太陽能制冷技術(shù)在多年凍土區(qū)的研究及應(yīng)用

摘 要：全球氣候變暖趨勢下，多年凍土地基的賦存環(huán)境發(fā)生變化，導(dǎo)致多年凍土區(qū)路基的下沉現(xiàn)象較為普遍，為保證多年凍土地基的穩(wěn)定，急需新型技術(shù)以應(yīng)對帶來的多年凍土工程穩(wěn)定性挑戰(zhàn)。該文重點介紹太陽能吸附式制冷在維護(hù)多年凍土中的機(jī)理及作用，通過分析青藏高原豐富的太陽能資源，探討太陽能吸附式制冷在保護(hù)多年凍土地基熱穩(wěn)定中的潛力。研究結(jié)果表明，太陽能吸附式制冷技術(shù)在多年凍土區(qū)能夠充分利用豐富的太陽光照作為熱源動力，實現(xiàn)持續(xù)制冷，有效保護(hù)凍土地基。該文還討論太陽能熱棒技術(shù)的現(xiàn)狀和未來發(fā)展方向，指出其作為一種環(huán)保、節(jié)能的制冷方式，在應(yīng)對全球氣候變暖和保護(hù)寒區(qū)工程熱穩(wěn)定方面具有廣闊的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：吸附式制冷;青藏高原;多年凍土;太陽能熱棒;環(huán)境保護(hù)

中圖分類號：U216.41 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-2945（2024）22-0169-04

Abstract： Under the trend of global warming， the occurrence environment of permafrost foundation has changed， which leads to the subsidence of roadbed in permafrost region is more common. In order to ensure the stability of permafrost foundation， new technologies are urgently needed to meet the stability challenges of permafrost engineering. This paper focuses on the mechanism and function of solar adsorption refrigeration in the maintenance of permafrost， and discusses the potential of solar adsorption refrigeration in protecting the thermal stability of permafrost foundation by analyzing the rich solar energy resources in Qinghai-Tibet Plateau. The research results show that solar adsorption refrigeration technology can make full use of abundant solar light as heat source power in permafrost regions to achieve continuous cooling and effectively protect permafrost foundation. This paper also discusses the present situation and future development direction of solar heat rod technology， and points out that as an environmentally friendly and energy-saving refrigeration method， solar heat rod technology has a broad application prospect in dealing with global warming and protecting thermal stability of projects in cold regions.

Keywords： adsorption refrigeration; Qinghai-Tibet Plateau; permafrost; solar heat rod; environmental protection

持續(xù)2年以上且保持凍結(jié)狀態(tài)的土壤層稱為多年凍土[1]。全球約有23%的陸地覆蓋著多年凍土，而我國的多年凍土則占據(jù)了國土面積的21.5%，相當(dāng)于全球總量的10%[2]。隨著社會的迅速發(fā)展，俄羅斯、加拿大、中國和美國等國家在多年凍土地區(qū)進(jìn)行了大量的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，并在解決凍土工程方面取得了重要成果。然而，對凍土問題的關(guān)注和挑戰(zhàn)也日益增多。

20世紀(jì)50年代，我國開始在多年凍土區(qū)興建鐵路。目前，我國多年凍土地區(qū)的鐵路主要有牙林線、潮烏線、嫩林線、林碧線、南疆線和青藏線等。青藏鐵路在建設(shè)中通過試驗研究而確立了“主動降溫、冷卻地基、保護(hù)凍土”的先進(jìn)理念，實現(xiàn)了“三大轉(zhuǎn)變”[3]，經(jīng)過充分論證，這一理念得以貫徹實施，為青藏鐵路的建設(shè)提供了重要的理論支撐和實踐指導(dǎo)[4]。

青藏鐵路是全球首條高海拔鐵路干線，多年凍土問題是該鐵路建設(shè)中的三大挑戰(zhàn)之一，其獨特而復(fù)雜的性質(zhì)在世界鐵路歷史上獨一無二[5]。在修建青藏鐵路時，充分借鑒了青藏公路和東北多年凍土鐵路在凍土認(rèn)知不足方面的經(jīng)驗和教訓(xùn)，采用了一系列新的凍土保護(hù)措施，在前期得到了很好的運營效果[6]。但隨著全球氣候變暖趨勢的加快及長期動荷載的擾動下，多年凍土地基的賦存環(huán)境發(fā)生變化，導(dǎo)致多年凍土區(qū)路基的下沉現(xiàn)象較為普遍[7]。

