太阳能制冷与热管制冷的多年冻土地基热稳定维护效果对比

米维军，赵永虎，杨晓明，屈耀辉，武小鹏

(1.中铁西北科学研究院有限公司，甘肃 兰州　730000；2.青海省冻土与环境工程重点实验室，青海 格尔木　816099)

自20世纪50年代起，我国已在青海、西藏、黑龙江等地的多年冻土区修建了大量的铁路、公路、输电线路、输油管路等，为国民经济的发展起到了巨大的支撑和推动作用。

我国的多年冻土分布面积占国土面积的21.5%，占世界多年冻土分布面积的10%。随着我国经济社会的快速发展，在这近1/4的国土面积上，在建和拟建的川藏铁路和青藏高速公路等也在加速推进，涉及冻土的实际问题也越来越多。

通过青藏公路、青藏铁路等重大工程的实践经验，我国科技工作者针对多年冻土路基、地基的稳定性问题，逐步确立了“主动降温、冷却地基、保护冻土”的先进理念，实现了“三大转变”，取得了诸多创新成果[1]。这些成果在冻土区基础工程的设计、施工、监理、环保和科研等方面均取得了巨大的突破。

长期以来，科研人员对相关冻土工程进行了多层次的监测、调查与研究。结果表明，冻土工程修筑完成后的2～3年内，其地基、路基的热学和力学稳定状态已基本形成，总体上达到了稳定[2]，但个别高含冰量和高温冻土区段依然出现大量的热融下沉及开裂病害。

热管作为主动制冷的一种装置，在冻土路基、地基的稳定性维护和热融下沉及开裂病害整治中被大量使用，尽管取得了一定的效果，但在最需要制冷的暖季，却停止了制冷工作，制冷效果受季节变化的影响明显[3]。

科研人员从常年维护冻土热稳定及增加制冷效果的角度出发，研发了维护冻土热稳定的太阳能制冷技术。

本文在青藏高原风火山多年冻土试验场，通过现场试验，进行太阳能制冷与热管制冷在维护多年冻土地基热稳定效果的对比研究。

1　工作原理对比

1.1　太阳能制冷工作原理

太阳能制冷是利用多年冻土区丰富的太阳光照为热源动力，在制冷系统内形成压差与温差，实现冻土环境与大气环境的热交换，从而实现维护冻土路基、地基热稳定的目的。

太阳能制冷装置主要由太阳能发生器、冷凝器、蒸发制冷器3部分组成，如图1所示。

图1　太阳能制冷装置基本组成示意图

太阳能制冷装置的工作原理是，当太阳能发生器温度降低时，填充其内的吸附介质将制冷剂蒸汽分子源源不断的吸附，从而降低系统压强，促使蒸发制冷器中的制冷剂由液态转变为气态，发生潜热变化，带走地基中的热量，从而降低地温；发生器外表面安装有太阳能吸热膜，当吸收太阳光照而升高温度时，发生器内被吸附介质饱和吸附的制冷剂分子解吸出来，解吸的制冷剂气体分子通过冷凝器冷凝，由汽态转变为液态，并顺管道回流到蒸发制冷器中。因此，太阳能发生器起到类似“制冷压缩机”和“储能器”的作用。

冷凝器主要由散热片组成，其作用为将解吸的制冷剂气体分子所携带的热量通过散热片散失到大气中，同时发生相变，由汽态转变为液态，并将潜热热量通过散热片散失到大气中。当冷凝器的温度小于蒸发制冷器的温度时，还能起到内循环的作用，加大制冷装置的工作效率。

蒸发制冷器是制冷装置内制冷剂的汽、液通道，并通过管壁与地基土发生热交换。因此，蒸发制冷器的结构形式直接影响土体的换热效率。

1.2　热管制冷工作原理

热管制冷是利用其制冷装置蒸发段与冷凝段的温差而使系统内的制冷剂发生液汽两相对流循环进行热传输制冷的。

热管制冷装置——热棒主要由蒸发器、冷凝器2部分组成，如图2所示。

热管制冷装置——热棒的工作原理是，受环境温度的影响，当冷凝器的温度小于蒸发器的温度且二者温差值大于启动温差时，充注于蒸发器内的液态制冷工质吸收汽化潜热，发生相变而蒸发成汽态。在此过程中，因液态制冷工质汽化吸收热量，使制冷器的温度降低。

图2　热管制冷装置基本组成示意图

当汽化制冷工质在压差作用下，沿管内空腔上升至冷凝段与温度相对较低的冷凝器接触时，放出液化潜热，降低温度，从而发生相变又冷凝成液态，并在重力作用下，液态工质沿管壁回流至蒸发器再吸收汽化潜热，降低温度，如此往复循环。只要冷凝器和蒸发器之间存在负温差，这种循环便可自动连续进行。

