基于可再生能源供热技术的冻土区路基防冻胀方法研究

胡田飞

(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，石家庄 050043；2. 石家庄铁道大学 土木工程学院，石家庄 050043)

0 引言

对于冻土区的路基工程，在大气环境和外部荷载等因素的作用下，填料中的水分和土微粒的迁移会引起路基冻胀变形导致其病害现象的产生。因此，如何防治路基冻胀病害是冻土区铁路与公路工程的关键问题。路基防冻胀方法主要包括换填法、土质改良法、防排水法、保温法等[1]。目前，哈大高速铁路、哈齐高速铁路、兰新高速铁路等冻土区高速铁路主要采用上述防冻胀方法。监测表明，既有措施可以有效降低冻胀变形量，但是无法杜绝冻胀的发生，因此冻胀依然是冻土区高速铁路运营面临的主要障碍之一[2-4]。

根据工程热力学第二定律，在自然条件下，热量会自发地从高温物体向低温物体转移[5]。在冬季，相比于低温大气环境，路基属于高温热源，因此路基向大气环境的传热过程具有自发性和不可逆性。现有的路基保温措施仅可通过增大路基边界的热阻来减小热量损失，无法消除负温这一关键的冻胀发生条件，属于被动性方法。因此，更为有效的防冻胀方法是在冬季人为创造高于路基温度的高温热源，通过附加人工热量传输过程主动向路基补偿热量，使填料保持在冰点温度以上，即可消除冻胀现象[6]。根据建筑环境与能源应用工程理论[7-8]，路基防冻胀问题实质上属于“供热”范畴。

综上，本文针对路基主动供热方法，分析了现有路基防冻胀措施的局限性，对比选择出适用于路基工程的供热种类；针对热源的分散供应问题，分析利用太阳能和浅层地热能等可再生能源技术供热的可行性；最后，设计了2种分别以可再生能源作为热源的路基专用供热系统，并进行了集热性能试验，验证了这一新方向的实用性。

1 路基防冻胀方法的改进方向

1.1 现有路基防冻胀方法的局限性

土体冻胀是由土质、水分和温度共同作用的结果，因此改进三者中的任一因素就可以阻止冻胀的发生。

1)对于土质改良方法，以往普遍认为冻胀敏感性土质是导致路基出现冻胀现象的主要原因之一，填料级配是路基防冻胀工作的核心[9]。但是，冻土区高速铁路冻胀变形监测结果表明，路基中部分含水率低或远离地下水的级配碎石层也普遍存在冻胀现象，进而危及了行车安全。由于土壤中水分的存在，冻胀是土体构筑物的固有属性，因此无法从土质改良角度来完全消除冻胀现象。

2)对于水分控制方法，水是路基出现冻胀现象的主要因素，并且其还会对路基本体承载力造成影响，因此一般首先考虑防水、排水措施。但由于路基处于一个开敞的地质和气候环境中，任何措施都不能完全隔绝地下水、大气降水等因素对填料水分变化的影响。

3)对于温度控制方法，被动保温措施只能有限地减小路基在冬季的热量损失[10]，以此可以延迟冻胀的出现时间和降低冻胀变形程度，但不能严格控制冻胀的出现，尤其缺乏冻胀病害应急抢险功能。

1.2 路基防冻胀方法的发展新方向

从传热改良方向来看，路基在温暖季节获得更多的输入热量有利于抵消其在寒冷季节的严寒环境下受到的冷侵蚀，提升路基的抗冻胀潜力；同时，在冬季主动地向路基输入热量将填料温度保持在冻结温度以上，可以完全消除冻胀。这一技术思路类似于人居环境的冬季供暖。因此，路基防冻胀方法的一个发展新方向是以温度为直接控制对象，提出一种路基主动供热方法。