因此，新時期在氣候變暖、降水增加及多年凍土加速退化條件下急需研發(fā)新型技術(shù)以應(yīng)對帶來的多年凍土工程穩(wěn)定性挑戰(zhàn)[8-9]。

1 吸附式制冷基本原理

吸附式制冷技術(shù)利用固體物質(zhì)的微孔結(jié)構(gòu)，或物質(zhì)之間的化學(xué)結(jié)合作用，在較低溫度下吸附氣體，而在較高溫度下釋放吸附的氣體[10]。這個過程是可逆的，主要由蒸發(fā)器、吸附器、冷凝器、集熱器和節(jié)流閥等組成的吸附式制冷系統(tǒng)，可以實現(xiàn)吸附式制冷作用。

吸附式制冷系統(tǒng)在較低的溫度下，吸附劑（固體物質(zhì)）吸附系統(tǒng)中的氣體（制冷劑），形成吸附過程;然后通過集熱器提高溫度，被吸附的氣體從吸附劑中釋放出來，形成解吸過程。解吸出的氣體通過節(jié)流閥降低壓力，并在冷凝器中冷卻為液體，回流至蒸發(fā)器中。在環(huán)境溫度的影響下，當(dāng)系統(tǒng)壓強降低時，在蒸發(fā)器中的液態(tài)制冷劑吸收熱量并蒸發(fā)為氣體而被吸附劑吸附，從而達(dá)到制冷的效果。吸附式制冷技術(shù)具有許多優(yōu)點，如節(jié)能、環(huán)保、可靠等。首先，它充分利用了太陽能這種可再生能源，減少了化石燃料的消耗和碳排放。其次，由于吸附式制冷系統(tǒng)簡單、可靠、無機(jī)械運動部件，因此維護(hù)成本低、壽命長。此外，由于其較低的能耗和較少的維護(hù)需求，吸附式制冷系統(tǒng)的運行成本也相對較低。

但是，吸附式制冷技術(shù)也存在一些挑戰(zhàn)和限制。例如吸附式制冷系統(tǒng)的效率相對較低，需要較大的吸附劑體積和較高的操作溫度才能達(dá)到理想的制冷效果。此外，吸附式制冷系統(tǒng)通常需要較長的時間才能達(dá)到穩(wěn)定的運行狀態(tài)，因此對于需要快速響應(yīng)的制冷需求可能不太適用。

盡管如此，隨著人們對可再生能源和環(huán)保意識的不斷提高，以及技術(shù)的不斷進(jìn)步和創(chuàng)新，吸附式制冷技術(shù)在未來仍然具有廣闊的應(yīng)用前景。例如在太陽輻射較強的地區(qū)或季節(jié)，可以利用豐富的太陽能資源驅(qū)動吸附式制冷系統(tǒng)，為建筑物或工業(yè)過程提供冷量。此外，吸附式制冷技術(shù)還可以與其他可再生能源相結(jié)合，如風(fēng)能、地?zé)崮艿?，以實現(xiàn)多種能源的互補利用和系統(tǒng)效率的提高。

在我國，近年來太陽能光熱利用系統(tǒng)在研究、開發(fā)、生產(chǎn)等領(lǐng)域取得了顯著進(jìn)步。其中，華南理工大學(xué)的陳礪團(tuán)隊在這一領(lǐng)域作出了重要貢獻(xiàn)，他們研究了一種化學(xué)吸附制冷單元，并對其制冷性能進(jìn)行了深入研究。通過排除不確定的外界因素的影響，他們得到了能真正反映系統(tǒng)性能的參數(shù)。研究表明，在相同的冷卻條件下，氯化鍶-氨工質(zhì)對比活性炭-甲醇工質(zhì)對具有更高的制冷效率。以100 ℃的熱源溫度為例，單位質(zhì)量吸附劑的制冷效果可高出活性炭-甲醇工質(zhì)對的3.2倍以上，最高可達(dá)5.9倍。這項研究成果為我國在吸附式制冷技術(shù)領(lǐng)域的研究和應(yīng)用提供了重要的指導(dǎo)意義。

