面向多年冻土区路基的主动型压缩式制冷装置研究

胡田飞，刘建坤，常 键，郝中华

(1.石家庄铁道大学 土木工程学院，河北 石家庄 050043；2.中山大学 土木工程学院，广东 广州 510275；3.北京交通大学 土木建筑工程学院，北京 100044)

对于多年冻土区路基工程，人工填筑和工后运营等行为会引起冻土赋存环境和边界条件的改变，导致地基冻土温度升高和上限下降的退化现象，进而引起上部路基附加变形和承载力下降等病害[1-2]。因此，控制冻土退化和维护路基热稳定性是多年冻土区路基工程的关键问题之一。

多年冻土与大气的换热过程分为：①在暖季，当气温高于地温时，由大气向冻土传热；②在冷季，当气温低于地温时，由冻土向大气传热。由于路基作为凸起构筑物对传热的影响，过程①传热量一般大于过程②，这是多年冻土退化的主要诱因。那么，减小过程①和增大过程②的传热量是应对多年冻土退化的热学途径。在青藏高原多年冻土区路基工程建设历史上，一直采用保护多年冻土的设计原则。青藏铁路建设之前，主要采用增大路堤高度和保温隔层的“消极保温”措施，即减小过程①传热量。青藏铁路建设时，进一步发展了多种“积极降温”的主动冷却措施，包括块石结构、通风管、热管等，通过增大冻土冷储量来抵消暖季热侵蚀，即增大过程②传热量[3-5]。上述措施有效保护了冻土稳定性，但是长期监测表明其效果主要体现在减缓作用，冻土退化没有得到根本控制[6-7]。原因在于，根据热力学第二定律，在没有能量补偿的条件下，热量只能由高温介质传递向低温介质[8-9]。因此，现有主动冷却措施实质上属于自然温差驱动下的被动传热过程，只有在冷季大气温度低于冻土温度时才能使路基向外传递热量，且传热效率依赖于大气温度水平，人为可控性差[10-12]。同时，主动冷却措施的工作效率优化困难，仅能通过调节几何参数和布设参数来改善传热形式、时间及路径等条件，难以大幅度地增加冻土冷储量。因此，现有多年冻土保护方法的季节匹配性差，在冻土退化严重的暖季无法维持稳定的边界温度和传热量；同时，传热效率低，冷季传热量依赖于大气温度水平。

那么，在现有冻土保护措施减小暖季热输入量和增大冷季热输出量的基础上，进一步的保护途径是在暖季附加一个热输出过程，实时地将冻土的热量逆向地传递回大气中，由此严格地控制冻土在暖季的过度热输入和温度升高。制冷技术指通过人工方法使某一对象获得并保持低于周围环境温度的过程，传热方向由低温介质逆向地指向高温介质[13]。因此，多年冻土保护和路基热稳定性维护措施的发展就进入到制冷技术的学科范畴内。

制冷技术是一门历史悠久的学科，主要面向建筑与工业领域，包括压缩式、热电式、热驱动式等种类，应用广泛，技术成熟[14]。限于学科差异和技术匹配性，制冷技术在路基工程领域的应用还较少。冻土退化具有深度大和分散性强等特点，现有制冷设备的结构型式和驱动方式难以满足多年冻土制冷技术要求。幸运的是，近年来制冷设备集成化和中小型化技术日趋成熟，各类新能源利用技术不断发展，可以提供独立便捷的能源供应[15-16]，为实现多年冻土路基沿线的分散性制冷提供了条件。

在此基础上，本文立足于实现多年冻土区路基工程在暖季的主动制冷问题。在总结多年冻土退化特征和路基制冷技术要求基础上，结合多年冻土区路基沿线的能源供应条件，提出太阳能光伏技术和压缩式制冷技术的联合应用方案。设计与制作一款面向路基工程的专用主动型制冷装置—压缩式制冷管，并通过试验验证其工作性能和实用性。

