寒区路基地源热泵型供热装置运行特性及能效优化

胡田飞，张峻洋，郭 磊，孙天泽

（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.苏州轨道交通市域一号线有限公司，江苏 苏州 215000；3.长春理工大学 理学院，吉林 长春 130022）

0 引言

在寒冷与严寒气候区，岩土材料中的水分在冬季会冻结相变引起膨胀变形，导致建筑地基、交通隧道、路基、路面、水利渠道、油气管线等各类土工构筑物产生冻胀现象[1]，[2]。对于交通线路而言，路基冻胀会引起公路路面破损、铁路轨道变形超限等危害，导致线路限速运营甚至停运，需要投入大量的人力物力进行冻胀整治与抢险，造成巨大的经济损失。冻害是制约寒区交通基础设施建设与运营的主要难题之一。

传统的路基冻胀防治技术主要包括材料改良、保温隔冷、防水排水等。由于温度是引起冻胀的根本因素，传统措施无法实现对温度的主动控制，导致冻胀病害难以根除。近年来，业界尝试从主动调控温度的角度解决冻害问题，土工构筑物人工供热技术逐渐兴起。铁路、公路为长距离线性工程，冻害分布分散，热源的分散供应是关键。矿物燃料与电能的能效性差，太阳能在冬季的能流密度低。地热能的连续性好、储量大，热泵的能效性与输出稳定性可靠，因此热泵是土工构筑物供热的主流手段[3]。工程界将热泵换热段埋设于桩基、隧道、路面、地下连续墙等构筑物中，形成新兴的能源桩[4]、能源隧道[5]、能源挡墙[6]等设计理念。针对铁路、公路路基冻胀问题，胡田飞[7]提出将热泵冷凝段与蒸发段分别埋设在路基冻胀层与附近地基稳定土层中，形成“热能转化式”主动温控路基，可以有效防治冻胀。在保证路基供热防冻胀有效性的前提下，热泵的节能性和耐久性是实现路基供热长期可靠的必要条件。

运行模式是热泵换热特性的关键影响因素。董艳芳[8]和杨卫波[9]指出，与连续运行模式相比，间歇供热方式有利于地层温度恢复，提高地热能利用率。Li[10]针对建筑供暖用热泵系统，进行了每日5：00-11：00，16：00-24：00的 间 歇 运 行 试 验，结果表明，机组换热效率与供暖效果优于连续运行模式。Xu[11]以北京某办公楼为例，指出热泵间歇供暖相比连续供暖的节热率可达20%，且热惯性较大的系统节能潜力更大。Yuan[12]指出在相同运行时间内，增大热泵间歇比和地埋管间距均可提高换热效率。上述研究表明，热泵间歇运行模式能够强化地下传热过程，提高换热能力与地热能利用率，改善机组运行效率。王刚[13]和王松庆[14]指出不同间歇模式和启停时间比例对热泵运行性能也存在较大影响，但目前针对间歇运行模式时启停比取值的优化研究较少。此外，面向建筑空气调节时，热泵的吸热对象为岩土地层，供热对象为空气对流环境；而应用于路基供热时，吸热和供热对象均为岩土地层。相比空气对流环境，岩土体导热系数低，热惯性大，供热端换热效率低，必然对热泵运行特性产生影响。因此，有必要针对热泵面向路基工程时的换热特性与运行模式展开研究。

本文设计并制作一款路基专用地源热泵型供热装置，搭建模型试验平台，分别进行连续运行试验、定 时 间 歇 运 行 试 验（启 停 比1∶2，1∶1，2∶1）、定 温运 行 试 验（30，45，60，75℃），共 计3类8组 试 验。基于试验结果，分析吸热温度、供热温度、机组启停次数、制热系数等指标的变化规律，明确热泵运行模式和能效性之间的关系。以防冻胀有效性和节能性为双重目标，提出热泵运行模式的相关建议，以期为现场应用提供参考。

1 寒区路基地源热泵型供热装置

路基冻胀主要发生在基床，基床表层冻胀量占总冻胀量的平均比例超过60%。因此，路基供热的主要对象为基床表层，地源热泵向路基供热的方式为在路基附近地基钻设吸热管，在基床埋设供热管。热泵吸热管搜集地热能并提升其温度与热流密度，通过供热管将热量输送至路基基床，再通过路基内部热传导加热填料，进而防治冻胀，即为主动温控式路基，如图1所示。

