应用半导体制冷技术维护多年冻土区地基热稳定性试验研究

苗学云,米维军,赵永虎

(中铁西北科学研究院有限公司，甘肃 兰州 730000)

1 概述

随着全球气候变暖进程加快，我国多年冻土的退化也出现了加速现象，多年冻土地基存在着不同程度的病害[1]。青藏铁路现场调查及研究显示，多年冻土区已建路基本体及路基以下活动层的固结沉降大部分在短时间内能够完成，但冻土路基的融沉病害仍持续产生[2]。

长期监测系统的数据显示，青藏铁路多年冻土区部分地段的普速铁路路基自2006年以来下沉量多达250 mm，部分普速路基阳侧的多年冻土上限较多年冻土天然上限下降多达1.5～2.0 m，甚至在高温多年冻土区下降多达4.76 m[3]。较大融沉路段均位于高含冰量冻土地段，其中多年冻土区桥梁、涵洞过渡段的路基下沉较为显著，桥头路基最大下沉量接近100 cm，非桥头路基的最大下沉量也达到数十厘米之多[4]。多年冻土区的公路路基普遍存在着不均匀沉陷、坑槽、翻浆、纵(横)向裂缝、路肩坍塌等病害。这主要是由沥青路面下融化槽密切相关的路基冻胀与热融下沉造成的[5]。

针对多年冻土路基的热融与冻胀病害特征，目前普遍采用的防治措施主要有2种：①片石、碎石铺设在地基外侧或与天然地面交接层处形成热屏障，主要是利用其高热阻阻止外界热量向多年冻土层传输，并利用大空隙空气对流作用，使外界冷空气通过对流向下传递。这种方法在暖季可以阻止外界热量向多年冻土地基传输，但无法解除全球气候升温对多年冻土地基带来的影响。在寒季，片石、碎石路基表面及空隙易被积雪、风沙覆盖或填充而降低效果，同时该路基面高热阻作用也降低了大气本身对多年冻土地基的冻结能力。②将热棒埋设在多年冻土层中增加多年冻土层的冷储量。该方法利用寒季多年冻土层与大气之间的温差，通过热棒内部制冷剂的液汽两相转换对流循环作用，将多年冻土层中的热量传输到大气中，实现增加多年冻土层冷储量的目的[6]，但热棒在暖季几乎停止工作，制冷效果受到季节变化的限制。

基于以上2种常规措施的技术缺陷，在热棒制冷原理基础上研发一种半导体制冷装置。其特点是对于温差要求明显，在青藏高原大温差的工作环境有利于其发挥较大制冷效率。在实际应用中，可采用太阳能光伏板或风力发电机作为电能供应源，可在暖季主动制冷，有效抵御暖季高温对多年冻土地基的热侵蚀，维护其稳定。

半导体制冷又称热电制冷、温差制冷、电子制冷或珀尔贴制冷等。这种制冷技术早在1821年由德国科学家Thomas Seebac首次提出，1834年法国的物理学家Jean Peltier和法国的一位表匠才发现了热电制冷的内在科学原理，被称为赛贝克效应与珀尔贴效应。从发现珀尔贴效应开始，利用帕尔帖效应制造热电制冷器已经有一百多年的历史[7-8]。20世纪50～60年代，随着国际上热电性能较好的半导体材料的迅猛发展，热电效应的效率大大提高，才使半导体热电发电和热电制冷进入工程实践领域，在国防、工业、农业、商业、医疗和日常生活等领域获得广泛应用[9]。

近年来，随着科学技术的迅猛发展，半导体致冷器件的材料体系、掺杂种类与浓度、制造工艺等技术性难题被攻破。我国研制的半导体材料性能已经处于国际领先水平。据相关资料显示，我国自主研发的高效半导体热电元件，其优值系数已在原来的基础上成倍增长，可以超过13×10-3K-1，现在高效的半导体制冷器在温差50 ℃时，制冷系数大于3，制冷效率还能高于个别压缩机制冷效率(收式或蒸汽喷射式制冷机制冷系数为2.5～5.0)[10-13]。