1 面向路基工程的制冷技术要求

多年冻土区路基热稳定性问题的特征在于，一方面，多年冻土上部活动层厚度大，在冻土退化严重的青藏高原地区，地表活动层厚度可达5 m，下部呈升温趋势的多年冻土层厚度可达10 m。另一方面，冻土退化和路基热害多呈段落化分布[17]。因此，与人居环境调节和工业应用的要求不同，面向路基工程时，制冷技术主要面临深度大和分散性强2方面的特殊要求。此外，多年冻土区基础设施建设滞后，电能等高品位能源无法在路基全线普及供应，制冷装置必须自带动力系统。

因此，制冷装置的结构型式、作用范围、制冷温度、驱动方式等技术条件应满足冻土保护和路基运营要求。具体包括：(1)结构紧凑，便于布设，不会影响路基正常运营。(2)制冷范围大于冻土退化深度，装置尺寸和高度可以自主调节。(3)制冷温度低于多年冻土温度，可以在暖季实现有效制冷。(4)具有独立的驱动来源，可以自持地实现连续制冷。因此，实现制冷装置的小型化、集成化、自驱化是将制冷技术应用于路基工程的核心问题。

2 制冷方法选取

制冷的定义为通过人工方法使某一物体温度持续地低于周围环境温度，其核心在于创造一个逆向于自然温差传热方向的传热过程，使热量从低温物体传递向高温环境。目前，制冷方法包括液体气化式、气体膨胀式、半导体热电式、气体涡流式、热声式、绝热去磁式等，同一制冷原理包括多种实现途径，适用于不同的制冷温度需求。其中，液体气化式制冷方法最为广泛，实现途径包括压缩式和热驱动式。

压缩式制冷技术主要部件包括压缩机、冷凝器、节流设备、蒸发器。工作原理为通过电能驱动压缩机在系统内部产生高压和低压环境，使有限的制冷剂在系统中反复地压缩、冷凝、膨胀、蒸发，不断在蒸发器吸热气化进行制冷循环，如图1所示[14]。技术优势包括：(1)制冷温度范围广，从稍低于环境温度至-150 ℃均可实现；(2)单机容量范围广，制冷量从几十W到数千kW，可以根据冻土冷负荷水平选择相应的系统容量；(3)制冷循环效率高，耗电量小；(4)结构紧凑，蒸发器和冷凝器可以根据应用工况自主加工为不同的型式和尺寸。因此，压缩式制冷是目前最为成熟和广泛的制冷方式，面向路基工程时具有良好的应用条件。

图1 压缩式制冷循环流程图

热驱动式制冷技术以热能为动力，可以直接利用太阳能、地热能等低品位能源驱动制冷循环，绿色环保，运行费用低，包括固体吸附式和液体吸收式2种方式。但是，热驱动式制冷的工作性能远不及压缩式制冷。其中，吸收式制冷装置的组成复杂、体积大，同时需要额外的耗电部件(溶液泵)辅助循环。吸附式制冷装置的制冷效率低，且制冷具有间歇性，相关的设备制造水平和技术储备还不够完善[18-19]。目前，相对成熟的溴化锂—水吸收式制冷技术如图2所示，原理为吸收剂对制冷剂的吸收能力随温度和压力而不同，由此通过溶液溶度变化实现制冷剂的相变循环，但是其制冷温度局限在0 ℃以上，无法有效保护多年冻土。

图2 热驱动吸收式制冷循环

因此，面向多年冻土区路基工程时，压缩式制冷技术的适用性更优。根据能量守恒定律，制冷过程必须消耗一定的能量，包括电能、机械能或热能等，才能实现热量由低温介质向高温介质的逆向传递[12-13]。因此，驱动源的分散供应是将制冷技术应用于路基工程的关键问题之一。

对于长距离路基工程，难以通过电网或集中供热来驱动制冷装置。因此，通过分布广泛的新能源为制冷装置提供驱动源是一个解决途径。新能源包括太阳能、风能、地热能、水能等，其中太阳能和风能分布最为广泛，利用形式灵活便捷。由中国多年冻土、太阳能和风能的分布[16]可知，多年冻土与太阳能、风能的地理分布具有高度一致性。尤其是，青藏高原大气稀薄，年辐射量最高达2 558 kW·h·m-2·a，年日照时数为3 200～3 300 h·a-1，属于太阳能利用条件良好的Ⅰ类地区。青藏高原的风能资源同样丰富，≥3 m·s-1风速全年累积时长为6 500 h以上，有效风能密度在150～200 W·m-2之间。

