季节性冻土区路基专用地源热泵供热装置研究

胡田飞，岳祖润，闫晓夏，徐丽霞

（1.石家庄铁道大学 省部共建交通工程结构力学行为与系统安全国家重点实验室，河北 石家庄 050043；2.石家庄铁道大学 土木工程学院，河北 石家庄 050043；3.中国铁道科学研究院集团有限公司 深圳研究设计院，广东 深圳 518034）

中国陆上交通线路近75%的营运里程位于季节性冻土区，近30%位于深季节性冻土区［1］。冻土区路基冻胀问题长期存在，并诱发融沉、翻浆等次生病害。路基冻胀防控方法包括物料改良法、防排水法及保温法等，但冻胀现象仍大量存在且有时难以避免［2-3］。为防治路基冻胀、路面积雪、桥面结冰及隧道冻害等各类温度效应病害，业界尝试从主动调控温度的角度解决问题［4-5］。

相比于建筑物，路基冻害分布分散，供热的关键是热源供应。常见热源包括矿物燃料、电能、太阳能及地热能等，供热方式包括液态热媒管、热管及电加热等。BOYD 等［6］设计1 个液态热媒管加热路面试验段，以天然气锅炉为热源，在冬季的供热热流密度可达530 W·m-2，流体温度可达51 ℃，但其供热范围小，需要人员长期值守。MORITA 等［7］在某高速公路施作流体加热进行路面融雪，采用3根竖向同轴套管换热器与地下土体进行换热，满载加热功率为50 kW，但深部地热能恢复性差，难以保证系统长期稳定性。徐慧宁等［8］设计太阳能-土壤源热能耦合路面试验段，地下取热深度为60 m，在极端气温达到-30 ℃时，路面温度仍维持在0 ℃以上。热管是一种高效传热元件，GAO 等［9］提出利用热管收集太阳热能并将其传输至路基表层的防冻胀方法，但冬季太阳能热流密度低，无法满足路基快速解冻的应急需求。谭忆秋等［10］设计利用热管提取地热能的路面融冰系统，解决了北京首都国际机场和大兴国际机场围场路及停机坪的道面积雪结冰问题。热管属于温差驱动的被动传热元件，为保障供热容量，热管深度往往高达数十米，工程规模较大。电加热通过电热转换的方式供给热能。LAI 等［11］设计1 种在隧道二衬外壁布设发热电缆的防冻系统，应用表明可以有效防治隧道冻胀与挂冰。ABUBAKAR 等［12］对比不同发热电缆应用于混凝土路面的使用效果，指出碳纤维发热电缆的效果较好，但电能属于高价能源，运行能耗大。由此可见，燃料锅炉、太阳能及电能用于交通构筑物存在供热范围小、供热容量低及能效比差等不足。地热能具有储量大、连续性好的优势，但其热品位低，直接采用时的工程规模过大。

热泵是一种高效节能的低品位热能提升装置，是地热能、空气能等可再生热能利用的主流手段。工程界将热泵换热段埋设于隧道、桥梁、桩基及地下连续墙等构筑物，形成能源岩土工程理念［13］。张国柱等［14］将地源热泵系统应用于某高速公路隧道衬砌冻害防控，供热温度可达20 ℃。LIU 等［15］和YU 等［16］将热泵应用于桥面融冰，供热温度可达35 ℃，但热损率在40%以上。党政等［17］在路面下方布置兼具承载和换热功能的“能源桩”，融雪除冰效果良好。然而，上述应用中热泵均采用二次换热回路，体积大、热损多、耗电量高。胡田飞［18］设计用于路基工程的直接膨胀式地源热泵装置，取消二次回路，蒸发段与冷凝段直接埋设在土层中，可以有效降低热能损失，但尚未深入研究其换热规律和运行模式优化。罗仲等［19］和LI 等［20］研究指出热泵间歇运行策略有助于改善地下传热效果和提高制热系数。

本文设计与制作1 款路基专用直接膨胀式地源热泵供热装置，对比3种不同运行模式下热泵的供热效果与运行能效，分析装置的供热温度、集热温度、换热量及制热系数4个性能指标变化规律，提出供热半径的预测方法。针对路基冻胀发生后的快速解冻抢险与冻胀发生前的预防等不同需求，以能耗性和防治冻胀有效性为双重目标，提出合理的应用建议。