由于路基冻胀病害具有分散性强、分布深度深等特殊性，因此，针对路基主动供热方法的供热技术应满足以下要求：

1)供热温度应高于路基填料的冻结温度；

2)供热量应大于路基冻胀临界点的热量损失；

3)供热装置系统集成化，使供热系统具有分散且便捷的热量来源，可以独立实现持续的供热；

4)供热深度应大于路基的最大冻结深度；

5)供热装置便于布设，不会影响路基的正常使用。

因此，将供热技术引入路基工程需考虑的关键问题包括：1)供热方法的选择；2)热量来源的分散供应；3)供热系统形式的设计。

2 供热方法的对比选择

2.1 常规热源和电热源

供热技术是一门历史悠久的学科，方法多样，技术成熟[11]。常规热源指采用矿物燃料，通过中间的管网和末端的散热器来输配热量，主要面向大面积和大负荷的集中供热应用场景。电热源是直接将电能转换为热能，该方式的生产过程不产生污染，工作环境清洁，已尝试应用于一些基础设施的维护中，例如将发热电缆应用于路面融雪、管道保温等[12]。但是，电热源受限于交通沿线的基础设施落后，常规热源会导致热力管网的投资规模过大，因此这2种方式面向路基的适用性较差。

2.2 可再生能源

太阳能是储量最大的一种可再生能源，其中，太阳能热利用技术主要采用平板集热器和真空集热管等[13]。平板集热器多用于低温领域，输出温度一般低于100 ℃，光热转换率较低。真空集热管的吸热体和外壁之间为真空环境，多用于中、高温领域，具有集热效率高、温度升高快、热能储存和输出性能好等优点。

浅层地热能是指地表低温热能，其利用方式为地源热泵。在交通岩土工程领域，已提出将热泵与各类土工构筑物联合来实现地热利用的“能源地下工程”理念，用于防治冻土区隧道洞口段的冻胀病害[14]。业界还提出了一种“能源桩”，是通过向桩基础嵌入一种热泵换热部件来实现承载和供热的双重功能，可用于路面融雪、除冰等[15-16]。但是在既有应用中，热泵多为间接换热式机组，虽然这种机组的热容量大，但其系统复杂，更适用于小范围的集中供热，无法满足大面积的分散供热需求。

2.3 小结

综上可知，从技术成本和可持续发展的角度来看，面向路基工程时，常规热源和电热源均不适用。而太阳能和浅层地热能分布广泛、利用便捷，虽然会受季节、天气等因素的影响，但是路基的热惰性强，不会受到热源不连续的影响，因此，以太阳能和浅层地热能作为路基热源的适用性较好。

3 可再生能源供热技术的应用条件

3.1 太阳能

我国各地的年总太阳辐射量范围在3344～8400 MJ/m2之间，根据年总太阳辐射量的差别，共可分为5类太阳能利用条件地区，具体如表1所示[17]。

我国冻土区，尤其是青藏高原、西北地区、华北北部和东北地区等地表冻深较深且路基冻胀病害严重的冻土区，从表1可以看出，这些地区属于太阳能利用条件良好的Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ类地区，年日照时数均大于2000 h，年总太阳辐射量均高于5000 MJ/m2，这些地区的面积约占全国总面积的2/3以上。

表1 我国太阳能利用条件地区分布的分级标准[17]Table 1 Grading standard of regional distribution of solar energy utilization conditions in China[17]

以太阳能作为路基主动供热方法的热源时，可采用太阳能真空集热管。太阳能真空集热管主要由内部吸热体和外层玻璃管组成，吸热体材质采用玻璃或金属，其表面附着光谱选择性吸收涂层。由于全玻璃真空集热管在严寒气候或荷载冲击作用下容易破裂损坏，导致其内部工质泄漏；而玻璃-金属封接型真空集热管的结构强度大，具有集热温度高、耐久性好等优点，因此，路基主动供热方法采用玻璃-金属封接型真空集热管。该真空集热管应用于路基工程时，一方面，传热工质在真空集热管的内部金属管内，在严寒环境中不会因冻裂而泄漏；另一方面，内部金属管的抗震性好，适用于路基震动工况。

3.2 浅层地热能

相较于太阳能的季节波动性，地热能的储量稳定、季节连续性较好。根据勘查，在我国西部、华北和东北等冻土区均有丰富的地热能分布[18]。其中，浅层地热能的分布尤其广泛，且利用难度较低。

热泵的工作原理为逆卡诺循环，如图1所示，其是利用化学工质的气、液循环变化来实现热量的搜集、转化和传递。一般热泵中的冷凝器可以释放4～7倍于电能的热量，同时提高冷凝器外壁的温度，是一种高效的热量提升装置。