但当冷凝器温度大于蒸发器的温度时，液态工质蒸发后形成的汽态工质到达冷凝器后不能被冷却，蒸发器中液态工质停止汽化相变，热管制冷装置便停止工作。

2　制冷效果对比试验

太阳能制冷与热管制冷在冻土热稳定维护中的应用效果对比试验场地选择在青藏高原风火山地区，其空间位置约为东经91°20′—94°15′，北纬34°10′—35°20′，海拔高度约在4 700～5 010 m[4]，地层以砂岩、泥岩、砂砾土、角砾土、黏砂土和砂黏土为主[5-7]。图3为风火山试验场地地质断面图。

试验场地位于风火山观测站后山，地势平缓，植被覆盖率达90%以上，多年冻土层的天然上限埋深为2 m，多年冻土层的体积含冰量为10%～25%。风火山试验场地的各地层物理参数见表1[8]。

在冻土地基热稳定维护应用效果的对比试验中，共采用了4组太阳能制冷装置、2组热管制冷装置和1组天然地温监测元器件，如图3所示。

太阳能制冷装置编号依次为TNY-2，TNY-3，TNY-4和TNY-5，水平间距均为5 m，埋设深度均为6 m。每组太阳能制冷装置的侧壁安装有温度测试元器件，每组测试元器件共计布设13个测点，测点的竖向间距为0.5 m，总长度为6.0 m。

图3　风火山试验场地地质断面图

埋深/m岩层名称容重/(kg·m-3)含水率/%导热系数/[W·(m·℃)-1]热容量/[kJ·(m3·℃)-1]导温系数/(m2·h-1) 0～0.3黏砂土900300.381171.06800.3～2.0砂砾石1600131.102208.118002.0～6.5砂砾石1800171.932107.732806.5以下砂黏土1400181.861551.54310

热管制冷装置的编号分别为RB-7和RB-8，水平间距为5 m，埋设深度均为6 m，RB-7与TNY-5的水平间距为10 m。天然地温监测孔编号为TRDW，距离RB-8的水平距离为10 m，测温孔深度为6.0 m。RB-7侧壁、RB-8侧壁和TRDW孔内的温度测试元器件测点的竖向间距为0.5 m，共计布设13个测点。

温度测试元器件各测点的工作频率为每月测试6天，每天温度采集频率为1次·h-1，共24组。24组的均值作为当天的测试值，以6天测试值的平均值进行效果分析。

3　制冷效果对比分析

太阳能制冷装置与热管制冷装置的实际应用效果体现在对土体温度的降低程度上，具体表现在对年均地温、有效影响半径、制冷量的影响上。

3.1　年均地温降低效果对比

为准确地对比分析各制冷装置的制冷效果，研究中将地层划分为3段：①地表附近环境温度影响较大段(0～0.3 m)；②多年冻土上限附近环境温度影响较小段(0.3～2.0 m)；③多年冻土稳定段(2.0～6.0 m)。图4和图5分别为2015年6月至2016年5月的12个月时间内，试验场地天然年均地温、太阳能制冷装置侧壁年均地温、热管制冷装置侧壁年均地温的柱状图及等温线图。

图4　2015年6月—2016年5月年均地温柱状图

0～0.3 m地层的天然年均地温为-0.8～-1.6 ℃，而太阳能制冷装置侧壁的年均地温为-1.7～-3.4 ℃，相对降低了0.9～1.8 ℃；热管制冷装置侧壁的年均地温为-1.3～-3.1 ℃，相对降低了0.5～1.5 ℃。从制冷装置侧壁的年均地温降低幅度来看，太阳能制冷装置较热管制冷装置的降温幅度大0.3～0.4 ℃。

0.3～2.0 m地层的天然年均地温为-1.4～-1.5 ℃，而太阳能制冷装置侧壁的年均地温为-3.9～-5.3 ℃，相对降低了2.5～3.8 ℃；热管制冷装置侧壁的年均地为-3.0～-4.6 ℃，相对降低了1.6～3.1 ℃，太阳能制冷装置较热管制冷装置的降温幅度大0.7～0.9 ℃。

图5　2015年6月—2016年5月年均地温等温线图(单位：℃)

在2.0～6.0 m范围内的天然年均地温均为-1.5 ℃，而太阳能制冷装置和热管制冷装置侧壁的年均地温与上一地层基本接近，分别为-3.9～-5.6 ℃和-3.7～-4.7 ℃，较天然年均地温的降低幅度分别为2.4～4.1和2.2～3.2 ℃，太阳能制冷装置较热管制冷装置的降温幅度大0.2～0.9 ℃。