此外，我國在太陽能熱水器、光伏電池等領(lǐng)域的研發(fā)和生產(chǎn)也取得了重要進(jìn)展。例如中國科學(xué)院廣州能源研究所研發(fā)了一種基于活性炭-甲醇體系的吸附式制冷系統(tǒng)，該系統(tǒng)在熱源溫度為90 ℃時具有較高的制冷效率。海爾、美的等家電企業(yè)相繼推出了太陽能吸附式冰箱、空調(diào)等產(chǎn)品，這些產(chǎn)品的推出不僅有助于推動我國吸附式制冷技術(shù)的發(fā)展，也將為消費者提供更加環(huán)保、節(jié)能的制冷解決方案。

2 太陽能吸附式制冷的特征

在我國，年太陽輻射總量的分布呈現(xiàn)出一定的規(guī)律。高值的集中區(qū)域在北緯22°至35°之間，而最顯著的高值中心位于青藏高原。這一現(xiàn)象背后，隱藏著多個原因。

首先，青藏高原地區(qū)的日照時間明顯長于其他地區(qū)。這不僅體現(xiàn)在每天的晝長上，而且全年晴天數(shù)較多，這使得太陽能夠更長時間地照射到該地區(qū)。據(jù)統(tǒng)計，這里的年平均日照時長高達(dá)3 400 h，這一數(shù)字遠(yuǎn)超我國其他地區(qū)。

其次，青藏高原的地理位置也為其成為太陽輻射高值中心提供了條件。由于其緯度較低，且地勢較高，太陽光能夠以較大的角度照射到該地區(qū)，這使得太陽的高度角增大，從而使得太陽能的接收更為直接和有效。同時，由于青藏高原空氣稀薄潔凈，塵埃和水汽的含量相對較少，這大大提高了空氣的透明度。因此，太陽光在照射過程中受到的散射和吸收較少，能夠更高效地傳遞太陽能。據(jù)測算，青藏高原的太陽能年均輻射總量每平方米高達(dá)6 000～8 000 MJ，這一數(shù)值在我國乃至全球范圍內(nèi)都是相當(dāng)高的[11]。

在太陽能制冷的研究方面，米維軍等研究者進(jìn)行了大量的多級熱棒和太陽能熱棒的研發(fā)和基礎(chǔ)試驗工作。他們對太陽能制冷裝置的性能進(jìn)行了深入探討，研究結(jié)果顯示，該裝置能夠充分利用多年凍土區(qū)充裕的太陽光照作為熱源動力，使得制冷設(shè)備在全年無季節(jié)限制的情況下持續(xù)運行。這一特性使得太陽能制冷設(shè)備在暖季能夠有效防止環(huán)境溫度對多年凍土地基的熱侵害，從而保護(hù)凍土區(qū)的生態(tài)環(huán)境。

他們發(fā)現(xiàn)，在多年凍土區(qū)，太陽能制冷裝置可以高效地利用豐富的太陽光照作為熱源動力。這一特性使得制冷裝置能夠在任何季節(jié)、任何時間都能持續(xù)工作，不受氣候條件的影響。特別是在夏季的暖季，太陽能制冷裝置能夠有效地降低環(huán)境溫度，從而有效地阻止了多年凍土地基的熱侵蝕。這一發(fā)現(xiàn)對于保護(hù)多年凍土區(qū)的生態(tài)環(huán)境具有重要意義。