目前，地源热泵在系统运行特性、地层传热规律及性能优化等方面的研究已十分成熟。在我国冻土区，浅层地热能资源性条件和地源热泵的系统运行效率、供热性能等系统性条件均具有良好的可靠性。

图1 热泵的系统组成及工作流程Fig. 1 System composition and workflow of heat pump

3.3 小结

总体而言，太阳能和浅层地热能利用的优势在于其分布广泛，是容易获取的中低温热源；并且我国冻土区的太阳能、浅层地热能资源分布丰富，利用技术成熟，可以满足路基主动供热方法针对热源的分散供应需求。

4 路基专用供热系统的设计与验证

4.1 路基专用供热系统的设计要求

路基主动供热的特殊性在于路基的冻结深度大，最大可达3 m以上，而路基专用供热系统装置的供热深度应大于最大冻结深度；同时，由于路基不能中断运营，因此路基专用供热系统应具有体积小和布设方式灵活的技术特征[19]。综上，路基专用供热系统的发展方向应为小型集成化系统，供热装置采用便于机械化钻孔布设的柱状形式。

4.2 路基专用太阳能供热系统

4.2.1 结构形式

路基专用太阳能供热系统的能量转化示意图如图2所示，其装置形式如图3所示。其中，太阳能集热段采用玻璃-金属封接型真空集热管，路基供热段采用金属管，两者内部均灌注导热油，并采用法兰进行直通式连接。

路基专用太阳能供热系统的工作流程为：玻璃-金属封接型真空集热管壁面的选择性吸收涂层将太阳光转换为热能，然后向内传递给导热油；导热油升温引起供热段金属管与土体的温差，热能由此传递给低温路基。由于土体热阻大，传热效率低，真空集热管采用静态热传导方式。当路基热负荷较大或应用于冻胀病害应急抢险时，也可以采用溶液泵强制导热油内循环来优化路基专用太阳能供热系统的供热效果。

图2 路基专用太阳能供热系统的能量转化示意图Fig. 2 Schematic diagram of energy conversion of solar heating system for subgrade

图3 路基专用太阳能供热系统装置的结构形式Fig. 3 Structure of device of solar heating system for subgrade

由于太阳辐射条件具有季节波动性，路基专用太阳能供热系统的供热方案设置为全季节运行，即将路基视为热量载体，在太阳辐射量较大的夏季、春季和秋季，高效地向路基预储热能，提高路基在冬季来临时的温度水平，提升其抗冻胀的潜力；在冬季时，系统可实时补偿一部分热能，改善寒冷天气下过度热量损失引起的路基过冷状态。

4.2.2 供热性能试验

图4 供热装置的制作Fig. 4 Manufacturing of heating device

图4为路基专用太阳能供热系统装置(下文简称“供热装置”)的制作，通过磁控溅射镀膜、玻璃-金属熔封[20]、焊接等工艺，制作出1套如图3所示结构的供热装置。其中，玻璃-金属封接型真空集热管的内部金属管的直径为32 mm、外部玻璃管的直径为70 mm，整体高度为2060 mm；路基供热段金属管的高度为1500 mm；单个供热装置的光热转换率约为40%～60%。

搭建路基专用太阳能供热试验系统，包括供热装置、模型箱、数据采集系统等。该试验系统的设计方案及试验系统实物如图5所示。

图5 试验系统的设计方案及实物图Fig. 5 Design scheme and drawing of test system

为体现不同条件下供热装置的热性能，在露天环境下选择不同的太阳辐射条件进行试验，每组试验时间为1 d，共进行10组。试验期间的太阳辐射条件及供热装置的供热温度水平如表2所示。

表2 试验期间的太阳辐射条件及供热装置的供热温度水平Table 2 Solar radiation condition and heating temperature level of heating device during test

从表2可以看出，在良好的太阳辐射条件下，玻璃-金属封接型真空集热管的最高集热温度可以达到60 ℃以上，路基供热段的日均供热温度可以达到约42 ℃，说明该供热装置的集热性能良好。