1 直接膨胀式地源热泵供热装置

热泵工作原理为逆卡诺循环，主要由压缩机、冷凝器、节流器及蒸发器组成，如图1所示。热泵工作过程为蒸发器中低温低压的液态制冷剂从周围环境吸取热量并转化为气态，气态制冷剂经压缩机压缩后温度和压力上升，之后高温气态制冷剂在冷凝器释放热量，冷凝成液态，液态制冷剂通过节流器返回蒸发器，再次吸热蒸发，如此循环往复。热泵制热系数可达5.0 以上，即可以提取及供给5 倍于耗电量的热能，实质上是一种热量提升装置。

图1 热泵工作原理

地源热泵以地热能为热源，分为直接膨胀式和间接换热式。直接膨胀式热泵系统将制冷剂直接送入地埋换热管内，制冷剂通过蒸发或冷凝与土体换热。间接换热式热泵系统包括地埋换热管和地表热泵机组2 个部分，制冷剂与热媒分别在相互独立的闭合回路中运行。直接膨胀式热泵的换热温差大、制热效率高，但换热器高度过大会导致压缩机回油困难，因此供热容量小。间接换热式热泵的供热容量大，但需要附加热媒环路和溶液泵，运行能耗高、热量损失大。根据测算，沿线路方向单线铁路路基冻胀期的平均热负荷约为20 W·m-1，最大热通量约为240 W·m-1［18］，按照布设间距4～6 m估算，单台热泵最大供热功率在2 kW 以下，因此宜采用直接膨胀式热泵。

设计的路基专用直接膨胀式热泵供热装置如图2 所示，蒸发器和冷凝器为柱状螺旋盘管，使用时分别设置在稳定土层和冻胀土层，压缩机、节流器、微电脑控制器等其他部件集成固定在地表的保护箱内。微电脑控制器提供定温和定时2 种自动化运行模式。定时模式通过电源定时器实现。定温模式采用位式控制原理：设置目标温度T1和回差温度T2，当C≥T1（实测温度C）时，热泵停机；当C＜T1-T2时，热泵启动，如此循环来实现供热温度的稳定输出。

图2 直接膨胀式热泵供热装置

铁路路基冻胀主要发生在基床范围内，基床表层冻胀量占总冻胀量的平均比例超过60%，最大达到90%以上［1-3］。因此，路基供热的主要对象为基床表层。热泵蒸发器（吸热段）和冷凝器（供热段）之间设置绝热连接段，根据现场实施条件，供热段和吸热段可以同轴竖直布置（图3（a）），便于单孔快速布设；也可以异轴布置（图3（b）），换热器之间采用金属波纹软管柔性焊接，便于灵活地改变吸热段与供热段的空间相对位置和倾角，适应现场多样化需求。

图3 供热装置布置方式

2 供热装置部件选型及制作

地源热泵应用于路基工程时主要在严寒天气下运行，应以耐久性和长期稳定性为部件选型原则。压缩机是热泵的驱动核心，对于选定功率的压缩机，首先匹配相应直径和长度的蒸发器及冷凝器铜管，然后根据冻胀土层深度和稳定土层地热能分布条件，通过调节盘管螺旋间距改变蒸发器和冷凝器的整体外观尺寸，以保证地热能收集效率和供热效果。当路基存在易发性局部冻胀时，宜缩小螺旋间距，增大热流密度，满足短时快速解冻需求。当路基冻胀分布范围较大时，宜增大螺旋间距，提高换热器整体尺寸，扩大供热范围，适用于长期运行。

样机制作时，选择1 台小型全封闭式活塞压缩机，耗电率为166 W。节流器选择结构简单、性能可靠的毛细管，部件选型方案见表1。为方便试验台建设，蒸发器和冷凝器的整体高度分别为2.0 和1.0 m，绝热连接段高度为0.2 m，如图4所示。实际应用时，可以通过改变螺旋盘管间距调整蒸发器和冷凝器的整体高度，绝热连接段也可以自由伸缩。热泵装置地表外露部分占地面积0.15 m2，结构紧凑，整机质量为18.5 kg。

表1 供热装置部件选型及数量

图4 供热装置制作

3 供热性能试验及分析

3.1 试验方案

石太客专2009年开通运营后每年冬季均有路基冻害发生，2013年曾因冻害严重而限速运行。在石太客专石板山隧道西口附近填筑1个四棱形试验平台，该地历史最低气温为-19.8 ℃，最大冻深为85.0 cm。试验平台断面尺寸及温度传感器布置如图5 所示，监测断面为矩形，高和宽分别为3.2 和1.6 m，平台中心埋设供热装置，沿径向布置4排PT100温度传感器。吸热段和供热段周围土体之间布设一层隔热材料，以减小上、下土层之间的热干扰。填料为粉质黏土，热扩散系数为0.73×10-6m2·s-1，比热容为1.25 kJ·kg-1·K-1，容重16.5 kN·m-3。