經(jīng)過試驗對比，如圖1所示，發(fā)現(xiàn)在相同條件下，太陽能制冷裝置的工作性能和制冷效果均優(yōu)于熱管制冷裝置，表現(xiàn)出更為顯著的優(yōu)勢。通過精確地測試和比較，他們發(fā)現(xiàn)太陽能制冷裝置導(dǎo)致的年均地溫降幅比熱管制冷裝置大，具體增幅在0.57 ℃至0.96 ℃之間。這意味著在相同的時間段內(nèi)，太陽能制冷裝置能夠使地溫降低更多，從而更好地保護(hù)多年凍土地基。此外，他們還發(fā)現(xiàn)太陽能制冷裝置的制冷影響半徑比熱管制冷裝置大，具體增加范圍在0.13 m至0.87 m之間。這意味著太陽能制冷裝置的影響范圍更廣，能夠更好地控制和調(diào)節(jié)周圍環(huán)境的溫度。

實際測試結(jié)果表明，太陽能制冷裝置的制冷量是熱管制冷裝置制冷量的1.97倍，這表明太陽能制冷裝置在制冷方面具有顯著的優(yōu)勢。這一數(shù)據(jù)充分證明了太陽能制冷裝置在實際應(yīng)用中的優(yōu)越性。相比于傳統(tǒng)的熱管制冷裝置，太陽能制冷裝置不僅能夠提供更大的冷卻效果，而且還能夠大大減少對傳統(tǒng)能源的依賴，從而降低能源消耗和碳排放。

3 在維護(hù)多年凍土中的制冷量估算

為了確保多年凍土地基的熱穩(wěn)定，首先需要深入了解該地區(qū)的工程地質(zhì)條件和土層物理性質(zhì)。在這里，發(fā)現(xiàn)了土層的導(dǎo)熱性能、含水量、顆粒大小等因素都直接關(guān)系到制冷功率的需求。

在分析了這些因素后，進(jìn)行了一系列的熱工計算。這些計算考慮了青藏高原在一年中最熱的幾個月（7—10月）中，如何主動使用制冷技術(shù)將多年凍土地基的溫度維持在相對較低的水平。最終目標(biāo)是模擬4—5月份的地溫狀態(tài)，因為這2個月的溫度通常較低，更接近凍土的自然狀態(tài)。

經(jīng)過精確地計算，得出了所需的制冷功率范圍：最大制冷功率為48.38～64.68 W，見表1。這個數(shù)字提供了在特定條件下維持多年凍土地基熱穩(wěn)定所需的最小制冷能力。有了這個數(shù)據(jù)，就可以進(jìn)一步探討太陽能熱棒在維護(hù)凍土地基熱穩(wěn)定中的潛在作用。

太陽能熱棒技術(shù)是一種環(huán)保的制冷方法，它利用太陽能來產(chǎn)生熱能，并通過這些熱能驅(qū)動制冷系統(tǒng)。在青藏高原這樣的高海拔地區(qū)，太陽輻射強烈，太陽能熱棒可以有效地利用這一資源來提供所需的制冷功率。

然而，為了確保太陽能熱棒的穩(wěn)定運行并達(dá)到預(yù)期的制冷效果，需要滿足一定的基本工作條件。這包括確保在日照充足的時間段內(nèi)，太陽能熱棒能夠充分吸收太陽輻射能，同時還需要一個有效的儲能系統(tǒng)以供夜間或陰天使用。此外，為了實現(xiàn)最佳的制冷效果，還需要對太陽能熱棒的性能進(jìn)行優(yōu)化，例如提高其吸收太陽輻射的效率或改進(jìn)其熱能轉(zhuǎn)換機(jī)制。

綜上所述，要維護(hù)青藏高原多年凍土地基的熱穩(wěn)定狀態(tài)，可以采用太陽能熱棒技術(shù)。然而，為了實現(xiàn)這一目標(biāo)，需要充分了解和掌握太陽能熱棒的工作原理、性能特點及最佳工作條件。在此基礎(chǔ)上，還需要進(jìn)一步研究和優(yōu)化太陽能熱棒的設(shè)計和運行策略，以確保其在青藏高原的特殊環(huán)境中能夠有效地發(fā)揮作用。

4 太陽能熱棒技術(shù)的前景展望

青藏鐵路采用了一系列新的凍土保護(hù)措施，在前期得到了很好的運營效果。但在全球氣候變暖趨勢的加快及長期動荷載的擾動下，地基多年凍土的賦存環(huán)境發(fā)生變化，導(dǎo)致多年凍土區(qū)路基的下沉現(xiàn)象較為普遍。