太阳能利用技术包括光热转换和光电转换。光热转换通过集热器直接将太阳辐射能转化为高温热能，可用于热驱动制冷。光电转换通过光伏板界面的光电效应将太阳辐射能转变为电能，可用于压缩式制冷。风能利用形式主要为风力发电，原理是将风能转变为机械能，再将机械能转化为电能。目前，太阳能发电、太阳能集热和风能发电技术都比较成熟，但是风力发电机组的体积和工作效率等方面的综合性能不及太阳能。在一般自然条件下，暖季太阳辐射强度大而风小，冷季太阳辐射强度小而风大，且太阳能流密度要大于风能。因此，相比风能，太阳能利用在中国多年冻土区更具优势。

由于太阳能的分散性、低密度和不稳定性等不足，太阳能制冷技术难以实现制冷温度和冷量的连续性和高效性输出，限制了其在建筑和工业领域的大规模推广应用。但是，在路基工程领域，由于冻土的热惰性大，冻土冷负荷对连续性要求较低，因此通过太阳能光伏技术可以解决压缩式制冷技术应用于路基工程时的驱动源供应问题。

对于太阳能光电压缩式制冷技术，太阳辐射越强烈，光伏发电量越大，由此系统制冷量越大；同时，多年冻土得热量越大，退化速率越快，即路基制冷需求恰好与太阳能驱动源相匹配。因此，太阳能制冷技术的优势包括：(1)季节匹配性好，日照高峰期与路基制冷负荷一致；(2)地域匹配性好，日照丰富地区的路基对制冷的需求也大；(3)技术匹配性好，电力供应不便的长距离路基工程，太阳能制冷技术具有自持性。

因此，本文选择将太阳能光伏技术与压缩式制冷技术联合引入多年冻土区路基工程。太阳能光伏发电技术的应用规范好、商业化程度高，可以根据制冷装置耗电量匹配相应的系统组件。因此，太阳能光伏压缩式制冷技术应用于路基工程的关键在于设计合理的压缩式制冷系统结构型式。

3 主动型压缩式制冷装置制作

本文设计的一款路基专用主动型压缩式制冷装置如图3所示[20]。装置部件包括压缩机、冷凝器、蒸发器、干燥过滤器、毛细管及温度传感器和自动化控制单元等。蒸发器型式为立式柱状，便于机械钻孔布设，制冷部件为螺旋形铜管。压缩机和冷凝器等其他部件集成固定在地表保护外壳内。压缩机、冷凝器、干燥过滤器、毛细管、蒸发器的出入口顺次连接，形成闭合循环回路。自动化控制单元与压缩机电气连接，用于控制装置运行。

在实际应用时，压缩式制冷管可以根据病害情况布设在路基肩部、边坡中部或坡脚等不同位置，太阳能光伏发电系统布设在路基附近空旷位置。在天气晴朗的条件下，光伏系统发电并驱动压缩式制冷管运行。根据冻土退化深度和冷负荷，可以通过调节铜管几何尺寸和盘管间距来优化制冷效果。此外，还可以根据太阳辐射条件和光伏发电效率，选择压缩机功率和调整装置运行模式，进而控制装置制冷量与路基冷负荷的平衡关系。

1—保护外壳；2—干燥过滤器；3—冷凝器；4—毛细管；5—冷却风机；6—螺栓；7—自动化控制器；8—压缩机；9—支架；10—温度传感器导线；11—蒸发器；12—温度传感器；13—铜管；14—PVC基管；15—通风孔；16—电度表；17—制冷剂