综合分析图4中的年均地温柱状图、图5中的年均地温等温线图及年均地温降低规律，可以看出天然年均地温在0.0～6.0 m深度范围内的变化较小，基本在-1.2～-1.5 ℃；安装太阳能制冷装置和热管制冷装置后，各地层的年均地温均明显低于天然年均地温，尤其在0.3～6.0 m深度范围内，分别低于天然年均地温2.97～3.90和2.40～2.94 ℃，说明采用制冷装置后，改变了地温场的分布规律，抵制了环境温度对多年冻土层的热侵蚀；太阳能制冷装置的制冷降温效果明显优于热管制冷装置的制冷效果，前者的年均地温低于后者年均地温0.57～0.96 ℃。

3.2　制冷影响范围对比分析

冻土层中制冷的影响范围是评价制冷装置性能及制冷效果的重要指标，通常确定制冷影响范围的方法主要有实测法和计算法2种[8-9]。根据傅里叶第一定律，在均质土层中，热源的温度波振幅在一定范围内随距离的增大呈指数规律衰减[10-12]，其衰减公式为

(1)

式中：r为距热源(制冷装置)的水平距离，即制冷影响半径，m；Ar为距热源r处的地温波振幅，在太阳能制冷装置影响半径计算中，取同一地层的天然地温波振幅，℃；A0为热源温度波振幅，计算中取制冷装置侧壁实测地温波振幅，℃；α为土层的导温系数，m2·h-1，参见表1；t为温度波动周期，h，计算中取8 760 h。

因此，当测得Ar,A0，即可由式(1)计算得到制冷装置的制冷影响半径。

表2给出了风火山试验场地2015年6月—2016年5月天然地温波振幅Ar和太阳能制冷装置及热管制冷装置侧壁的温度波振幅A0。

表2　天然地温与各制冷装置侧壁温度波振幅

将表1中土层的导温系数α、表2中的地温波振幅Ar和A0及地温波动周期t=8 760 h代入式(1)，可得到太阳能制冷装置和热管制冷装置在各土层中的制冷影响半径。图6为2016年5月太阳能制冷装置和热管制冷装置的制冷影响半径曲线，表3给出了2016年5月制冷装置在不同深度范围内的制冷影响半径。

图6　2016年5月各制冷装置的制冷影响半径曲线

从表3和图6可以看出：在地表附近受环境温度影响较大段(0.0～0.3 m)，太阳能制冷装置的制冷影响半径为0.13～0.37 m，热管制冷装置的制冷影响半径为0～0.14 m。在上限附近受环境温度影响较小段(0.3～2.0 m)，太阳能制冷装置的制冷影响半径为0.91～2.89 m，热管制冷装置的制冷影响半径为0.29～2.35 m；在多年冻土稳定区段(2.0～6.0 m)，太阳能制冷装置的制冷影响半径为2.94～4.14 m，热管制冷装置的制冷影响半径为2.50～3.27 m。

表3　2016年5月制冷装置影响半径

从图6还可看出：各制冷装置在3.5～4.0 m深度处的制冷影响半径最大，其中太阳能制冷装置的最大制冷影响半径为4.14 m，热管制冷装置的最大制冷影响半径为3.23 m。

图7太阳能制冷装置和热管制冷装置分别在3.5和4.0 m深度地层中的制冷影响范围。

图7　深3.5和4.0 m地层中制冷装置的制冷影响范围(单位：℃)

分析图6、图7及表3还可得出：太阳能制冷装置和热管制冷装置均体现出了较好的工作效能。在0.0～0.3 m深土层中，制冷影响半径受外界环境温度的影响较大；在1.5 m处，因受环境温度的影响较小，制冷装置的制冷影响半径出现了突增现象，而在1.5～4.0 m多年冻土层中，制冷影响半径出现递增现象，其下的4.5～6.0 m范围内，受制冷装置结构形式的影响，制冷影响半径出现递减现象。总体上，太阳能制冷装置与热管制冷装置的制冷影响半径相比，前者大于后者0.13～0.87 m。

3.3　制冷量对比分析

试验结果表明，在风火山试验场地采用太阳能制冷装置和热管制冷装置维护多年冻土地基热稳定时，前者的实际制冷效果优于后者。以TYN-5号太阳能制冷装置和RB-8号热管制冷装置为例，建立计算模型，进行制冷量对比分析。为便于对比，天然上限抬升量均取0.5 m，即上限埋深均由2.0 m抬升到1.5 m。

2016年5月，TYN-5号太阳能制冷装置和RB-8号热管制冷装置在深1.5～6.0 m范围内各土层中的制冷影响半径及地温分别见表4和表5。

3.3.1减小季节活动层厚度时产生的制冷量对比

减小季节活动层厚度时产生的制冷量分为2部分，第1部分为活动层温度降低至0℃时产生的制冷量，第2部分为活动层由融化状态转变为冻结状态且降低至一定负温时产生的制冷量。