图1 主动温控式路基Fig.1 Active temperature controlled embankment

热泵换热管可以采用柱状螺旋盘管或板状多U型管，螺旋盘管通过钻孔布设，实施灵活，而多U型管需要在路基施工时预先埋入。根据测算，单线铁路路基在冻胀期的最大热通量约为240W/延米，平均热负荷约为20W/延米[7]。面向路基冻胀应急抢险时，热泵换热段宜采用螺旋盘管。为满足快速解冻需求，按照布设间距4～6m估算，单台热泵最大供热功率在2kW以下，宜采用直接膨胀式换热形式，多U型管可以覆盖更大的范围，所需供热量大，宜采用间接换热形式。

2 装置运行特性试验方案

2.1 热泵装置

本文设计一款换热段同轴的直膨式热泵系统，如图2所示。

图2 路基专用地源热泵型供热装置Fig.2 Ground source heat pump type heating device for embankment

蒸发器和冷凝器分别位于稳定地层和冻胀地层，两者之间设置绝热段。压缩机、节流器等其他部件集成固定在地表保护箱内。微电脑控制器提供定温和定时两种运行模式。定温模式采用位式控制法，控制原理为设置目标温度T1和回差温度T2，实 测 温 度C，当C≥T1时，热 泵 停 机；当C＜T1-T2时，热泵启动，如此循环，实现供热温度的稳定输出。热泵制作时，选用1台166W的全封闭式活塞压缩机，理论供热功率0.8kW。为方便试验台建设，蒸发器和冷凝器的整体高度分别为2.0，1.0m，直径为90.0mm，绝热段高度为0.2m。

2.2 试验条件及监测方案

石太客专2009年开通运营后，每年冬季均有路基冻害发生，在石板山隧道附近填筑一个四棱形试验平台，该地历史最大冻结深度为0.85m。四棱台断面尺寸为高×宽=3.2m×1.6m，如图3所示。填料为粉质黏土，热扩散系数为0.73×10-6m2/s，比 热 容 为1.25kJ/（kg·℃），容 重 为16.5kN/m3。热泵埋设于四棱台中心，监测方案为在热泵管壁上布置一排PT100温度传感器，在周围土体中按照0.25m径向间距布置3排温度传感器。

图3 试验条件及现场情况Fig.3 Test conditions and site scene

2.3 热泵运行方案

地源热泵应用于路基工程的主要目的是为冻胀发生后提供应急抢险措施。本文进行3类不同模式的运行试验：①连续运行模式；②定时运行模式：预 设 固 定 启 停 时 间 比 例，包 括1∶2，1∶1和2∶1；③定温运行模式：预设固定供热温度，包括30，45，60，75℃，回 差 温 度 为5℃。共 计8组 试 验方案。为验证装置面向路基的短时解冻功能，每个方案的试验时间设置为24h。试验在冬季进行，日均气温在-5℃以下，每组试验结束后待地温恢复至原始水平，再进行下一组试验。

3 试验结果及分析

3.1 换热温度

图4为热泵在不同运行模式下供热温度与吸热温度的变化规律。

图4 不同运行模式下热泵的换热温度Fig.4 Heat exchange temperatures of the heat pump device under different operation modes

由图4（a）可知，在连续运行模式下，热泵换热段保持稳定的边界温度，最高供热温度为95.9℃，对于路基防冻胀非常有效。最低吸热温度为-8.5℃，换热温度与地层温度的差值较大，有利于地热能的收集与利用。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，冷凝器和蒸发器温度均随制冷剂流动方向呈逐渐降低的规律。在定时运行模式下，热泵处于规律性的间歇运行状态。在1∶1定时间歇运行模式下，最高供热温度也可达到95.5℃。由于间歇运行的散热缓冲作用，吸热温度可低至-10.9℃，有利于地热能的收集效率，如图4（b）所示。而在定温运行模式下，换热温度变化范围小，但启停次数多，时间间隔呈随机 特 征，如 图4（c）所 示。