图5 试验平台断面尺寸及温度传感器布置（单位：mm）

地源热泵应用于路基工程的主要目的是提供一种冻害应急抢险措施。热泵的吸热段与供热段均埋设于土体中，因此运行性能主要取决于换热器与周围土体之间的传热特性。试验方案分为连续运行和间歇运行，间歇运行模式的启停时间比（启停比）分为2 h∶1 h 和2 h∶2 h。连续运行试验时间为20171220—20171225，启停比2 h∶1 h 的试验时间为20191213—20191218，启停比2 h∶2 h的试验时间为20200125—20200130，每个工况的试验时间均为5 d。

3.2 试验结果

3.2.1 供热温度和吸热温度

供热温度和吸热温度分别指装置供热段和吸热段的管壁温度。图6—图8 分别为不同运行模式时的供热温度和吸热温度随时间变化曲线。由图可得到如下结论。

图6 连续运行时的供热温度和吸热温度

图7 启停比2 h∶1 h时的供热温度和吸热温度

图8 启停比2 h∶2 h时的供热温度和吸热温度

（1）热泵启动之后1.5 h 时达到稳定运行状态，最高供热温度可达90 ℃，最低吸热温度可达-15 ℃，管壁温度与土层温度之间差异大，可以有效完成地热能的收集。

（2）由于螺旋盘管的渐进换热过程及与压缩机距离的渐变关系，供热温度和吸热温度均沿制冷剂流动方向呈逐渐降低的规律。

（3）连续运行模式时，换热温度相对稳定，供热温度为40～90 ℃，吸热温度为-8～0 ℃（见图6）。

（4）间歇运行模式时，换热温度呈增减规律性交替变化，启停比为2 h∶1 h 和2 h∶2 h 时每天分别有8 个和6 个启停周期。由于间歇运行的散热缓冲作用，吸热温度可降低至-15 ℃以下，有利于地热能的收集效率（见图7和图8）。

图9 为热泵启动阶段蒸发器和冷凝器的温度垂向分布。由图9可知：冷凝器内制冷剂流动方向为从上至下，即供热温度由上至下逐渐减小，这一模式有利于优先向地表冻胀层供给热量；由于冷凝器顶部受地表环境影响散热较快，供热温度呈中间大、两端小的分布规律；蒸发器下端与节流器连接，因此初始启动阶段蒸发器下部首先开始制冷，而蒸发器上端与压缩机入口连接，由于压缩机抽吸效应，进入稳定运行状态后蒸发器制冷温度由下至上逐渐降低。在实际应用中，可以通过改变盘管方向调整换热模式，以满足不同的供热需求和地热能分布条件。

图9 热泵启动阶段蒸发器和冷凝器的温度垂向分布

图10 为供热装置日均供热温度和吸热温度。由图10 可知：热泵连续运行时，日均供热温度由70 ℃逐渐增大至90 ℃，供热能力强，但会导致热量在供热段周围堆积，供热温度过高时，制冷剂冷凝液化不良会影响节流蒸发效果，因此仅第1天日均吸热温度为-2.15 ℃，之后即增加至0 ℃以上，不利于地热能的收集；热泵间歇运行时，热量在热泵停止间隙继续向远处传递，有利于降低制冷剂温度；启停比为2 h∶1 h 时，供热温度范围为53～60 ℃，吸热温度范围为-6.74～-5.85 ℃，温度随运行时间仍有小幅波动；启停比为2 h∶2 h时，供热温度基本稳定在45 ℃，吸热温度稳定在-3.80 ℃，供热效果和吸热效果均劣于启动比2 h∶1 h工况。

图10 供热装置日均供热温度和吸热温度

综上，热泵在连续运行时供热温度最高，但吸热温度也随之增高，会降低地热能收集效率；而热泵启停比过低时，热泵运行时间少，换热量不足。实际应用时应根据路基冻胀程度，选择合理的启停时间比，以保证热泵的换热效果和能耗比。

