應用半導體制冷技術維護多年凍土區地基熱穩定性試驗研究

苗學云,米維軍,趙永虎

(中鐵西北科學研究院有限公司，甘肅 蘭州 730000)

1 概述

隨著全球氣候變暖進程加快，我國多年凍土的退化也出現了加速現象，多年凍土地基存在著不同程度的病害[1]。青藏鐵路現場調查及研究顯示，多年凍土區已建路基本體及路基以下活動層的固結沉降大部分在短時間內能夠完成，但凍土路基的融沉病害仍持續產生[2]。

長期監測系統的數據顯示，青藏鐵路多年凍土區部分地段的普速鐵路路基自2006年以來下沉量多達250 mm，部分普速路基陽側的多年凍土上限較多年凍土天然上限下降多達1.5～2.0 m，甚至在高溫多年凍土區下降多達4.76 m[3]。較大融沉路段均位于高含冰量凍土地段，其中多年凍土區橋梁、涵洞過渡段的路基下沉較為顯著，橋頭路基最大下沉量接近100 cm，非橋頭路基的最大下沉量也達到數十厘米之多[4]。多年凍土區的公路路基普遍存在著不均勻沉陷、坑槽、翻漿、縱(橫)向裂縫、路肩坍塌等病害。這主要是由瀝青路面下融化槽密切相關的路基凍脹與熱融下沉造成的[5]。

針對多年凍土路基的熱融與凍脹病害特征，目前普遍采用的防治措施主要有2種：①片石、碎石鋪設在地基外側或與天然地面交接層處形成熱屏障，主要是利用其高熱阻阻止外界熱量向多年凍土層傳輸，并利用大空隙空氣對流作用，使外界冷空氣通過對流向下傳遞。這種方法在暖季可以阻止外界熱量向多年凍土地基傳輸，但無法解除全球氣候升溫對多年凍土地基帶來的影響。在寒季，片石、碎石路基表面及空隙易被積雪、風沙覆蓋或填充而降低效果，同時該路基面高熱阻作用也降低了大氣本身對多年凍土地基的凍結能力。②將熱棒埋設在多年凍土層中增加多年凍土層的冷儲量。該方法利用寒季多年凍土層與大氣之間的溫差，通過熱棒內部制冷劑的液汽兩相轉換對流循環作用，將多年凍土層中的熱量傳輸到大氣中，實現增加多年凍土層冷儲量的目的[6]，但熱棒在暖季幾乎停止工作，制冷效果受到季節變化的限制。

基于以上2種常規措施的技術缺陷，在熱棒制冷原理基礎上研發一種半導體制冷裝置。其特點是對于溫差要求明顯，在青藏高原大溫差的工作環境有利于其發揮較大制冷效率。在實際應用中，可采用太陽能光伏板或風力發電機作為電能供應源，可在暖季主動制冷，有效抵御暖季高溫對多年凍土地基的熱侵蝕，維護其穩定。

半導體制冷又稱熱電制冷、溫差制冷、電子制冷或珀爾貼制冷等。這種制冷技術早在1821年由德國科學家Thomas Seebac首次提出，1834年法國的物理學家Jean Peltier和法國的一位表匠才發現了熱電制冷的內在科學原理，被稱為賽貝克效應與珀爾貼效應。從發現珀爾貼效應開始，利用帕爾帖效應制造熱電制冷器已經有一百多年的歷史[7-8]。20世紀50～60年代，隨著國際上熱電性能較好的半導體材料的迅猛發展，熱電效應的效率大大提高，才使半導體熱電發電和熱電制冷進入工程實踐領域，在國防、工業、農業、商業、醫療和日常生活等領域獲得廣泛應用[9]。

近年來，隨著科學技術的迅猛發展，半導體致冷器件的材料體系、摻雜種類與濃度、制造工藝等技術性難題被攻破。我國研制的半導體材料性能已經處于國際領先水平。據相關資料顯示，我國自主研發的高效半導體熱電元件，其優值系數已在原來的基礎上成倍增長，可以超過13×10-3K-1，現在高效的半導體制冷器在溫差50 ℃時，制冷系數大于3，制冷效率還能高于個別壓縮機制冷效率(收式或蒸汽噴射式制冷機制冷系數為2.5～5.0)[10-13]。

