面向城市道路路基冻胀的地源热泵试验研究

李伟

（太原市政建设集团有限公司辰宇公司，山西太原 030024）

0 引言

随着信息时代的快速发展，我国在奉行绿色交通发展观的大背景下，人们对于道路上的养护研究进一步得到提升，逐步发明了用于路基养护试验的技术，其就是可以直接通过地热能源的技术，在高度冻胀的路基上快速进行功能恢复，可以进一步提升路基的养护功能，节约了对于路基养护施工的材料成本与养护时间，是一种应用较为理想的技术选择，在目前我国的各条公路工程中的热泵养护管理方已经得到广泛的研究应用，大部分公路已经基本进入了热泵养护的准备状态，热泵的工作原理主要是通过使用少许的发电能源来提取处于自然界低温高品位中的能源，并将其转型为高品位地源热能的驱动装置，事实上，地源热泵在运作的期间，热能的来源是通过表层的地热能来运作的，如果将它用于解决城市路基冻胀的问题，可能会出现较好的效果。

1 研究背景

1.1 传统方法

1.1.1 AASHTO 法

这样的设计方法其实是美国首先进行实验的，在现有试验性道路的设计基础上，通过对次数之间基本关系的综合分析，从而对其进行设计总结，在美国AASHTO 法其实也是试验路面整体结构的主要使用设计测量方式之一，这样的设计方式在进行设计时，采用监测技术去对于试验路面的两个相关性能指标进行基本监测，将监测技术作为整个路面结构设计的主要使用测量标准，建立基本关系式。

1.1.2 AI 法

AI 法将计算机与查图法融合在一起，通过分析开裂和路基永久变形的原因，对于沥青的要求和指标进行监测，通过分析关键的指标，在最小面层的厚度进行处理，进一步考虑量的变化。

1.1.3 换填法

利用换填方法，在长期冻胀性水泥路基内的土层中挖出，填入非长期冻胀性泥土。非长期冻胀性泥土一般来说是由粗粒土、砂砾、中粗土和砂等多种材料混合做出来的，具有一定的耐热、排水、耐蚀性能，其工作原理主要是通过快速排除冻胀路基内的多余水分，进一步大大缩减路基冻胀的严重程度。但该种换填方法多数适用于非长期冻胀性水土较充足的道路区域，如果需要远距离运输这种物料，可能会大大增加运输成本与环境负担。

1.1.4 保温法

即通过设置保温隔热层，用提高温阻指标的形式去降低冻结深度，以最终降低冻胀。保温法在经济性和隔热的效果上都具有优点，特别是针对保温的工艺便捷性而言，但是在我国的道路上采用保温的时候，因为其持续时间比较长，所以保温的材料往往发生锈蚀，进而造成保温材料被损坏，或者道路的保温效果并不明显，从而导致路基冻胀的事情出现。对保温法来说，它没有长久性和耐久度，且极其易于被损坏，是一种工艺上便捷性较高，但耐久力却不长的路基保护方式。

1.2 国内结构设计调查

随着我国科学技术的不断进步，我国冻胀路面已经有了一定程度的研究，但是在铺设的相关措施上使用的方式全凭铺设的经验，在理论上缺乏一定基础和理论依据，参数敏感和交通等级在建设路面结构方面较为薄弱，在铺设时候，可以采取地源热泵试验的处理方式，其适用于公路城市的干线或者是其他公共场合，可以有效的预防路基的冻胀。而这种预防性养护技术的地源热泵试验可以进一步节约材料资源，从而降低建造的成本。

2 地源热泵装置的设计

2.1 结构型设计

在地源热泵的结构设计当中，地源热泵是一个应用于道路施工中的设备，其主要热源来源均是在路基下稳定岩层中的地热能源，可以采用膨胀、挤压和冷却等的方法进行搜索并收集热量后，将自身的质量增加后进一步释放能量，在集热段当中，将储有的液体制冷剂吸热后，再采用蒸发的形式使之转化为相对低温低压的状态，用蒸发的形式以吸收短路电流所产生的地热效应为基础，从稳定岩层中收集到品质相对较低的热量。而在高压气机在供热工作的第一时候，也可能会进一步通过吸取其进行上一阶段供热工作所需要形成的热水蒸气，对这些水蒸气进行压缩液化处理，从而使其形成排放出高温高压的压缩气体，通过这一工作阶段的高压气体处理会在风机供热的第二阶段进一步对其进行气体冷凝和空气液化的压缩处理，作为新的热源与其进行交换提供新的热能，通过这些处理运作之后，其气体才能尽可能进一步实现促进气体底层与用于冻胀浅层的气体热量的有效互换。