单个供热装置的日均供热温度与日均太阳辐照量的相关关系如图6所示。图中，R为相关系数。

图6 供热装置的日均供热温度和日均太阳辐照量的相关关系Fig. 6 Relationship between average daily heating temperature of heating device and average daily solar irradiation

从图6中可以看出，供热装置的日均供热温度与日均太阳辐照量呈正相关关系。虽然路基专用太阳能供热系统的集热性能受到太阳辐射条件、环境温度等多种因素的影响，但当该供热装置埋设于路基时，由于土体热阻大，路基供热段可以保持相对稳定的边界温度。因此，可采用单因素的简化预测方法计算供热装置的日均供热温度Ts，其公式为：

式中，S为日均太阳辐照量，MJ/m2。

4.2.3 日均供热温度的预测模型

太阳辐射条件主要由直射辐射和散射辐射组成，是路基专用太阳能供热系统设计的基础数据。童成立等[21]介绍了一个晴朗天气下日均太阳辐射量S′的逐日计算模型，即：

式中，a为透明度系数，一般取0.73～0.83；β为日照百分率；K为常数，MJ/(m2•d)，本文取118.12；E为地球轨道偏心率修正系数；Φ为地球维度；δ为太阳赤纬角；W为太阳时角。

E的计算式为[21]：

式中，Γ为年角，单位为弧度。

Γ的计算式为[21]：

式中，n为一年中的日序数，即第几日。

δ的计算式为[21]：

W的计算式为[21]：

联立式(1)、式(2)，即可建立不同地区的路基专用太阳能供热系统单个供热装置的日均供热温度预测模型。

以属于冻土区的黑龙江省齐齐哈尔市为例对路基专用太阳能供热系统单个供热装置的日均供热温度预测模型进行验证。齐齐哈尔地区位于48°N，a取0.73、β取60%。1年中齐齐哈尔地区的逐日日均太阳辐射量S′和供热装置的日均供热温度Ts预测结果如图7所示。

图7 1年中齐齐哈尔地区的逐日日均太阳辐射量和供热装置的日均供热温度预测结果Fig. 7 Prediction results of average daily solar radiation and average daily heating temperature of heating device in Qiqihar area during a year

从图7可以看出，1年中齐齐哈尔地区的日均太阳辐射量范围为5～25 MJ/m2，相应的供热装置的日均供热温度范围为20～40 ℃。由于建筑环境调节或工业热利用对太阳能供热系统的供热温度的要求较高，导致太阳能供热系统的输出连续性和季节匹配性不足。但是，路基的温度保持在0 ℃以上即可根除冻胀现象，因此，20～40 ℃这一供热温度范围对于路基防冻胀而言是有效的。

4.2.4 供热范围

根据均质半无限地基中热源的传热测试结果[22-23]，土体在加热条件下会经历快速升温、缓慢升温、温度相对稳定这3个阶段，由于土体的热扩散系数较低，热源表面温度和热输入率在持续供热的条件下一般可以保持相对稳定的水平。根据图7中的数据，可计算获取单个供热装置的日均供热功率为21.5 W，日均供热温度为36.7 ℃。以这一结果为例，基于地基中线热源计算模型[19]，结合土体的导热系数取值范围0.5～2.5 W/(m•K)[24]，可得出单个供热装置的供热半径约为0.9～2.1 m，即路基专用太阳能供热系统中2个供热装置间的布置间距可设计为1.8～4.2 m。

4.3 路基专用地源热泵系统

4.3.1 结构形式

路基专用地源热泵系统由直接膨胀式热泵单元和自动化控制单元组成。直接膨胀式热泵单元的示意图如图8所示，路基专用地源热泵系统的结构形式如图9所示。

图8 直接膨胀式热泵单元的能量转化示意图Fig. 8 Schematic diagram of energy conversion of direct-expansion heat pump unit

图9 路基专用地源热泵系统的结构形式Fig. 9 Structure of ground-source heat pump system for subgrade

路基专用地源热泵系统的直接膨胀式热泵单元整体呈立柱状，其中，蒸发集热段和冷凝供热段为螺旋盘管，压缩机通过消耗电能做功驱动热泵单元内部制冷剂的循环相变，节流器用来调节制冷剂的流量和压力。自动化控制单元包括温度传感器和智能控制器，其可以预设热泵单元的供热温度或启停间隔。

