《路基冻胀的地源热泵装置的设计与试验分析》-工学论文，工程论文-论文范文参考-科学狗论文网

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路基冻胀的地源热泵装置的设计与试验分析

范文

黄峰

摘要：为有效应对冻土区路基冻胀范围较宽广的现实问题，需要对传统防冻措施加以改进，对路基工程、供热工程学科予以综合分析后，作出将地源热泵技术用于路基工程建设领域中的提议。规划设计了专用型地源热泵装置，该装置具有独立的制热单元。对供热试验进行分析，发现该装置的供热温度高于50℃，集热温度低于-8℃，有效供热半径大于1.41m。设计出的地源热泵装置用于路基冻胀领域中，表现出较明显的优越性，值得推广。

关键词：冻土;路基工程;冻胀;地源热泵;装置设计;试验分析

Abstract： In order to effectively deal with the wide range of subgrade frost heave in permafrost area， it is necessary to improve the traditional anti-freezing measures. Based on the comprehensive analysis of subgrade engineering and heating engineering， it is proposed to use the ground source heat pump technology in the field of subgrade engineering construction. A special ground source heat pump is designed， which has an independent heating unit. It is found that the heating temperature of the device is higher than 50℃， the collecting temperature is lower than -8℃， and the effective heating radius is greater than 1.41m. The designed ground source heat pump device has obvious advantages in the field of subgrade frost heave and is worth popularizing.

Key words： frozen soil;subgrade engineering;frost heave;ground source heat pump;device design;test analysis

0? 引言

中國国土辽阔，季节性冻土区分布较为广泛，在该特殊区域中冬季冻胀是路基工程的常见病害。路基冻胀其实就是在温度、荷载等诸多因素的作用下，土内水分发生相变和迁移过程、为降低降低路基工程冻胀的风险，延长其使用年限并保证车辆行驶过程的安全性，应采用适宜方法使路基温度在寒冷冬季不低于填料冻结冰点。热泵的原理是使用少许电能提升自然界低品位能源并将其转型为高品位热能的装置，地源热泵在运行期间热能来源是地表浅层地热能，用于路基工程施工阶段体现出较好效能。

1? 传统防冻胀措施及缺点分析

1.1 换填法? 等同于利用换填手段，用冻胀性路基土将非冻胀土取而代之。粗粒土，砂砾、中粗砂等是常用的非冻胀材料，排水性能较好，可以较快捷的排出渗至路基内的水分，进而减轻冻胀程度。但该种方法多用于非冻胀土较充足的区域，若远距离运输物料则会明显增加成本。

1.2 保温法? 即设置保温隔热层，利用提升热阻指标的形式去削弱冻结深度，最终减轻冻胀。保温法在经济性、隔热效果及工艺便捷性方面占据优势。但路基工程内使用保温材料后，伴随时间推移，材料经常被虫蛀，削弱了自身的防渗性能，并且在地下水浸润下，材料的导热系数会增加，降低使用效果[1]。

1.3 人工盐渍化法? 这种防冻手段就是利用人工手段，把适量可溶盐注入土体中，借此方式去降低土体的冻结温度，实现预防或减少冻胀情况。该种方法应用期间虽投入的资金不多、技术含量不高、施工流程较简易，但关于可溶盐投入量是一个技术性难题。若投用量过多，则将会促进土体冻缩过程，增加路基工程表面裂缝的发生率。

2? 地源热泵装置的设计

2.1 结构型使设计? 路基工程专用的膨胀式地源热泵装置运行期间的热源取自路基下稳定地层内储有的地热能，通过直接膨胀、压缩及冷却凝结制冷剂的形式，搜索、采集热能，在将其品质提升至一定高度后予以释放。工作流程可以做出如下表述[2]：①集热段中储有的液态制冷剂吸热后，历经蒸发过程转变为低温低压蒸气，以气化吸热效应为支撑经稳定地层中采集到品质相对较低的热能;②压缩机运行期间会吸收集热段形成的蒸气，对其行压缩处理后产出高温高压气体，以上过程有益于优化热能的品质;③在供热段对②获得气体进行冷凝、液化处理，将其作为热量来源朝向管体周边土体提供热能;④毛细管对高压液体进行减压后，会被再次整合至集热段，制热循环。历经以上运作过程后，促进了深部底层与冻胀地层的热量的互换过程。

2.2 零部件介绍

①供热段：为功能性部件，深埋在冻胀地层。作用是对始源于压缩机的气态制冷剂进行液化处理，把品质较优良的热能释放到冻胀地层。②集热段：被埋置在路基深部的稳定地层，作用是直接收集地层内低品质的地热能。③压缩机：被安置在路基地表，利于电动机械做功，对制冷剂蒸气进行压缩，使其转变为高温高压气体，提高热量品质。④毛细管：负责调控制冷剂气液两相循环期间的压力、流量指标，促使液态制冷剂顺利被整合至集热段。⑤干燥过滤器：功能以过滤、净化为主，规避水分及污物进入至压缩机或在低温严寒气候中结冰而填塞通道。⑥钢制支座：增强装置的综合稳定性。⑦PPR管：负责调控集热段、供热段螺旋盘各自的高程与内径。⑧控制器：调节装置的启用、停运状态。⑨制冷剂：以可逆行的气—液相变为支撑，收集与迁徙地热能。⑩电源：可利用太阳能或者风能发电系统，为压缩机正常运行提供电力。