图3 多年冻土路基用压缩式制冷管的结构型式

压缩式制冷循环过程为，首先，液态制冷剂经毛细管节流降压后进入蒸发器，通过气化吸热效应吸收路基和退化冻土地层的热量；然后，制冷剂蒸气经压缩机做功成为高温高压气体，并进入冷凝器；之后，高温高压制冷剂蒸气通过液化放热效应将冻土热量通过冷凝器释放回大气环境中；最后，液态制冷剂重新通过毛细管进入蒸发器，由此实现对路基的持续制冷。一种应用方案和模拟制冷效果如图4所示。蒸发器垂直布设在路基肩部，制冷效果以蒸发器为中心向四周逐渐扩散。

压缩式制冷管的主要部件及说明如下。

(1)压缩机。作为压缩式制冷装置的核心驱动部件，作用是将电能转化为机械能做功，将制冷系统分隔为高压和低压2个环节，由此将来自蒸发器的气态制冷剂吸入，压缩为高温高压气体，达到大气温度对应的冷凝压力后输送至冷凝器。

(2)冷凝器。作为散热设备，作用是吸收压缩机内高温高压气体的热量以使之冷凝液化，即将冻土热量传递回大气环境，保持制冷剂循环利用。

图4 压缩式制冷管的应用效果

(3)冷却风机。强制空气快速流过冷凝器外表，辅助高温高压气态制冷剂的散热与液化效率。

(4)毛细管。作为制冷系统的节流机构，作用是节流降压，一方面，控制液态制冷剂流量；另一方面，将液态制冷剂的压力由冷凝压力降低到蒸发压力，便于在蒸发器中气化吸热。

(5)干燥过滤器。作用是排除制冷剂中的水分和污物，防止其侵入压缩机或阻塞循环通道。

(6)蒸发器。作为制冷装置的功能部件，作用是将来自毛细管的液态制冷剂蒸发为蒸气，吸收周围多年冻土地层的热量，产生制冷效应。

(7)自动化控制器。作用是调节装置的启动、停止及运行时间。此外，还具有压缩机开机延时保护、超温限报警等保护功能。

(8)保护外壳。作用是固定与保护地表部件，壳壁上钻设通风孔，便于冷凝器向外传递热量。

根据图3所示结构型式，加工与制作1套实体装置。制作流程如图5所示，具体步骤包括：(1)蒸发器盘管，通过机械弯折方式将铜管按照一定间距缠绕在防冻型PVC基管上。为防止地下水及各类土壤成分对铜管的腐蚀，铜管外包铝箔胶带。(2)搭建钢制支架，采用螺栓将制冷系统的各部件牢固地集成为一体并固定在支架上。(3)采用气焊方式，将压缩机、冷凝器、干燥过滤器、毛细管、蒸发器的出、入口顺次焊接。(4)系统部件焊接温度消除后，采用真空泵将装置抽真空，利用装置真空度灌注制冷剂。(5)电气连接，将压缩机、冷却风机与自动化控制器进行电气连接，控制器通过电度表与电源连接。(6)制作与安装保护外壳。

4 压缩式制冷装置的性能试验

4.1 试验条件及监测方案

建立压缩式制冷装置的试验平台，试验箱的长、宽和高分别为1.2，1.2和1.5 m，装置位于模型箱中心位置，其周围填筑土体。试验中装置蒸发器的高度为1.2 m，压缩机功率为135 W。试验时间设置为10 d。温度监测包括蒸发器轴向温度和管周土体径向温度2部分，测点布置如图6所示，共计19个监测点。温度传感器采用PT100铂电阻，精度为0.1 ℃，由DataTaker-80数据仪采集温度数据。试验平台与监测系统如图7所示。

图5 压缩制冷管的制作流程

图6 压缩式制冷管试验测点布置(单位: cm)

4.2 试验结果及分析

4.2.1 制冷温度

图8为试验过程中压缩式制冷装置蒸发器表面制冷温度的变化时程。由图8可以看出：制冷温度呈先降低、后稳定的变化规律，最低温度可达-25 ℃以下，远低于多年冻土温度，满足冻土保护要求；制冷温度还表现出与环境温度昼夜升降特征一致的波动规律，但变化幅度较小，不会影响到制冷温度整体水平；同时，试验开始之后制冷效应沿着竖直方向由上至下逐渐启动，原因在于，蒸发段上部距离毛细管较近，制冷剂气化时间最早。