2.2 零部件介绍

在液化供热的第一阶段，其具有功能性的散热部件将可能会深埋在那些冻胀的气体底层当中，并且如果需要对于压缩机的整个气态，制冷剂将会先进行一个液化的供热处理，这样的供热效果就是可以将这些热能直接转入冻胀的气体地层中，除此之外，其还可以拥有一段集热段，可以直接用来收集那些位于冻胀地层内的较低品质的气体地层内热能，通过压缩机的耦合作用可以使其热能变化为高温高压的气体，提升自身热能的品质。在各种地热能源热泵循环装置当中，存在一个毛细管循环装置，其作用可以提供控制冷剂液与气液之间进行循环所作用产生的气体压力及气液流量两个指标的相关数据，从而可以使各种液态的受控气液得以顺利循环运行，被快速输送到地源集热段当中，有效防止在运作中产生的各种问题，例如过滤一些水分和污染物。钢制供热支座也能够有效提高供热设备的高度综合供热稳定性。PPR 管还可以能够同时负责自动调节设备集热段、供热段螺线和托盘各自的活动高度和供热内径。控制器是一种容易调节的设备，它可以控制整个装置的开关。而自然制冷剂，则主要是通过利用室内可逆行的温室气体由液相支撑变为固体支撑，去除和收集室内地热能，而自然地源节能热泵系统的自然制冷节能原理则是运用传统制冷剂的自然制冷节能特性，利用室内土壤的自然吸热变化能力，制冷剂将有机会直接吸收室内的室外空气全部热量从而将室内热量直接转移向外到地下混凝土层之中，避免室内热量直接向外流入室内大气之中，减少室内温室污染气体的大量排放，在夏季时所储存的室内热量释放到冬天时就可以直接通过地热能源热泵的装置直接释放出来，达到室内热量的二次有效利用，这样的方法也就使地热能源热泵在利用制冷剂和制热节能方面具有很好的应用优势，节能低碳减排，符合绿色发展的需求。电源则是通过太阳能或者是风能进行发电，提供足够的运行电量给压缩机，以供压缩机正常运行。

3 地源热泵性能结构试验

在对城市道路路基冻胀的研究中，对于如何使道路结构更加的优化需要开展相应的实验。在工程实践中，如果选取了冬季平均气温-2.5℃，最低气温-19.9℃的区域，就可以研究该装置对路基冻胀的影响。首先要在地基中开挖矩形的地基，然后将地源热泵和传感设备放入地基中，在回填地基后将热泵装置设定的中心区域，并建立四棱台，然后实施温度监测，温度检测的意义是在监测地换热段及其周围土温变化期间所遵守的规则。但在集热实验的早期当中，供热段的空气温度还是上升得比较快，装置正常运行的集热速度也有所增加，供热段的温度变化范围基本是50~100℃，但是随着全球气候变化温度的不断波动，装置的供热系统温度也开始有一定的变化波幅，综合说明供热系统性能较为稳定。而早期的集热实验当中，集热段的空气温度变化表现出先减后升变化趋势，温度可能会相对较低。对于能够促进路基稳定层吸热过程的设备使用率也比较高。而针对这样的使用情况，应该认为是在供热装置进行供热的设备运行管理阶段当中，供热段及其周边的表层图体的温度自身是会有所应的上升变化导致的，四棱台周围的表层图体冻结温度也是会有所应的改变。通过观察后可以发现其周围的表层土体冻结温度仍然呈上升的变化趋势，气候的变化条件仍然是影响表层周围土体冻结温度变化改变冻结程度范围大小的主要影响因素。而四棱台台的表层土体风化冻结程度范围也是逐渐有所缩减的变化趋势，这正好表明装备设施的供热效果较好。而其中集热段周遭则逐渐出现温度先减后减逐增再增渐减的变化规律。其最根本的重要原因就是集中供热段的土壤温度与周围的土壤温度参差不齐、差异大，造成了换气的热量偏高，进而直接诱导了其中集热段周围土壤温度上升降低的变化过程，有益于不断提升对周围地热的性能的综合采集利用效率，促进周遭地热土体土壤温度缓缓上升降低的变化过程。并且如果伴随着地热工作区顶端周围地热土层土壤温度的不断上升，其传热的采集效率也随之有不同幅度的降低，周围的地热循环土壤温度有所上升，远处的整体地热的性能也会有所大的转移。通过一些重要因素的综合诱导下，集中供热段周围的土壤温度逐渐降低的情况，并且在后期由于气候变化温度偏低的这种情况下，表层的土壤承载负荷出现不同程度的上升趋势。

4 结语

随着科学的发展，我国对公路的处理也在进步，尽管城市道路路基冻胀的地源热泵被人们提出了并且使用，但是其还是有待完善的。而在未来，将会有更好的、更加先进的技术被人们应用到路基的处理上，丰富我国的公路结构，进一步对公路进行发展。目前为止，当前的城市道路路基冻胀的地源热泵可以进一步对于路面进行发展，提升路基性能，但是由于本文的时间有限，经验上存在不足，不能对中国的城市道路路基冻胀的地源热泵进行进一步研究，提出的问题也相应地存在一些缺陷。