3.2.2 土体温度

图11 为供热段周围土体温度随时间变化曲线。由图11 可知：不同运行模式时供热范围随时间的扩大速率基本一致，但相同位置的温度升高速率与幅度不同；连续运行模式时，距离热泵25 cm 处土层的初始温度升高率达0.74 ℃·h-1，之后逐渐减小，1～5 d 的逐日平均升温幅度分别为9.86，4.24，1.66，1.64 和0.08 ℃；启停比2 h∶1 h 时，1～5 d 的逐日平均升温幅度分别为3.98，2.74，2.62，2.70 和2.08 ℃，土层升温幅度随时间发展相对均衡；启停比2 h∶2 h 时，1～5 d 的逐日平均升温幅度分别为2.64，1.07，0.56，1.28 和0.53 ℃，均小于启停比2 h∶1 h 时的土层升温幅度。连续运行时和启停比2 h∶1 h时的最终升温值分别为17.48 和14.12 ℃，前者能耗为后者的1.5倍，而升温值仅为1.24 倍，可见热泵运行时间比例过高会降低装置供热量的有效利用率。

图11 供热段周围土体温度随时间变化曲线

图12 为吸热段周围土体温度随时间变化曲线。由图12可知：连续运行时，距离热泵25 cm土体仅1 d 降低1.67 ℃，之后转为逐日升温；启停比2 h∶1 h 时，该位置土体1～5 d 的逐日平均降温幅度分别为0.66，0.47，0.38，0.32 和0.25 ℃；启停比2 h∶2 h 时，该位置土体1～5 d 的逐日平均降温幅度分别为0.58，0.41，0.30，0.26 和0.27 ℃，降温幅度小于前者。因此，土层降温幅度与热泵吸热温度直接相关，吸热温度越低，土层温度降幅越大，地热能收集量越高。

图12 吸热段周围土体温度随时间变化曲线

此外，在试验中土体竖向降温幅度呈上下小、中间大的规律，以启停比2 h∶1 h 为例，试验1 d传感器TB2-1—TB2-6 的降温幅度分别为0.78，1.02，1.67，1.73，1.14 和0.43 ℃，与吸热温度从上至下升高的规律不符。原因在于，土层顶部受到邻近供热段土体的热干扰，因此在实际应用中应保证绝热段高度，以防止热泵吸热段和供热段周围土体之间的相互影响。

3.2.3 土体热储量变化值

根据土层温度监测结果，计算不同试验方案下热泵供热段和吸热段周围土体热储量的变化值。热储量变化值Q计算公式为

式中：V为换热范围土体体积，m3；m为土体质量，kg；c为土体比热容，kJ·kg-1·℃-1；ΔT为换热前后温差，℃。

不同运行模式下的土体热储量变化值计算结果如图13 所示。由图13 可知：供热段周围土体的热储量增大值与吸热段周围土体的热储量减小值均逐日降低，原因在于随着时间发展土体温差逐渐减小，日均传热效率与传热量随之降低；连续运行时，2～5 d 吸热段周围土体热储量为正，说明吸热温度已高于周围土体温度，无法收集地热能；间歇运行时，吸热段周围土层热储量均为负，说明热泵可以有效地吸收地热能，并向上传递至冻胀土层；启停比2 h∶1 h 时的热储量变化幅值高于启停比2 h∶2 h时，与土体温度变化规律一致。

图13 不同运行模式下土体的热储量变化值

4 供热装置的能效性特征与应用建议

4.1 制热系数

制热系数（COP）指单位功耗所获得的供热量，是评价供热装置能效性的重要指标。基于试验监测得到的蒸发器平均吸热温度、冷凝器入口和出口附近平均供热温度，通过查表确定制冷剂的比焓值，可计算不同试验条件下热泵的理论COP［21］。有效COP 指供热段周围土体热储量增大值与装置耗电量之比。

不同运行模式时的制热系数随时间发展曲线如图14所示。由图14可知：理论COP 随着启停比的减小而增大，间歇运行模式的理论COP 大于3.0。相对而言，电热源的制热系数为1.0，太阳光热和燃料热源的制热系数均小于1.0，因此地源热泵供热装置具有高能效、低能耗的优势。由于冻胀土层热量向周围环境的散失，有效COP 大部分小于1.0，且低于理论COP 值。因此，实际应用时还应结合保温方案提高供热量有效利用率。

图14 不同运行模式时的制热系数随时间发展曲线

4.2 热作用半径

热作用半径指在其范围内装置供热量被土体吸收，而热作用半径外的土体维持初始温度不变。地源热泵的热作用半径是决定其在路基沿线布设间距的关键依据。为保证热泵影响范围在预定时间内完整地覆盖冻胀段落，以免相邻热泵供热解冻范围不交圈导致路基差异变形，热泵间距一般取预定时间所对应热作用半径的2倍。