供热温度采用位式控制法控制，路基专用地源热泵系统的工作原理为：预设的目标供热温度为T1、回差温度为T2、实测温度为T，当T＜T1‒T2时，路基专用地源热泵系统启动运行；当T≥T1时，系统停机；如此循环来控制路基专用地源热泵系统的供热温度。

由于浅层地热能的储量大，地源热泵系统的供热性能稳定，因此本设计的路基专用地源热泵系统的应用思路为：当气候极端寒冷、路基热负荷较大或需要进行冻胀病害应急抢险时，路基专用地源热泵系统采用连续运行模式来快速、集中地向冻胀地层输送热量；当路基冻胀程度较低或热负荷较小时，系统则采用间歇运行模式。

4.3.2 供热性能试验

根据图9的路基专用地源热泵系统的结构形式图，通过机械盘管、管路焊接、电气连接等工艺，制作出1套路基专用地源热泵系统的实物，制作现场如图10所示。其中，冷凝供热段和蒸发集热段的管径均为90 mm，高度分别为1 m和2 m；选择1台功率为166 W的全封闭活塞式压缩机；整个路基专用地源热泵系统的供热量约0.5 kW。

图10 路基专用地源热泵系统的制作Fig. 10 Manufacturing of ground-source heat pump system for subgrade

在某冻土区搭建路基专用地源热泵试验系统。将直接膨胀式热泵单元埋设于1个四棱形土堆的中心位置，热泵单元的管壁上布置1排温度传感器，然后在土体中按照25 cm的间距布置3排温度传感器。系统的布设示意图如图11所示，图中TA、TB均代表温度传感器，角标数字表示其所在位置。试验的现场情况如图12所示。

图11 路基专用地源热泵系统的布设示意图(单位：cm)Fig. 11 Layout diagram of ground-source heat pump system for subgrade (Unit: cm)

图12 路基专用地源热泵系统的试验现场情况Fig. 12 Test site conditions of ground-source heat pump system for subgrade

为验证路基专用地源热泵系统的自动化输出功能，试验方案将系统的目标供热温度顺次设置为30 ℃、45 ℃、60 ℃，回差温度均为5 ℃，每个目标供热温度的试验时间为24 h，总试验时间为72 h。试验时间选择在2019年12月，日均气温约为-1.4 ℃。路基专用地源热泵系统的工作温度如图13所示。

图13 路基专用地源热泵系统的工作温度的分布特征Fig. 13 Distribution characteristics of work temperature of ground-source heat pump system for subgrade

从图13可以看出，在路基专用地源热泵系统启动之后，系统的供热温度迅速升高，可保持在预设的目标供热温度水平范围内，说明系统的自动化功能良好；系统进入正常运行状态后的集热温度保持在0 ℃以下，最低可达到-11 ℃，说明系统能够有效地搜集稳定地层的地热能。同时，系统的集热温度随着供热温度的提高而逐渐增大，这是因为当预设的目标供热温度较高时，压缩机需要连续运行，从而导致内部制冷剂的循环温度增高。

路基专用地源热泵系统周围土体温度场的变化特征如图14所示。图中，X代表土层的横向宽度，Y代表土层的纵向深度；原点为热泵单元所在位置。

图14 路基专用地源热泵系统周围土体温度场的变化特征(单位：℃)Fig. 14 Change characteristics of soil temperature field around ground-source heat pump system for subgrade(Unit: ℃)

由图14可以看出，在路基专用地源热泵系统冷凝供热段，其周围的土体形成了近似椭圆形的升温区，随着土体温度逐渐升高，升温区域范围由中心向外扩散，热泵单元起到了显著的柱状热源作用；随着试验时间的增加，6 ℃等温线逐步向外侧移动，最初的负温冻胀区域逐渐缩小。同时，在路基专用地源热泵系统蒸发集热段周围土层形成近似三角形的降温区域，随着试验时间的增加，0 ℃等温线逐步向外侧移动，这表明系统蒸发集热段的吸热效应明显。因此，路基专用地源热泵系统可以高效地将稳定地层的热量提升至上部冻胀地层。