太陽能熱棒的優(yōu)良制冷性，可以實現(xiàn)對多年凍土的實時保護(hù)，未來有望應(yīng)對氣溫升高背景下寒區(qū)工程中的熱穩(wěn)定維護(hù)。但當(dāng)前的研究還僅停留在初步嘗試和試驗階段，如何通過結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化進(jìn)一步降低成本、提升換熱效率，如何科學(xué)評價太陽能熱棒的工作性能與制冷效果、現(xiàn)場安裝與使用方法及標(biāo)準(zhǔn)等，仍有待深入研究。

5 結(jié)論

1）吸附式制冷技術(shù)是一種節(jié)能、環(huán)保、可靠的制冷方式，特別是太陽能吸附式制冷技術(shù)，展現(xiàn)出廣泛的應(yīng)用前景。

2）青藏高原地區(qū)是我國太陽輻射的高值中心，太陽能資源豐富，為太陽能吸附式制冷技術(shù)的應(yīng)用提供了有利條件。

3）太陽能制冷裝置在多年凍土區(qū)能夠充分利用豐富的太陽光照作為熱源動力，實現(xiàn)持續(xù)制冷，有效保護(hù)凍土地基。

4）太陽能熱棒技術(shù)是一種利用太陽能進(jìn)行制冷的環(huán)保技術(shù)，在青藏高原等高海拔地區(qū)具有廣闊的應(yīng)用前景，但目前仍處于初步嘗試和試驗階段，仍有待深入研究。

參考文獻(xiàn)：

[1] 邢開第.普通凍土學(xué)[J].冰川凍土，1990（4）：154.

[2] 賈詩超，張廷軍，范成彥，等.InSAR技術(shù)多年凍土研究進(jìn)展[J].地球科學(xué)進(jìn)展，2021，36（7）：694-711.

[3] 中華人民共和國交通運輸部.青藏鐵路多年凍土區(qū)工程地質(zhì)勘察報告[M].北京：人民交通出版社，2005.

[4] 青藏鐵路公司.青藏鐵路格拉段擴(kuò)能改造工程凍土施工總結(jié)[R].西寧：青藏鐵路公司，2014.

[5] 吳克儉，錢征宇.青藏鐵路多年凍土工程科技創(chuàng)新與實踐[J].中國鐵路，2007（6）：29-33.

[6] 唐彩梅，楊永鵬，李勇，等.青藏鐵路多年凍土區(qū)橋頭路基變形原因及對策研究[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計，2015，59（8）：18-22.

[7] 吳青柏，張中瓊，劉戈.青藏高原氣候轉(zhuǎn)暖與凍土工程的關(guān)系[J].工程地質(zhì)學(xué)報，2021，29（2）：342-352.

[8] 米維軍，賈燕，趙永虎，等.太陽能制冷在多年凍土熱穩(wěn)定維護(hù)中的傳熱效果研究[J].鐵道學(xué)報，2018，40（5）：116-122.

[9] 米維軍，趙永虎，楊曉明，等.太陽能制冷與熱管制冷的多年凍土地基熱穩(wěn)定維護(hù)效果對比[J].中國鐵道科學(xué)，2017，38（6）：1-8.

[10] 劉巖，馬春元，張夢.太陽能吸附式制冷系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀與發(fā)展前景[J].太陽能，2018（7）：5-9，26.

[11] 曹敏，朱曉晨.中國地表太陽總輻射空間化模擬及其時空特征分析[J].氣象研究與應(yīng)用，2021，42（2）：24-28.

基金項目：中國鐵路青藏集團(tuán)有限公司科技研究開發(fā)計劃（QZ2022-G04）;中國中鐵股份有限公司科技研究開發(fā)計劃（實用技術(shù)2022-重點-14）;中國國家鐵路集團(tuán)有限公司科技研究開發(fā)計劃（K2022G107）

第一作者簡介：董添春（1983-），男，高級工程師。研究方向為多年凍土區(qū)鐵路工程的運營與維護(hù)。