2 制冷装置的工作原理

青藏高原多年冻土区具有丰富的太阳能和风能。采用太阳能电池板或风动发电机可有效地将多年冻土区丰富的自然能源转化为电能，再通过电能带动安装于热棒过渡段的半导体制冷器工作，促使热棒过渡段与蒸发段产生驱动温差。这样，既在寒季能够加大热棒的制冷工作效率，增强多年冻土层的冷储量，又在暖季能够启动热棒制冷工作，抵御大气热量对多年冻土层的侵蚀。

2.1 普通热棒工作原理

热棒是一种汽液两相对流循环的密封管导热装置，主要由散热段、过渡段、蒸发段经通管连接而成。蒸发段置于多年冻土层中，散热段置于大气中，制冷工质充灌于蒸发段中。在寒季，当蒸发段的温度高于散热段温度时，蒸发段的液态制冷剂蒸发为气态，并上升至散热段处冷凝成液态而回流至蒸发段中；在热侵蚀最为严重的暖季，当散热段的温度等于或大于蒸发段的温度时，制冷工质停止循环，热棒停止工作，则无法保护多年冻土[14]。

2.2 半导体制冷原理

半导体制冷装置在普通热棒结构基础上，将半导体安装于热棒的过渡段处，通过半导体制冷降低过渡段处的温度，并使其温度低于蒸发段的温度，从而使蒸发段中的液态制冷剂蒸发为气态，上升至过渡段处并冷凝成液态而回流至蒸发段中，以此强制热棒启动工作。在寒季，当散热段的温度低于蒸发段处的温度时，能够强化热管制冷循环工作；在暖季，当散热段的温度不低于蒸发段处的温度时，强制热棒启动制冷循环工作。

3 半导体制冷现场实体试验

3.1 试验场地概况

半导体制冷装置试验场地在青藏高原风火山地区。风火山又名隆青吉布山，有的地图标名为烽火山。

从江源地区山脉分布来看，风火山地区属横列于北麓河与沱沱河之间的冬布里山的一段，地处可可西里东南，距离青海省格尔木市区380 km，海拔约 4 700～5 010 m[14]。风火山地区的地层以砂岩、泥岩、砂砾土、角砾土、黏砂土、砂黏土为主，属多年冻土区。试验场地位于风火山观测站，地势较平缓，如图1所示。

图1 风火山试验场地地质断面

如图1所示，风火山试验场地地层埋深0～0.3 m为黏砂土层，含水率为30%，未冻结；0.3～6.5 m为砂砾石土层，多年冻土上限埋深为2 m，其中0.3～2.0 m为季节活动层；6.5 m及以下为砂黏土层，多年冻土层。其各层的导热系数、热容量、导温系数见表1。

表1 风火山试验场地地层物理参数

试验场中，热棒埋设间距为5 m，在普通热棒的过渡段安装半导体制冷器。试验场中的半导体制冷器利用水冷散热形式，其动力采用太阳能与风能发电。

在风火山试验场地进行了2组平行试验，分别埋设了普通热棒和半导体制冷装置，2种制冷装置的蒸发段都埋设于6 m深的地层,并在寒季2016年12月和暖季2017年4—9月期间观测0～6.0 m深度范围的天然地温、普通热棒侧壁温度、半导体制冷装置侧壁温度。通过对比这三类温度变化情况，研究半导体制冷装置的制冷效果，并验证采用半导体制冷装置替代普通热棒的可行性。

3.2 月均温度变化分析

3.2.1 天然地温变化情况

2016年12月—2017年9月天然地温随深度变化的月均温度曲线见图2。可知，其中寒季(2016年12月)地温曲线随着深度的增加呈幂函数形式递增，其地温由地面的-10.57 ℃递增至地下5.5 m处的-1.57 ℃。在暖季，天然地温随着深度的增加呈递减的趋势，其中8月份地面达到暖季最高温度，地面最高温度达到6.89 ℃，最低温度为4月份深度2.0 m处的-3.20 ℃。