图7 试验条件与监测系统

图8 压缩式制冷管制冷温度的变化时程

图9为装置蒸发器制冷温度在竖直方向上的分布特征。由图9可以看出：制冷温度由上至下基本呈逐渐降低的规律，原因在于，蒸发器下部铜管距离压缩机较近，制冷剂气化速率最快，相应地制冷温度最低；同时，由于蒸发器底端容易受到地面温度影响，制冷温度有所升高。总体而言，在装置启动过程中，蒸发器铜管距离毛细管越近，制冷效应出现时间越早；在装置正常运行过程中，蒸发器铜管距离压缩机越近，制冷温度越低。

图9 压缩式制冷管制冷温度在竖直方向的分布

图10给出了压缩式制冷装置的日均制冷温度与环境温度的关系。由图10可以看出：试验开始之后，装置平均制冷温度呈先降低、后稳定的变化规律，最后维持在约-20 ℃的水平，与之相反，大气环境温度呈逐渐增大的变化趋势，因此，在正温环境下，压缩式制冷管也可以产生负值范围的制冷温度，且制冷温度水平基本不会受到环境温度的影响。那么，对于多年冻土区路基工程而言，在冻土退化严重的暖季，压缩式制冷管也可以产生负温，对冻土地基和路基输出稳定的制冷量。因此，相比现有块石、通风管和热管等主动冷却措施，压缩式制冷管具有季节匹配性好和冷却效率高的技术优势。

图10 装置日均制冷温度与环境温度的关系

4.2.2 试验箱土体温度

图11为试验箱土体温度的变化时程。由图11可以看出：在压缩式制冷装置作用下，土体温度呈逐渐降低的变化趋势，冷却效果显著。同时，土体位置距离蒸发器越近，土体温度降低速率和范围越大。由于试验箱边界与环境换热作用的影响，土体温度在试验后期的降低幅度逐渐减小。试验结束时，土体温度基本全部达到0 ℃以下。

图11 试验箱土体温度的变化时程

图12为模型箱土体温度在水平方向的分布特征。由图12可以看出：试验开始之前，相同高度上土体的初始温度差别不大，基本分布在5 ℃附近。试验开始之后，装置冷却效果由模型箱中心向外扩散，土体降温幅度随着与装置距离的增大而逐渐减小，起到有利的“冷源”作用。

图12 试验箱土体温度在水平方向的分布

5 结 论

(1)对于多年冻土退化和路基热稳定性问题，一种更为有效的控制方法是采用制冷技术，在暖季实时地将热量由路基传递回大气环境，由此严格控制热量收支平衡。路基用制冷装置应具备小型化、集成化、自驱化等技术特征。中国多年冻土区多属于太阳能利用条件良好的I类地区，可以为路基沿线分散性制冷提供驱动源。路基工程适合采用太阳能光伏技术和压缩式制冷技术的联合方案。

(2)提出一款面向多年冻土区路基工程的主动型制冷装置-太阳能压缩式制冷管，自成独立的制冷单元。制冷部件主要由压缩机、冷凝器、蒸发器、毛细管等顺次连接成闭合循环回路，其中蒸发器型式为立式柱状的螺旋形铜管，便于机械化钻孔布设。装置制作过程包括机械盘管、管路焊接、系统真空与制冷剂灌装、电气连接等步骤。

(3)在正温环境下，装置制冷温度呈先降低、后稳定的规律，最低可达-25 ℃以下，平均值约为-20 ℃，且基本不受环境温度影响，制冷性能稳定。蒸发器铜管位置距离毛细管越近，制冷启动速度越快；距离压缩机越近，制冷温度越低。试验箱土体降温幅度随着与装置距离的增大而减小。主动型压缩式制冷装置具有季节匹配性好和冷却效率高的技术优势，有助于实时地和严格地控制冻土退化。