机械式制冷热管对多年冻土的制冷效果研究

赵永虎，崔 雍，米维军，韩龙武，熊治文

(1.中铁西北科学研究院有限公司，兰州 730000；2.中铁科学研究院有限公司，成都 610032)

路基防护技术是多年冻土区铁路、公路等重大工程建设的重要研究方面，随着共玉高速公路、青藏高速公路那(区)拉(萨)段、省道308线公路等项目的快速实施，研发高效、绿色、环保、主动防护多年冻土热稳定技术成为研究的热点和难点。应用于青藏铁路、青藏公路路基防护技术主要有重力式热管(以下简称“热管”)、通风管、碎石护坡、遮阳板、旱桥等，由于其具有“主动降温、冷却地基”等特性，对解决多年冻土区路基病害、保持路基稳定起到了重要作用[1，2]。热管因传热能力大、使用寿命长而广泛应用于多年冻土区铁路、公路、隧道进出口、输电线路塔基等路基和基础的冷却防护中，仅在青藏铁路格拉段采用热管防护路基的长度达32 km[3]。刘锟等研究了热管在多年冻土区隧道洞口浅埋段的应用效果，发现热管群可以显著降低隧道洞口围岩温度，提高了围岩强度，可以有效解决冻土区隧道围岩的冻融破坏问题[4]。李永强等研究了管径大小、蒸发段长度、埋设方式等因素对热管产冷量及降温效果的影响[5]。温智等分析了保温板-热管组合式结构对多年冻土路基的冷却效果，发现组合式结构可以发挥各自优势，能够更好地保护多年冻土[6]。樊凯等对发卡式热管-隔热层复合路基的作用机理、结构设计等进行了研究，并首次提出了发卡式热管的结构设计和施工工艺[7]。冯振刚采用室内模拟试验对甲醇、甲苯、水等不同工质的热管对沥青混合料车辙试验试件降温效果进行了研究，并采用数值仿真分析了不同工质热管对沥青路面的降温机理[8]。刘伟博等对热管在多年冻土区机场跑道中的应用现状进行了总结[9]。汪双杰等基于能量平衡理论，从时间和空间维度对多年冻土区公路工程热管路基的能量调节过程及其效果进行了分析[10]。侯彦东等对青藏铁路高温冻土区普通路基和碎石护坡-热管复合补强措施的路基温度场的变化特征进行了研究[11]。徐安花[12]、房建宏等[13]采用数值仿真技术，对214线共和—玉树高速公路普通路基、热管路基和热管保温板复合结构路基在全球气候变暖背景条件下的地温场特征进行了研究。梁恒祥等[14]对半导体热管的可行性进行了现场试验研究。曹彦国等[15]对热管技术和地源热泵技术联合应用于寒区隧道冻害防治进行了探索研究。

然而由于热管特殊的工作原理和工作条件，只能在寒季将地基内的热量传出地表，但在需要制冷的暖季几乎停止工作或工效很低，难以将土体内的热量传至周围空气环境中，工作时间和效率方面受季节性的影响很大[16]，而暖季又是路基出现融沉、翻浆等病害的季节，因此，如何将热管进行简单改造或与其他技术联合，使得热管在暖季也能正常运行，将对保护多年冻土路基、防治冻土路基融沉病害、保护高原环境等具有重要的意义[17]。

课题组从维护多年冻土地基稳定、改善普通热管制冷效果的角度出发，研制了基于太阳能和风能技术的新型机械式制冷装置即机械式制冷热管，形成了相应的专利技术[18-19]，并在多年冻土区风火山试验研究基地对其应用效果进行了现场试验，本文重点对机械式制冷热管的工作原理及其第一循环年度周期的制冷效果进行分析，以便为多年冻土区路基防护新技术研究和探索提供新的方向，并为青藏铁路、青藏高速公路等高寒区重大工程建设中路基防护措施选择提供借鉴和参考。