图2 天然地温月均温度曲线

图3 普通热棒侧壁月均温度曲线

3.2.2 普通热棒侧壁温度变化情况

普通热棒侧壁月均温度曲线见图3。可知，在寒季(2016年12月)普通热棒侧壁温度在0～6.0 m深度范围内先递增后逐渐趋于平稳，温度由地面的-15.61 ℃递增至地下6.0 m处的-6.26 ℃，其中地面至地下1.0 m处地温增幅较大，ΔT达到10.24 ℃，1.0～6.0 m地温增幅很小，ΔT仅为0.18 ℃。在2017年暖季，4月、5月普通热棒侧壁月均温度随深度的增加先递减后略有回升，而6月、7月、8月月均地温随深度近似呈幂函数递减，9月份侧壁温度呈对数函数形式递减，其中7月份地面普通热棒侧壁地温达到最高温度6.79 ℃，4月份地下2.5 m处达到最低温度-3.72 ℃。

3.2.3 半导体制冷装置侧壁温度变化情况

半导体制冷装置侧壁温度月均变化曲线见图4。可知，在寒季半导体侧壁温度随深度增加先递增后趋于平稳，1.0～6.0 m地温曲线基本趋于“垂直”，其侧壁温度由地面的-10.44 ℃递增至6.0 m处的-6.80 ℃。在暖季2017年4月、5月、6月半导体侧壁月均温度随深度的增加逐步递增并趋于平稳，而2017年7月、8月、9月月均地温随深度的增加呈近似幂函数递减。其中，8月份地面半导体侧壁达到最高温度5.90 ℃，最低温度为4月份地下2.0 m处的-3.20 ℃。

图4 半导体制冷装置侧壁月均温度曲线

3.3 半导体制冷与天然地温月均差对比分析

半导体制冷装置侧壁温度与天然地温月均差曲线见图5。可知，在寒季月均差曲线随着深度的增加呈幂函数形式递减，月均差值基本处于“负温区”，表明在寒季半导体侧壁温度在0～6.0 m深度范围比天然温度低，其差值范围为-5.48～-2.21 ℃。在暖季2017年4—9月，月均差曲线分布也在“负温区”，其月均差较差值为-3.80～-0.81 ℃。

图5 半导体制冷装置侧壁温度与天然地温月均差曲线

综上所述，在寒季和暖季，半导体制冷装置温度在0～6.0 m深度范围均比天然地温低，表明半导体制冷装置起到了降温效果。

3.4 半导体与热棒月均差分析

半导体制冷装置与普通热棒的侧壁温度月均差曲线见图6。可知，在寒季从0.5～6.0 m深度范围内，月均差曲线位于“负温区”，可见半导体制冷装置较普通热棒温度低，其差值范围为-0.92～-0.13 ℃。在暖季2017年4—9月由地面至地下6.0 m深度范围内，除 2017年4月深度4.5～5.5 m的范围月均差曲线在“正温区”，其余深度范围月均差曲线均在“负温区”，其较热棒降温副值为1.16～2.06 ℃。

图6 半导体制冷装置与普通热棒的侧壁温度月均差曲线

综上所述，无论在寒季还是暖季，半导体侧壁温度较普通热棒低，其中在暖季半导体制冷装置的降温效果更为显著。

4 半导体制冷装置实际降温效果对比分析

制冷装置在试验场地实际降温效果，涉及到各地层的实际温度变化情况。由于地层温度场在不同地层、不同径向范围内，其温度变化情况有明显的相关性和规律性。为进一步分析半导体制冷装置的实际降温效果，在对2016年12月—2017年9月间的监测数据整理分析的基础上，主要针对各地层在监测时段范围内的月度最低温度和均值温度这两项“特征值”作为判定实际降温效果的“指标”。因此，有必要结合现场数据监测工作分析2种制冷装置的月度最低温度和均值温度对比情况。