表4　TYN-5号太阳能制冷装置制冷影响半径及地温

表5　RB-8号热管制冷装置制冷影响半径及地温

在季节活动层中由太阳能制冷装置和热管制冷装置降温而形成冻土核，其体积VS和VR呈圆锥台型，计算公式分别为

(2)

(3)

式中：rS1和rR1分别为TYN-5号太阳能制冷装置和RB-8号热管制冷装置在1.5 m深度处的制冷影响半径，分别取2.51和1.90 m；rS2和rR2分别为TYN-5号太阳能制冷装置和RB-8号热管制冷装置在2.0 m深度处的制冷影响半径，分别取2.89和2.13 m；h为深度差值，取0.5 m。

由式(2)和式(3)计算得到的TYN-5号太阳能制冷装置和RB-8号热管制冷装置在季节活动层中产生的冻土核体积分别为11.5和6.4 m3。

利用TYN-5号太阳能制冷装置和RB-8号热管制冷装置减小季节活动层厚度并形成冻土核时产生的制冷量QSI和QRI的计算公式分别为

QSI=CuVSΔtS1+θρd(ω-ωu)VS+CfVSΔtS2

(4)

QRI=CuVRΔtR1+θρd(ω-ωu)VR+CfVRΔtR2

(5)

式中：Cu为融土热容量，试验场地砂砾石土层融化状态下的热容量为2 208.1 kJ·(m3·℃)-1 [10-11]；θ为水的结晶潜热，一般热工计算中取334.56 kJ·kg-1 [11]；ρd为土的干密度，取1 415.9 kg·m-3；ω为土的天然含水率，取13%；ωu为冻土中未冻水含量，取1.95%；Cf为冻土热容量，试验场地砂砾石土层冻结状态下的热容量为2 107.7 kJ·(m3·℃)-1 [10-11]；ΔtS1和ΔtR1分别为季节活动层由太阳能制冷装置和热管制冷装置从0.39 ℃的地温降至0 ℃时的温度绝对差；ΔtS2和ΔtR2分别为季节活动层由太阳能制冷装置和热管制冷装置从0 ℃的地温分别降至-1.83和-1.54 ℃时的温度绝对差。

由式(4)和式(5)计算得到的TYN-5号太阳能制冷装置和RB-8号热管制冷装置在减小季节活动层厚度时产生的制冷量分别为656 218.6和361 288.1 kJ。

3.3.2降低多年冻土层地温时产生的制冷量对比

在2～6 m深度范围内，TYN-5号太阳能制冷装置和RB-8号热管制冷装置的制冷影响半径随地层的不同而有所变化。TYN-5号太阳能制冷装置的实际制冷影响半径在2.89～3.87 m，RB-8号热管制冷装置的实际制冷影响半径在2.13～3.05 m。TYN-5号太阳能制冷装置对多年冻土地温的平均降低幅度为1.56～1.86 ℃，RB-8号热管制冷装置对多年冻土地温的平均降低幅度为1.08～1.60 ℃。

降低多年冻土层地温时产生的制冷量QSII和QRII的计算公式为

(6)

(7)

式中：VSi和VRi分别为制冷装置在各土层中的影响体积，m3；ΔtSi和ΔtRi分别为制冷装置在各土层中的绝对降温，℃；Cf为冻土热容量，试验场地砂砾石土层冻结状态下的热容量为2 107.7 kJ·(m3·℃)-1 [10-11]。

由式(6)和式(7)计算得到在2.0～6.0 m深度范围内TYN-5号太阳能制冷装置和RB-8号热管制冷装置降低多年冻土层温度时产生的制冷量分别为732 771.1和343 025.2 kJ。

3.3.3总制冷量对比

TYN-5号太阳能制冷装置和RB-8号热管制冷装置在冻土层中的总制冷量QS和QR包括减小季节活动层厚度时的制冷量和降低多年冻土层地温时的制冷量，即

QS=QSI+QSII

(8)

QR=QSI+QSII

(9)

由式(8)和式(9)计算得到的TYN-5号太阳能制冷装置和RB-8号热管制冷装置产生的总制冷量分别为1 388 989.7和704 313.3 kJ，太阳能制冷装置的实际制冷量为热管制冷装置实际制冷量的1.97倍。

4　结　论

(1)在维护多年冻土地基的热稳定试验中，太阳能制冷装置和热管制冷装置均能很好地起到主动制冷的目的。但太阳能制冷装置在具有热管制冷装置功能的同时，还具有以太阳光照为热源动力，可在暖季也工作的功能。

(2)太阳能制冷装置与热管制冷装置相比，前者的年均地温降低幅度、制冷影响半径、实际制冷量分别大于后者0.57～0.96 ℃，0.13～0.87 m和684 676.4 kJ(1.97倍)，体现出了太阳能制冷装置较强的工作性能和制冷维护效果。

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