2 制冷裝置的工作原理

青藏高原多年凍土區具有豐富的太陽能和風能。采用太陽能電池板或風動發電機可有效地將多年凍土區豐富的自然能源轉化為電能，再通過電能帶動安裝于熱棒過渡段的半導體制冷器工作，促使熱棒過渡段與蒸發段產生驅動溫差。這樣，既在寒季能夠加大熱棒的制冷工作效率，增強多年凍土層的冷儲量，又在暖季能夠啟動熱棒制冷工作，抵御大氣熱量對多年凍土層的侵蝕。

2.1 普通熱棒工作原理

熱棒是一種汽液兩相對流循環的密封管導熱裝置，主要由散熱段、過渡段、蒸發段經通管連接而成。蒸發段置于多年凍土層中，散熱段置于大氣中，制冷工質充灌于蒸發段中。在寒季，當蒸發段的溫度高于散熱段溫度時，蒸發段的液態制冷劑蒸發為氣態，并上升至散熱段處冷凝成液態而回流至蒸發段中；在熱侵蝕最為嚴重的暖季，當散熱段的溫度等于或大于蒸發段的溫度時，制冷工質停止循環，熱棒停止工作，則無法保護多年凍土[14]。

2.2 半導體制冷原理

半導體制冷裝置在普通熱棒結構基礎上，將半導體安裝于熱棒的過渡段處，通過半導體制冷降低過渡段處的溫度，并使其溫度低于蒸發段的溫度，從而使蒸發段中的液態制冷劑蒸發為氣態，上升至過渡段處并冷凝成液態而回流至蒸發段中，以此強制熱棒啟動工作。在寒季，當散熱段的溫度低于蒸發段處的溫度時，能夠強化熱管制冷循環工作；在暖季，當散熱段的溫度不低于蒸發段處的溫度時，強制熱棒啟動制冷循環工作。

3 半導體制冷現場實體試驗

3.1 試驗場地概況

半導體制冷裝置試驗場地在青藏高原風火山地區。風火山又名隆青吉布山，有的地圖標名為烽火山。

從江源地區山脈分布來看，風火山地區屬橫列于北麓河與沱沱河之間的冬布里山的一段，地處可可西里東南，距離青海省格爾木市區380 km，海拔約 4 700～5 010 m[14]。風火山地區的地層以砂巖、泥巖、砂礫土、角礫土、黏砂土、砂黏土為主，屬多年凍土區。試驗場地位于風火山觀測站，地勢較平緩，如圖1所示。

圖1 風火山試驗場地地質斷面

如圖1所示，風火山試驗場地地層埋深0～0.3 m為黏砂土層，含水率為30%，未凍結；0.3～6.5 m為砂礫石土層，多年凍土上限埋深為2 m，其中0.3～2.0 m為季節活動層；6.5 m及以下為砂黏土層，多年凍土層。其各層的導熱系數、熱容量、導溫系數見表1。

表1 風火山試驗場地地層物理參數

試驗場中，熱棒埋設間距為5 m，在普通熱棒的過渡段安裝半導體制冷器。試驗場中的半導體制冷器利用水冷散熱形式，其動力采用太陽能與風能發電。

在風火山試驗場地進行了2組平行試驗，分別埋設了普通熱棒和半導體制冷裝置，2種制冷裝置的蒸發段都埋設于6 m深的地層,并在寒季2016年12月和暖季2017年4—9月期間觀測0～6.0 m深度范圍的天然地溫、普通熱棒側壁溫度、半導體制冷裝置側壁溫度。通過對比這三類溫度變化情況，研究半導體制冷裝置的制冷效果，并驗證采用半導體制冷裝置替代普通熱棒的可行性。