4.3.3 制热系数

根据热泵的压缩式热力循环原理[19]，在不同目标供热温度下，路基专用地源热泵系统的制热系数COP的计算结果如图15所示。

从图15可以看出，在不同目标供热温度下，路基专用地源热泵系统的COP值在4.52～7.37之间。由于电热源的COP为1.0，而太阳能热源和常规热源的COP均小于1.0，因此相比而言，路基专用地源热泵系统具有高能效、低能耗的节能优势。

图15 在不同目标供热温度下，路基专用地源热泵系统的制热系数计算结果Fig. 15 Calculation results of COP of ground-source heat pump system for subgrade under different target heating temperature

同时从图15还可以看出，路基专用地源热泵系统的COP随着目标供热温度的增大而逐渐减小。这是因为预设的目标供热温度越高，热负荷越大，制冷剂在冷凝供热段中的冷凝压力会相应提高；而路基专用地源热泵系统的节流部件采用的是节流器，制冷剂全部参与热力循环，冷凝压力提高会引起压缩机轴功增大，最终降低了系统的COP。因此在实际应用时，应根据路基的冻胀程度，合理选择路基专用地源热泵系统的运行模式与目标供热温度，以保证系统的供热效果和低能耗。

4.4 路基专用供热系统的布置方案

综上所述，通过供热方法比选、可再生能源分布调查、装置结构设计与制作、供热性能试验等工作，设计了分别以不同可再生能源作为热源的应用于路基工程的供热系统。2种供热系统均为小型集成式系统，适合采用分布式“孤岛”运行方式。在实际应用时，路基专用供热系统的布置方案的设计步骤为：

1)根据路基发生冻胀的位置及深度，确定供热系统供热段的尺寸(直径、高度)及布设位置(路肩、边坡中部或坡脚)。

2)基于路基地温变化规律，计算路基的热负荷及防冻胀所需的供热量。

3)若采用路基专用太阳能供热系统，需根据路基所处的大气环境条件，确定该供热系统的集热温度及其对应的供热范围，进而确定供热系统的太阳能集热段尺寸(吸热管高度、面积)；若采用路基专用地源热泵系统，需根据路基附近地基稳定地层的热储量条件，确定直接膨胀式热泵单元的布置间距，以及压缩机功率与蒸发器的尺寸。

路基专用太阳能供热系统布设在路基坡脚时的一种布设方案如图16所示。

图16 路基专用太阳能供热系统布设于路基坡脚的方案示意图Fig. 16 Schematic diagram of layout of solar heating system for subgrade at foot of subgrade slope

5 结论

本文分析了现有路基防冻胀方法的局限性，对比选择出适用于路基工程的供热种类；针对热源的分散供应问题，分析了利用太阳能和浅层地热能等可再生能源技术供热的可行性，并设计了分别以这2种可再生能源作为热源的路基专用供热系统。

1)现有的路基防冻胀方法侧重于控制填料土质的冻胀敏感性和含水率，保温措施局限于调节自然温差传热过程，均属于被动性方法。更有效的路基防冻胀方法是在冬季实时补偿路基的过度热量损失，即附加一个人工热量传输过程主动向路基补偿热量，该方法属于供热学科范畴。实现路基主动供热的关键在于选择合理的热源供应方式和装置形式，以满足路基防冻胀所需的供热温度、分散供热及供热深度等要求。

2)太阳能和浅层地热能是2种分布广泛的可再生能源。我国冻土区均位于太阳能利用条件良好的Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ类地区，且太阳能热利用技术成熟。浅层地热能的优势在于其具有稳定性和连续性。地源热泵属于一种高效的热量提升装置，在我国冻土区具有良好的技术性和资源性条件。

3)路基专用供热系统的结构形式应为一体化的小型集成系统，供热装置的形式为立柱状。路基专用太阳能供热系统的主要部件为玻璃-金属封接型真空集热管，1年内日均供热温度的模型预测结果为20～40 ℃，满足路基防冻胀所需的供热要求。路基专用地源热泵系统可以自动化地输出30 ℃、45 ℃、60 ℃等不同水平的目标供热温度，但其COP随目标供热温度的提高而降低。