图5为热泵平均换热温度的变化规律。

图5 热泵平均换热温度Fig.5 Average heat exchange temperatures of the heat pump device

由图5可知，在连续运行模式下，热泵可以保持70～80℃的平均供热温度。在定时运行模式下，换热温度呈规律性交替增减变化，进入正常运行状 态 后，1∶2，1∶1，2∶1模 式 的 供 热 温 度 分 别 为14.46～66.01℃，16.13～72.45℃，26.01～72.60℃，即供热温度随启停比的增大而提高。在定温运行模式 下，预 设 温 度 为30，45，60，75℃时，热 泵 的 平 均供 热 温 度 分 别 为16.80～30.69℃，28.61～41.78℃，34.40～50.89℃，46.29～63.45℃。可 见 平 均 供 热 温度低于预设温度，同时波动幅值低于定时运行模式。土体的热容大、热惰性强，温度保持在0℃以上即可消除冻胀，对于正温敏感性低，因此供热温度波动幅值对于防冻胀效果影响不大。

在 定 时 运 行 模 式 下，启 停 比 为1∶2，1∶1，2∶1时，试验期间分别出现8，6，8个启停周期。而在定温 模 式 下，预 设 温 度 为30，45，60，75℃时，试 验 期间分别出现30，31，28，21个启停周期。由于热泵压缩机为电感元件，启动电流可达正常工作电流的5倍以上，启停次数过多，一方面会耗费更多的电能；另一方面，电感线圈长时间过电流运行，不利于热泵的长期使用。因此，热泵面向路基供热防冻胀时，从供热防冻胀效果和热泵能耗及运行寿命角度出发，建议采取定时间歇运行模式。

图6为不同运行模式下热泵日均换热温度。

图6 不同运行模式下热泵日均换热温度Fig.6 Average daily heat exchange temperatures of the heat pump device under different operation modes

由图6可知，在定时运行模式下，随着启停比例的增大，供热温度逐步增大，供热能力提升；吸热温度逐渐减小，地热能收集效率提高。在连续运行模式下，吸热温度仅为-2.44℃，地热能收集能力不如间歇运行模式。此外，在定温模式下，随着预设温度的提升，吸热温度也随之增大。这是因为当热泵运行时间过长时，热量无法及时向地层远处传递，热量堆积在供热段周围，导致制冷剂冷凝液化不良，进而引起循环温度增高，影响节流蒸发效果。而启停比过低时，机组运行时间不足，也不利于供热和吸热效果。

根据试验结果，统计热泵定时运行模式下平均供热温度与吸热温度的相关关系，如图7所示。由图可以看出，随着供热温度的升高，吸热温度呈先降低、后升高的规律。启停比过低时，机组运行时间短，换热效率高，但供热量不足；而当热泵启停比过高甚至连续运行时，制冷剂循环整体温度水平高，导致吸热温度过高，地热能搜集能力变差。热泵启停比为2∶1时，供热温度为50～70℃，对应的吸热温度显著低于其他模式，换热效果最优，有利于达到防冻有效性和节能性的双重目标。

图7 热泵供热温度与吸热温度的相关性Fig.7 Correlation between heating temperatures and heat-absorbing temperatures of the heat pump device

3.2 土体温度

图8为热泵定温运行模式（30℃）下土体温度场分布特征。

图8 试验平台温度场的变化Fig.8 Variation of temperature field of the test platform

由图8可知，土体在热泵供热段周围形成近似椭圆形的升温区，供热效果由中心向外扩散，形成显著的柱状热源，负温冻胀区域逐渐消除。同时，在集热段地层形成近似梯形的降温区域，0℃等温线逐步向外侧移动，吸热效应明显。其他运行模式下土体温度场的变化规律与30℃定温运行模式的类似，供热温度越高，土体增温幅度越大。因此，该装置可以主动地将稳定地层热量传递至上部冻胀地层，控制路基的热量收支和温度变化。

根据土体温度的监测结果，计算连续运行和定时运行模式下热泵的有效供热量，结果如图9所示。由图可以看出，随着启停比的增大，供热温度逐渐提高，热泵有效供热量也随之增大。启停比为1∶2，1∶1，2∶1时，有 效 供 热 量 分 别 为5.90，8.63，12.60MJ，但有效供热量增大幅度随启停比的增大而减小。这是因为随着热泵运行时间的增大，土体的温度逐渐升高，土体热阻变大，温差驱动作用下传热效率会逐渐减小。因此，在实际应用中，应合理控制热泵的运行时间，以防热泵供热量堆积损耗。