1 机械式制冷热管工作原理

1.1 热管工作原理

热管，又称热棒、热虹吸管等，是气液两相对流循环系统中热传输效率很高的一种无源冷却装置，其下端为蒸发段(吸热段)，上端为冷凝段(放热段)，在两段中间为绝热段(图1)，管内一般注入低沸点工质(如液氨等)。在寒冷季节，由于多年冻土温度高于空气温度，即蒸发段温度高于冷凝段温度时，蒸发器中的液体工质吸收周围土体中的热量而变成气体蒸发上升至冷凝段，与温度较低的冷凝段侧壁接触，通过散热片将热量散发到空气中。蒸汽工质在冷凝段遇冷后形成液体工质，在重力作用下，液体工质沿热管侧壁回流至蒸发段，在温差作用下继续蒸发，如是循环，将土体中的热量源源不断地传递到空气中，确保了土体的热平衡与热稳定。而在暖季，由于多年冻土温度低于空气温度，即蒸发段温度低于冷凝段温度时，液体工质蒸发后形成的蒸汽到达冷凝段后不能冷凝，热管内气液两相达到平衡，液体停止蒸发，导致热管停止工作，大气环境中的热量不能通过热管传递至土体中，间接保护了多年冻土[3，5]。

图1 普通热管工作原理

在暖季，外界环境中的热量多以表面土体直接吸收的方式传递到活动层中，并向多年冻土层逐步深入，使多年冻土上限深度逐渐降低，增加了活动层的厚度，显然，这与保护多年冻土的原则是相违背的，因此，普通热管在暖季低效工作或几乎不工作的缺点，需要采用其他方式进行改善和优化。

1.2 机械式制冷热管工作原理

机械式制冷热管主要分为蒸发段、暖季冷暖段、寒季冷凝段3部分(图2)，即比普通热管多了暖季冷暖段，在地面以上的绝热段加了机械式制冷设备，将该段在暖季强制制冷，使热管内部形成温度差，即ΔT3<ΔT1，从而导致液体工质从蒸发段向热管顶部蒸发，并在暖季冷暖段冷凝后回流至热管底部，如是循环，将土体中的热量源源不断地传递到空气中，并用太阳能、风能或电能给制冷机组提供动力，保证机械式制冷热管在暖季能正常循环工作[18-19]。

与普通热管相比，机械式制冷热管不仅在冬季发挥普通热管的功效，而且在暖季也能连续工作，将多年冻土层内的热量传递至大气环境中，因此，弥补了普通热管在暖季不工作或低效的缺陷，可以更好地确保多年冻土层的热稳定性。

图2 机械式制冷热管原理示意

2 机械式制冷热管现场试验概述

2.1 试验场地工程地质条件

机械式制冷热管现场试验选择在青藏高原中铁西北科学研究院风火山冻土定位观测站，位于风火山北麓，介于昆仑山与唐古拉山之间，北纬34°43′，东经92°52′，研究基站海拔约4 780 m。青藏铁路从站后约1 km处通过。该地区为高寒气候区，年平均地面温度约为-2.4 ℃；风火山观测站2010～2015年的平均风速为4.1 m/s，2016年平均风速为3.9 m/s。年平均地温由1978年的-2.3 ℃升高到2016年的-1.30 ℃，平均升温速率为0.032 ℃/a，冻土类型由低温稳定多年冻土变为低温基本稳定多年冻土[20]。

风火山地区的地层主要为砂岩、泥岩、砂砾土、角砾土、黏土等，试验场地表层0～0.3 m为黏土，含水率约为30%；0.3～6.5 m为砂砾石土层，6.5 m及以下为砂岩、泥岩互层。多年冻土上限埋深为1.3～2.5 m，多年冻土层的体积含冰量为10%～25%[20]。

2.2 现场布设及数据采集方式

现场试验中，共采用了2组机械式制冷热管进行平行对比，编号为NMCT-1和NMCT-2、天然地温监测孔(TRDW)和普通热管(PTRG)孔各1组，水平间距均为5 m(图3)，埋设深度均为6 m。机械式制冷热管侧壁、普通热管侧壁和天然孔内均安装有温度测试元件，各测点沿深度方向的距离为0.5 m，总长度为6.0 m，从地表至钻孔底部共计13个测点。

图3 风火山试验场地试验装置平面布置(单位：m)

温度测试元器件各测点的工作频率为6组/月，每组温度采集频率为1次/h，即在24 h内采集24次。为使温度变化具有准确性，每组数据24次采集完成后，取日均值，每月6组数据采集完成后，则取月均值进行效果分析，对比发现编号为NMCT-2的制冷装置月均地温略低于编号为NMCT-1的制冷装置月均地温，因此，采用编号为NMCT-2的制冷装置月均地温数据，进行埋设装置后的第一年度循环周期内的现场试验效果分析。

