣的方法也就使地?zé)崮茉礋岜迷诶弥评鋭┖椭茻峁?jié)能方面具有很好的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，節(jié)能低碳減排，符合綠色發(fā)展的需求。電源則是通過(guò)太陽(yáng)能或者是風(fēng)能進(jìn)行發(fā)電，提供足夠的運(yùn)行電量給壓縮機(jī)，以供壓縮機(jī)正常運(yùn)行。

3 地源熱泵性能結(jié)構(gòu)試驗(yàn)

在對(duì)城市道路路基凍脹的研究中，對(duì)于如何使道路結(jié)構(gòu)更加的優(yōu)化需要開(kāi)展相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)。在工程實(shí)踐中，如果選取了冬季平均氣溫-2.5℃，最低氣溫-19.9℃的區(qū)域，就可以研究該裝置對(duì)路基凍脹的影響。首先要在地基中開(kāi)挖矩形的地基，然后將地源熱泵和傳感設(shè)備放入地基中，在回填地基后將熱泵裝置設(shè)定的中心區(qū)域，并建立四棱臺(tái)，然后實(shí)施溫度監(jiān)測(cè)，溫度檢測(cè)的意義是在監(jiān)測(cè)地?fù)Q熱段及其周圍土溫變化期間所遵守的規(guī)則。但在集熱實(shí)驗(yàn)的早期當(dāng)中，供熱段的空氣溫度還是上升得比較快，裝置正常運(yùn)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(dòng)，裝置的供熱系統(tǒng)溫度也開(kāi)始有一定的變化波幅，綜合說(shuō)明供熱系統(tǒng)性能較為穩(wěn)定。而早期的集熱實(shí)驗(yàn)當(dāng)中，集熱段的空氣溫度變化表現(xiàn)出先減后升變化趨勢(shì)，溫度可能會(huì)相對(duì)較低。對(duì)于能夠促進(jìn)路基穩(wěn)定層吸熱過(guò)程的設(shè)備使用率也比較高。而針對(duì)這樣的使用情況，應(yīng)該認(rèn)為是在供熱裝置進(jìn)行供熱的設(shè)備運(yùn)行管理階段當(dāng)中，供熱段及其周邊的表層圖體的溫度自身是會(huì)有所應(yīng)的上升變化導(dǎo)致的，四棱臺(tái)周圍的表層圖體凍結(jié)溫度也是會(huì)有所應(yīng)的改變。通過(guò)觀察后可以發(fā)現(xiàn)其周圍的表層土體凍結(jié)溫度仍然呈上升的變化趨勢(shì)，氣候的變化條件仍然是影響表層周圍土體凍結(jié)溫度變化改變凍結(jié)程度范圍大小的主要影響因素。而四棱臺(tái)臺(tái)的表層土體風(fēng)化凍結(jié)程度范圍也是逐漸有所縮減的變化趨勢(shì)，這正好表明裝備設(shè)施的供熱效果較好。而其中集熱段周遭則逐漸出現(xiàn)溫度先減后減逐增再增漸減的變化規(guī)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(jìn)而直接誘導(dǎo)了其中集熱段周圍土壤溫度上升降低的變化過(guò)程，有益于不斷提升對(duì)周圍地?zé)岬男阅艿木C合采集利用效率，促進(jìn)周遭地?zé)嵬馏w土壤溫度緩緩上升降低的變化過(guò)程。并且如果伴隨著地?zé)峁ぷ鲄^(qū)頂端周圍地?zé)嵬翆油寥罍囟鹊牟粩嗌仙?，其傳熱的采集效率也隨之有不同幅度的降低，周圍的地?zé)嵫h(huán)土壤溫度有所上升，遠(yuǎn)處的整體地?zé)岬男阅芤矔?huì)有所大的轉(zhuǎn)移。通過(guò)一些重要因素的綜合誘導(dǎo)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(fù)荷出現(xiàn)不同程度的上升趨勢(shì)。

4 結(jié)語(yǔ)

隨著科學(xué)的發(fā)展，我國(guó)對(duì)公路的處理也在進(jìn)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(lái)，將會(huì)有更好的、更加先進(jìn)的技術(shù)被人們應(yīng)用到路基的處理上，豐富我國(guó)的公路結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步對(duì)公路進(jìn)行發(fā)展。目前為止，當(dāng)前的城市道路路基凍脹的地源熱泵可以進(jìn)一步對(duì)于路面進(jìn)行發(fā)展，提升路基性能，但是由于本文的時(shí)間有限，經(jīng)驗(yàn)上存在不足，不能對(duì)中國(guó)的城市道路路基凍脹的地源熱泵進(jìn)行進(jìn)一步研究，提出的問(wèn)題也相應(yīng)地存在一些缺陷。