图9 定时运行模式下热泵的有效供热量Fig.9 Effective heat supply capacity of the heat pump device under timer operation mode

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。热作用半径指在其范围内热泵供热量被土体吸收，而热作用半径外的土体维持初始温度不变。为保证热泵影响范围在预定时间内完整地覆盖冻胀段落，热泵间距一般取预定时间所对应热作用半径的2倍。图10为热泵供热段周围土体的温度变化规律。由图10（a）可知，在不同运行模式下，竖直埋深35cm、水平距离热泵25cm处的土体均在第2小时左右开始升温。试 验 结 束 时，热 泵 启 停 比1∶2，1∶1，2∶1和 连 续 运 行时，该 位 置 的 温 度 分 别 升 高2.35，3.06，6.26，11.07℃，启停比越大，土体升温幅度越大。由图10（b）可知，在连续运行模式下，热泵启动8.6，18.2h之后，竖直埋深35cm、水平距离热泵50cm，75cm处土体也分别开始升温。

图10 水平方向上热泵供热段不同距离处土体温度变化Fig.10 Variation of soil temperature at different distances from the heating section of heat pump device in the horizontal direction

热泵换热特性受到热源温度、运行时间、土体温度及热物性等因素的影响。根据试验结果，热作用半径主要取决于供热时间与土体热物性，热源温度或启停比对其影响不显著[15]。而土体升温幅度主要取决于热源温度和供热量[16]。上述试验规律与既有试验结果一致[17]。

根据线热源传热理论，热作用半径Rc的预测计算式为[16]

式中：Ks和Kb分别为土体和换热段半径修正系数；r为 常 数；a为 热 扩 散 系 数，m2/s；τ为 时 间，s。

根据试验监测结果，拟合得到热作用半径随时间的扩大规律，如图11所示。

图11 热作用半径的计算值与实测值Fig.11 Calculated values and measured values of thermal influencing radius

由图11可以看出，实测值与预测值吻合，初始阶段的热作用半径扩大速率快，第24小时和48小时热作用半径分别为0.87，1.21m，之后热扩散速率逐渐减小，第120小时热作用半径为1.90 m。实际应用时，应根据不同的路基填料类型、冻胀程度、换热段布设方案等因素，合理设计热泵供热容量，并对热作用半径及布设间距进行动态修正。

3.3 制热系数

制热系数（COP）是热泵能效性的重要评价指标，指单位功耗所获得的供热量。基于平均蒸发温度、冷凝器入口和出口附近平均温度，通过查表确定制冷剂（R600a）循环过程中不同特征节点的比焓值，计算热泵的理论COP，如图12所示。

图12 定时运行模式下热泵COPFig.12 COP of the heat pump device under timer operation modes

在定温运行模式下，当供热温度预设值依次为30，45，60，75℃时，理 论COP分 别 为6.58，4.56，3.68，2.81，即理论COP随着供热温度的增大而减小，原因在于冷凝温度越高，制冷剂在冷凝器中的冷凝压力越大，引起压缩机排气压力增大，进而引起压缩机轴功提高。在定时运行模式下，当启 停 比 为1∶2，1∶1，2∶1和 连 续 运 行 时，理 论COP分 别 为3.67，3.19，3.08，2.86，即 随 着 启 停 比 的 增大，COP也逐渐减小，原因在于热泵运行时间比例越大，换热段与紧邻土体的温差越小，不利于热量的收集与转化。具体而言，供热段周围热量堆积，无法及时向远处传递，引起冷凝散热效果不良，进而导致蒸发温度升高，降低地热能收集效率；而集热段周围土体温度下降，地热能流密度下降，则会引起蒸发集热效果不良，远处的地热能无法被及时高效地利用。因此，实际应用时应优先采用间歇运行模式，合理控制热泵运行时间，以防换热段周围热能堆积，影响换热效率。

热泵COP在不同试验条件下均大于2.5，且可以通过调节运行模式进行能效优化。相比而言，燃料热源需要配套锅炉与热力管网，投资规模大，且COP小于1.0；电能为高价能源，电热的COP为1.0；太阳能的能流密度低，供热功率小，输出稳定性差[18]。因此，地源热泵具有高能效、低能耗、可靠性好、长期经济效益好的优势。