3 机械式制冷热管试验效果分析

3.1 月均温度分析

图4分别为天然地温、普通热管和机械式制冷热管侧壁月均温度变化曲线，从图4可以看出，随着深度的增加，天然地温、普通热管和机械式制冷热管侧壁温度大部分呈幂函数变化，个别月份变化趋势比较零散，整体来看，活动层范围内土体温度变化比较紊乱，这是受地表环境温度的影响造成的，而在多年冻土上限深度2.0 m以下范围内的土体温度基本上比较稳定，只是随月份呈现较小波动。

从图4(a)可以看出，在寒季(11月份～次年5月份)，从地表至2.0 m深度范围内的地温变化范围为-0.06～-5.13 ℃，均值为-2.10 ℃；2.0 m深度以下范围土体的地温变化为-3.17～-0.04 ℃，均值为-2.02 ℃。在暖季(6月份～10月份)，2.0 m深度以上土体温度变化为6.34～-1.37 ℃，均值为2.04 ℃；2.0～6.0 m之间多年冻土层的温度在-2.38～-0.19 ℃之间变化，均值为-1.50 ℃。

图4 月均温度变化曲线

从图4(b)、图4(c)可以看出，在寒季，普通热管和机械式制冷热管侧壁温度在2.0 m以上变化范围分别为-7.21～-1.33 ℃、-9.70～-1.71 ℃，平均为-3.46 ℃、-4.64 ℃；2.0～6.0 m以下地温变化范围分别为-6.54～-2.40 ℃、-9.56～-3.37 ℃，平均为-3.82 ℃、-5.13 ℃。而在暖季，普通热管和机械式制冷热管侧壁温度在2.0 m以上变化范围分别为-1.71～5.06 ℃、-1.93～5.09 ℃，平均为0.86 ℃、0.51 ℃；2.0 m以下变化范围分别为-2.49～-0.55 ℃、-2.86～-0.67 ℃，平均为-1.75 ℃、-2.04 ℃。在一整年循环周期内，普通热管和机械式制冷热管的月均温度分别在活动层中为-1.06 ℃、-1.78 ℃，在多年冻土层2.0～6.0 m中为-2.67 ℃、-3.41 ℃。

从上述分析得知，在活动层0～2.0 m范围内，机械式制冷热管侧壁温度比普通热管侧壁温度在寒季和暖季均分别低1.18 ℃、0.35 ℃；在多年冻土层2.0～6.0 m范围中，机械式制冷热管侧壁温度比普通热管侧壁温度在寒季和暖季均分别低1.31 ℃、0.29 ℃。因此，无论是在寒季还是暖季，在相同月份、同一深度处，机械式制冷热管侧壁月均温度比普通热管侧壁月均温度在活动层和多年冻土层中均低很多，普通热管侧壁温度比天然地温略低，因此，在相同条件下，机械式制冷热管对多年冻土层的制冷效果比普通热管制冷效果更佳。

3.2 月均温差分析

图5分别为普通热管和机械式制冷热管侧壁温度与天然地温三者的月均温差变化曲线。

图5 不同条件下月均温差变化曲线

从图5(a)看出，普通热管与天然地温之间的温差存在较大差异，从地表到3.0 m深度范围内，普通热管与天然地温之间的温差为-1.91～2.42 ℃，平均为0.34 ℃，说明在地表到3.0 m深度范围内普通热管侧壁月均温度与天然地温比较接近。3.0 m以下深度普通热管侧壁月均温度与天然地温差异性较大，二者温差范围为-11.44～5.82 ℃，平均为-1.43 ℃，说明3.0 m以下深度普通热管侧壁月均温度比天然地温低得多。

从图5(b)看出，机械式制冷热管与天然地温的温差最大出现在12月份，其次为11月份，温差随深度近似呈“S”形曲线变化，其余月份二者温差比较接近。在12月份和11月份，二者温差分别在-7.99～-4.57 ℃、-4.12～-2.30 ℃之间变化，平均为-6.49 ℃、-3.20 ℃。4月份～10月份二者温差在深度2.5 m以上波动较大，变化范围为-2.90～-0.30 ℃，平均为-1.24 ℃；而在2.5 m以下基本比较平稳，变化范围为-1.26～-0.27 ℃，平均为-0.66 ℃，并且随月份温差有一定变化，而随深度二者温差基本不变。总体来看，多年冻土上限深度以上范围机械式制冷热管侧壁月均温度比天然地温低-6.19～-0.52 ℃，多年冻土上限深度以下机械式制冷热管侧壁月均温度也比天然地温低-7.99～-0.27 ℃。