2.3 设计与制作装置

把集热段、供热段的高度分别设计为2.0m、1.0m，具体步骤如下[3]：

步骤I：区一根长度为3.0m的PPR管，将其制作成换热段基管，选取长度不一的Φ6 铜管环绕在PPR管表层，最后制得螺旋型盘管;

步骤II：对拉螺杆，衔接换热段顶0.1m 与钢制支座下端，并予以稳固处理;下部固定连接;

步骤III：借用锚栓强化压缩机在钢制支座上的稳固性;

步骤IV：利用气焊技术，把集热段、压缩机、供热段等设施的出入口衔接在一起;

步骤V：依照相关规范要求，安设控制器好后，将其和压缩机电气衔接在一起;

步骤VI：利用真空泵抽吸装置内储有的真空，装入适量制冷剂（R600a）;

步骤VII：推行实用化处理方法，加强换热段、地表构件的维护处理，将其被侵蚀、磨损的概率降至最低水平。

3? 试验研究及分析

3.1 确定具体试验方案? 本次研究中将试验场地选定在冬季月平均气温-2.5℃、最低气温-19.9℃、既往冻结深度最大值为0.86m的区段。试验具体方案如下：先于路基上挖掘矩形基坑（坑深为1.0m），将地源热泵与温度传感器安放其中，随即回填基坑;把热泵装置设作为中心点后，于地面上构建一个四棱台（高程2.0m、底边长3.0m、顶边长1.6m）。温度监测系统的作用是监测换热段以及周边土温变化期间所遵循的规律，监测位点规划的个数为2个。试验设计见图1。

3.2 统计试验结果并作出解读? ①装置的工作属性分析：在试验早期，供热段温度快速上升，装置运行增速，供热温度范畴是50～100℃。伴随气候温度的改变，装置供热温度有一定波幅，但综合分析供热性能较稳定。在试验早期，集热段温度表现出先减后增趋势，温度最低時可能会低于-8℃，对促进路基稳定层吸热过程贡献率较高。针对集热段温度上升的原因进行分析，认为是在装置供热运行状态中，受供热段周边土体温度驱动后自身温度也有上升。②四棱台土体温度的改变：经观察后发现供热段周边土体温度由连续上升的态势，气候条件是表层土体温度改变程度大小的主要因素。四棱台土体冻结范畴有逐渐减缩趋势，提示装置供热效果优良。集热段周遭土体温度改变呈现出先减、后增、再减的规律。对以上情况形成的原因进行剖析，认为主要是由于试验早期，供热段与周遭土体温差指标存在较大悬殊，造成换热量偏高，进而诱导了集热段制冷温度降低的过程，有益于提升对地热能的采集效率，促进周遭土体温度缓缓降低的过程。伴随供热段周边土温上升，传热效率会有不同差点降低，以致制冷剂整体循环温度上升，且远处储存的地热能也会有一定转移、补充，在多种因素的作用下诱导集热段周边土温于试验中期形成大幅度增加的情况。在试验后期，因为气候温度偏低，以致表层土体承载的热负荷有不同差点增加，因为集热段温度降低诱导了周边土温再次跌落的过程。

对四棱台土体温度在竖直方向上的分布特点予以分析。发现供热段周遭土温有逐渐上升的趋向，而集热段周边土温不断降低，这提示该热泵装置促进了地热能经由下部稳定地层转移至冻胀地层的过程（图2）。

③装置的有效供热半径：以试验数据为支撑，模拟该装置的供热半径，把0℃设作为有效供热界限的温度指标。试验结束后发现，土体监测位点TA2-4、TA3-4、TA4-4每天对应的温度均值依次是16.83℃、7.03℃、2.82℃。TA4-4这一监测位点日均对应的供热温度时75.92℃。分析拟合结果后发现，见图3，可以使用指数函数去解读、描述数据点曲线图，经测算后得出有效供热半径是1.41m。因为土体传热过程表现出一定滞后性特征，外加四棱台表层保温性能偏差，故而拟合后计算的数值会低于实际值。这就提示在热泵装置用于路基工程中，可以将布置间距设定在2.82m以上。

4? 结束语

针对在寒冷区域中建设的路基工程，为应对冻胀问题，可以采用把外界热源输入到路基深部的方法，动态式补偿热量大量损失过程，力争使路基填料温度高于冻结冰点，这是减轻或接触冻胀问题的有效方法之一。本文还设计了一种路基专用型地源热泵装置，供热试验表明，该装置的供热温度高于50℃，集热温度低于-8℃，有效供热半径大于1.41m。设计出的地源热泵装置用于路基冻胀领域中，表现出较好的技术优质，值得推广。

参考文献：

[1]陈正顺，余跃进.混合式地源热泵夏季运行的试验研究[J].流体机械，2015，43（06）：55，66-68.

[2]曾光，马爽，刘若阳.地埋管地源热泵冷热联供方案的设计与技术经济分析[J].区域供热，2018，47（05）：65-70.

[3]杨志鹏，张峰，梁军，等.含热泵和储能的冷热电联供型微网经济运行[J].电网技术，2018，42（06）：1735-1743.

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