图15 为连续运行时供热段土体径向温度随时间变化曲线。由图15 可知：在热泵启动1.7，8.6和18.2 h之后，距离热泵25，50和75 cm处的土体分别开始升温，说明随时间发展热泵热作用半径在不断增大；试验结束时，上述3个位置的升温幅度分别为19.98，5.67和0.63 ℃，可见随着径向距离的增大，土体温度变化幅度逐渐减小。

图15 连续运行时供热段土体径向温度随时间变化曲线

根据参考文献［22-24］，热作用半径计算公式为

式中：a为土体热扩散系数，取0.73×10-6m2·s-1；τ为热泵运行时间，s。

图16 为热泵热作用半径随时间变化的实测值和计算值。由图16 可知：实测值与计算值基本吻合，说明公式（2）可预测热泵热作用半径随时间变化规律；根据计算结果可知，热泵启动之后初始阶段的热作用半径增大速率快，1 d和2 d热作用半径分别为0.87 和1.26 m，之后热扩散速率逐渐减小，5 d 和10 d 的热作用半径分别为2.03 和2.90 m，30 d时可达5.07 m。

图16 热作用半径的实测值与计算值

4.3 供热温度与吸热温度的相关性

热泵供热温度是决定防冻胀效果的关键，而吸热温度是影响地热能利用率和热泵能效性的关键。图17 为热泵日均供热温度与吸热温度的相关性关系。由图17 可知：吸热温度随所需供热温度的增大先减小、后增大。

图17 吸热温度与供热温度的相关性

当热泵启停比较低时，机组运行时间短，供热量不足；而启停比过高甚至连续运行时，会导致吸热温度过高、地热能收集能力变差。应合理控制热泵运行启停比，启停比为2 h∶1 h时，供热温度范围控制在50～70 ℃，对应的吸热温度低于-5 ℃，有利于达到供热有效和节能的双重目标。

4.4 应用建议

影响供热装置防冻胀效果的主要影响因素为热作用半径和土体升温幅度，取决于土体热学性质、供热时间、供热温度和供热量。因此，当用于单线铁路路基冻胀快速抢险时，热泵功率应按照最大瞬时热负荷设计，供热容量宜取1.0～2.0 kW，布设间距建议取1.5～3.0 m，首先采用启停比2 h∶1 h运行模式，然后视冻胀缓解程度，降低供热温度与运行时间。当用于冻胀预防时，热泵功率应按照平均热负荷设计，供热容量宜取0.5～1.0 kW，布设间距建议取3.0～5.0 m，根据气温变化实时调节启停比。

为保证冷凝器不被列车荷载破坏，可在冷凝器盘管外套高强度钢管，并尽量将其布设在基床表层应力工作区下部或基床底层。实际应用时，建议在路基表面施作保温措施，并应根据不同的路基型式、填料类型、冻胀程度等因素，对热泵供热容量、热作用半径及布设间距进行动态修正。

投资规模是路基供热实用化的前提。根据市场调查与样机试制过程，单套热泵装置造价约为1 500 元，按照图3（a）方案与5 m 纵向间距布置，1 km初始造价约为60.0万元。有电网供电条件下，每年每公里运行费用仅需数万元，如果偏远地区无电网供电条件，配套离网式光伏系统的成本约为80.0 万元·km-1。相比既有填料换填、人工维护等方法的支出成本，地源热泵的长期经济性更优。

5 结 论

（1）地源热泵在冬季可以主动向路基输入热量，弥补路基的过度热量损失，实现对路基冻胀的实时防控，具有时效性好和供热效率高的优势。路基专用直接膨胀式地源热泵装置的吸热段采用柱状螺旋盘管，竖直埋设在路基附近地基以高效收集地热能；供热段则可采用竖直、水平或倾斜等不同形式埋置于路基基床，装置集成化和小型化技术成熟。

（2）热泵在冬季的供热温度最高达90 ℃，吸热温度可达-15 ℃。平均供热温度随启停比的增大而升高，吸热温度随之呈先降低、后升高的规律，间歇运行模式下启停比2 h∶1 h时的换热效果最优。间歇运行模式下土体的逐日温度变化幅度相比连续运行模式更为均衡。热泵理论COP值达3.0以上，间歇运行模式的COP 高于连续运行模式。热作用半径主要受供热时间与土体热物性影响，第1 天热作用半径为0.87 m，至第5 天可增大至1.90 m。

（3）装置应用于单线铁路路基冻害抢险时，建议供热容量设计为1.0～2.0 kW，布设间距取1.5～3.0 m，启停比首先取2 h∶1 h，然后视冻胀缓解程度逐步减小启停比。