从图5(c)看出，机械式制冷热管侧壁温度与普通热管侧壁温度之间的温差最大出现在12月份，其次为11月份，温差随深度变化很紊乱，其余月份二者温差相对比较接近。在12月份和11月份，二者温差分别在-3.24～-1.47 ℃、-1.79～-0.82 ℃之间变化，平均为-2.33 ℃、-1.50 ℃。4月份～10月份二者温差在深度1.5 m以上波动较大，变化范围为-1.22～-0.13 ℃，平均为-0.45 ℃；而在1.5 m以下基本比较平稳，变化范围为-0.83～-0.12 ℃，平均为-0.39 ℃，随月份温差有一定变化，而随深度二者温差基本不变。从整年总体来看，多年冻土上限深度以上范围机械式制冷热管与普通热管二者温差范围为-2.77～-0.13 ℃，平均为-0.74 ℃；多年冻土上限深度以下二者温差范围为-3.24～-0.12 ℃，平均为-0.74 ℃。

3.3 最低温度对比分析

图6 不同类型热管最低温度对比曲线

为了进一步对比机械式制冷热管侧壁温度和普通热管侧壁温度在月均最低温度时的差异性，取在寒季12月份的最低温度进行分析，图6为机械式制冷热管侧壁温度和普通热管侧壁温度在12月份的变化曲线，从0.5～6.0 m深度范围内，机械式制冷热管侧壁月均温度范围为-9.70～-7.76 ℃，平均为-8.63 ℃，最低温度在0.5 m深度处达到-9.70 ℃；普通热管侧壁月均温度范围为-7.21～-5.37 ℃，平均为-6.30 ℃，月均最低温度在距地表0.5 m处达到-7.21 ℃；机械式制冷热管侧壁最低温度和普通热管侧壁最低温度之间的温差范围为-3.24～-1.47 ℃，平均为-2.33 ℃。

分别在活动层和多年冻土层中，机械式制冷热管和普通热管之间的温差范围分别为-2.77～-1.78 ℃，-3.24～-1.47 ℃，平均为-2.31 ℃、-2.34 ℃。即在12月份，机械式制冷热管比普通热管在活动层和多年冻土层中的平均温度分别低2.31 ℃和2.34 ℃。由此看来，仅在12月份，机械式制冷热管应该明显比普通热管可提高活动层的温度约2.3 ℃，因此，机械式制冷热管对多年冻土层和活动层的制冷效果比普通热管制冷效果更优。

3.4 月均积温对比分析

图7为不同类型热管和天然地温的积温对比曲线。从图7可以看出，在2016年12月份，机械式制冷热管、普通热管和天然地温的积温分别为-103.6(℃·d)、-75.6(℃·d)、-25.7(℃·d)，机械式制冷热管在12月份的积温是普通热管积温的1.4倍，同比之下，机械式制冷热管在10月份和11月份的积温分别是普通热管积温的1.8倍和1.6倍，在8月份和9月份机械式制冷热管的积温分别是普通热管积温的1.4倍和2.1倍。从整年计算得到，即机械式制冷热管的年积温约为普通热管年积温的1.9倍，由此充分说明，与普通热管相比，机械式制冷热管可充分发挥对多年冻土的制冷效果，增加多年冻土层和活动层的冷储量，抬高多年冻土上限深度，可以有效保护多年冻土的稳定性。

图7 不同类型热管和天然地温的积温对比曲线

4 结论

通过对机械式制冷热管在风火山冻土定位观测站的现场试验，对比分析了第一年度循环周期内机械式制冷热管与普通热管对多年冻土的制冷效果，主要结论如下。

(1)机械式制冷热管可以弥补普通热管在暖季工效低或几乎不工作的缺陷，能在暖季和寒季同时带走活动层中的热量，增加冷储量，有效保护多年冻土。

(2)分别在寒季和暖季，机械式制冷热管比普通热管的侧壁温度在活动层0～2.0 m范围中低2.77～0.39 ℃、1.22～0.13 ℃；在多年冻土层2.0～6.0 m范围中低3.24～0.52 ℃、0.55～0.12 ℃。机械式制冷热管年均温度比普通热管年均温度在活动层和多年冻土层均低0.74 ℃。

(3)分别在暖季和寒季，机械式制冷热管积温是普通热管积温的1.4倍～2.1倍、1.4倍～1.8倍，机械式制冷热管的年积温约为普通热管年积温的1.9倍。

(4)研究成果可为新型机械式制冷热管技术在多年冻土热稳定维护中的应用提供理论依据。