在输出相同的供热温度时，定时运行模式的COP大于定温运行模式。原因在于，定温运行模式时热泵启停周期时间短、次数多，一方面，压缩机作为电感元件，频繁启动导致平均工作电流大，耗能多；另一方面，制冷剂无法进入稳定的蒸发-压缩-冷凝-节流-蒸发循环过程，影响换热效率。

供热段周围土体热储量增大值与热泵耗电量之比为有效COP。由图12可以看出，有效COP显著低于理论COP，基本小于1.0。这是由于在热泵供热作用下，地层温度升高，由于自然温差传热的自发性，热量会向周围环境散失，而且土体温度越高，热量散失速率越快。因此在实际应用中，建议在路基表面施作保温措施，与热泵形成复合热防护方案。

4 装置能效优化建议

寒区路基工程在建设阶段的防冻措施应以填料改良、防排水和保温等传统措施为主，热泵的优势是冻胀后的应急抢险，主要面向冻害概率高或运营期才出现的冻害工点。热泵以一定间隔布置在路基沿线，可以匹配离网式新能源发电系统分散地“孤岛”运行，如图13所示。

图13 现场布设方案示意Fig.13 Diagram of site layout scheme

热泵集热段采用立柱螺旋盘管型式，根据地热能分布条件确定集热段高度，并与路基保持足够距离，以防次生影响。供热段采用螺旋盘管时，可以采用水平、倾斜或竖直等不同形式布置在冻胀层；采用多U型管时，根据冻深确定埋置深度，并应保证结构强度足够大，以防被列车荷载破坏。

热泵布设间距D越小，加热解冻所需时间越短，且有助于预防局部解冻不及时导致的不均匀变形现象。当面向路基冻胀短期快速抢险时，热泵间距D宜取1.5～3.0m，热泵功率按照最大瞬时热负荷设计，供热容量宜取1.0～2.0kW。当面向冻胀预防时，布设间距D建议取3.0～5.0m，热泵功率按照平均热负荷设计，供热容量宜取0.5～1.0kW。装置可以预设自动化运行模式，不需要频繁维护，维修成本低。因此，地源热泵供热方法除具有有效性和抢险功能之外，相比常规措施还具有一定经济优势。

热泵宜优先采用定时运行模式，仅在需要控制供热温度水平或温度过高会导致路基填料性能发生不利变化时采用定温运行模式。同时，应根据路基冻胀程度，选择合理的启停时间比例，以保证系统换热效果和能耗比。

5 结论

为解决寒冷与严寒气候区铁路、公路路基面临的冬季冻胀病害问题，本文提出一种基于地源热泵技术的路基专用供热装置，并针对该装置进行供热性能测试。根据试验结果研究热泵在不同运行模式下换热温度及制热系数的变化情况。

①寒区路基防冻胀的一个新途径为采用地源热泵技术，将地基稳定层的地热能收集、转化、输送至路基冻胀地层，实现对路基温度的主动控制。根据实施时机和路基供热需求的不同，换热管可以采用柱状螺旋盘管或多U型管，换热形式采用直接膨胀式或间接换热式。

②路基用地源热泵在冬季连续运行时的最高供热温度可达95.9℃，最低吸热温度为-8.5℃。定温运行模式的启停次数多，换热效果和能效性不如定时运行模式。热泵启停比过低时供热量不足，而启停比过高时能效性差。启停比为2∶1时，供热温度为50～70℃，吸热温度显著低于其他模式，换热效果最优。热泵运行1d的热作用半径为0.87m，土体升温幅度随启停比的增大而增大。热泵有效COP低于理论值，建议在路基表面施作保温措施，与热泵形成复合热防护方案。

③面向单线铁路路基冻胀抢险时，热泵间距建 议 取1.5～3.0m，供 热 功 率 取1.0～2.0kW；面 向冻胀预防时，布设间距建议取3.0～5.0m，供热功率取0.5～1.0kW。热泵优先选择定时间歇运行模式，启停比建议取2∶1，实际应用时应根据天气条件与路基冻胀程度动态地调节运行时间比例。