4.1 最低温度对比研究

图7 最低温度对比曲线

最低温度对比曲线见图7。由图7(a)可知，天然地温和制冷装置的最低温度在0～1.0 m范围随深度增加有逐渐升高的趋势，在1.0～6.0 m深度范围曲线逐渐趋于平稳。其中半导体制冷装置在各层中的Tmin最低，均值达到-7.21 ℃，普通热棒其次，Tmin均值为-7.02 ℃，天然地温的Tmin均值达到-3.77 ℃。由图7(b)可知，半导体制冷装置与天然地温Tmin相较差在0～6.0 m深度范围内，随着深度的增加逐渐降低，由0.5 m处的-2.21 ℃逐渐降低至5.5 m处的-4.22 ℃，均值达到-3.74 ℃；普通热棒与天然地温相较差在0.5～6.0 m深度范围内，由0.5 m处的-2.08 ℃ 逐渐降低至6.0 m处的-3.53 ℃，均值达到-3.10 ℃；半导体制冷装置与普通热棒制冷最低温度相较差在0.5 m处达到最大值-0.13 ℃，在1.0 m处达到最小值-1.55 ℃，均值为-0.64 ℃。

4.2 均值温度对比分析

均值温度对比曲线见图8。由图8(a)可知，由天然地温和制冷装置的在2016年12月及2017年4—9月的均值温度随深度的增加温度逐渐降低，其中，天然地温的均值温度由地表1.45 ℃逐渐降低至5.0 m的-2.23 ℃，均值为-1.06 ℃；半导体制冷装置的均值温度由地表处的0.35 ℃，递减至5.5 m处的-3.15 ℃，均值为-2.45 ℃；普通热棒的均值温度最大值与最小值温度较差ΔT达到0.73 ℃，均值为-2.06 ℃。由图8(b)可知，半导体制冷装置与天然地温之间的均值温度较差值在0～6.0 m深度范围内，随着深度的增加先减小至1.0 m处的最小值-2.40 ℃，后逐渐递增至5.0 m 处的最大值-0.88 ℃，均值为-1.39 ℃；普通热棒与天然地温相较差变化趋势与前者相同，在1.5 m处达到最小值-1.44 ℃，在0.5 m处达到最大值-0.78 ℃，均值达到-1.0 ℃；半导体制冷装置与普通热棒制冷均值温度随着深度的增加先减小后逐渐增加，在1.0 m处达到最小值-1.04 ℃，在5.0 m处达到最大值-0.1 ℃，均值为-0.39 ℃。

图8 均值温度对比曲线

综上所述，由制冷装置和天然地温的最低温度和均值温度对比分析，半导体制冷装置这两项“特征值”均最低,热棒其次、天然地温较高。

5 结论

1)无论在暖季还是寒季，半导体制冷装置能起到降温的作用，在寒季半导体侧壁温度比天然温度低，其差值为-5.48～-2.21 ℃，在暖季差值为-3.80～-0.81 ℃；

2)无论在暖季还是寒季，半导体侧壁温度较普通热棒低，其中在寒季差值为 -0.92～-0.13 ℃，在暖季半导体制冷装置的降温效果更为显著，其差值为-2.06～-1.16 ℃；

3)从最低温度和均值温度对比分析来看，半导体制冷装置的这两项“特征值”均更低，其中最低温度较热棒低0.13～1.55 ℃；均值温度较热棒低0.1 ～1.04 ℃。

综合来看，半导体制冷装置能有效降低地层温度，减小冻融层厚度，比热棒制冷温度更低，可有效增加多年冻土区地基冷储量，且受季节温度变化干扰小，维护地基的稳定性更有效。研究成果为下一步半导体制冷装置在实体路基试验段进行现场应用奠定了理论基础，也使后续用半导体制冷装置替代热棒以维护地基热稳定成为可能。

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