3.2 月均溫度變化分析

3.2.1 天然地溫變化情況

2016年12月—2017年9月天然地溫隨深度變化的月均溫度曲線見圖2。可知，其中寒季(2016年12月)地溫曲線隨著深度的增加呈冪函數形式遞增，其地溫由地面的-10.57 ℃遞增至地下5.5 m處的-1.57 ℃。在暖季，天然地溫隨著深度的增加呈遞減的趨勢，其中8月份地面達到暖季最高溫度，地面最高溫度達到6.89 ℃，最低溫度為4月份深度2.0 m處的-3.20 ℃。

圖2 天然地溫月均溫度曲線

圖3 普通熱棒側壁月均溫度曲線

3.2.2 普通熱棒側壁溫度變化情況

普通熱棒側壁月均溫度曲線見圖3。可知，在寒季(2016年12月)普通熱棒側壁溫度在0～6.0 m深度范圍內先遞增后逐漸趨于平穩，溫度由地面的-15.61 ℃遞增至地下6.0 m處的-6.26 ℃，其中地面至地下1.0 m處地溫增幅較大，ΔT達到10.24 ℃，1.0～6.0 m地溫增幅很小，ΔT僅為0.18 ℃。在2017年暖季，4月、5月普通熱棒側壁月均溫度隨深度的增加先遞減后略有回升，而6月、7月、8月月均地溫隨深度近似呈冪函數遞減，9月份側壁溫度呈對數函數形式遞減，其中7月份地面普通熱棒側壁地溫達到最高溫度6.79 ℃，4月份地下2.5 m處達到最低溫度-3.72 ℃。

3.2.3 半導體制冷裝置側壁溫度變化情況

半導體制冷裝置側壁溫度月均變化曲線見圖4。可知，在寒季半導體側壁溫度隨深度增加先遞增后趨于平穩，1.0～6.0 m地溫曲線基本趨于“垂直”，其側壁溫度由地面的-10.44 ℃遞增至6.0 m處的-6.80 ℃。在暖季2017年4月、5月、6月半導體側壁月均溫度隨深度的增加逐步遞增并趨于平穩，而2017年7月、8月、9月月均地溫隨深度的增加呈近似冪函數遞減。其中，8月份地面半導體側壁達到最高溫度5.90 ℃，最低溫度為4月份地下2.0 m處的-3.20 ℃。

圖4 半導體制冷裝置側壁月均溫度曲線

3.3 半導體制冷與天然地溫月均差對比分析

半導體制冷裝置側壁溫度與天然地溫月均差曲線見圖5。可知，在寒季月均差曲線隨著深度的增加呈冪函數形式遞減，月均差值基本處于“負溫區”，表明在寒季半導體側壁溫度在0～6.0 m深度范圍比天然溫度低，其差值范圍為-5.48～-2.21 ℃。在暖季2017年4—9月，月均差曲線分布也在“負溫區”，其月均差較差值為-3.80～-0.81 ℃。

圖5 半導體制冷裝置側壁溫度與天然地溫月均差曲線

綜上所述，在寒季和暖季，半導體制冷裝置溫度在0～6.0 m深度范圍均比天然地溫低，表明半導體制冷裝置起到了降溫效果。

3.4 半導體與熱棒月均差分析

半導體制冷裝置與普通熱棒的側壁溫度月均差曲線見圖6。可知，在寒季從0.5～6.0 m深度范圍內，月均差曲線位于“負溫區”，可見半導體制冷裝置較普通熱棒溫度低，其差值范圍為-0.92～-0.13 ℃。在暖季2017年4—9月由地面至地下6.0 m深度范圍內，除 2017年4月深度4.5～5.5 m的范圍月均差曲線在“正溫區”，其余深度范圍月均差曲線均在“負溫區”，其較熱棒降溫副值為1.16～2.06 ℃。

圖6 半導體制冷裝置與普通熱棒的側壁溫度月均差曲線

綜上所述，無論在寒季還是暖季，半導體側壁溫度較普通熱棒低，其中在暖季半導體制冷裝置的降溫效果更為顯著。

4 半導體制冷裝置實際降溫效果對比分析

制冷裝置在試驗場地實際降溫效果，涉及到各地層的實際溫度變化情況。由于地層溫度場在不同地層、不同徑向范圍內，其溫度變化情況有明顯的相關性和規律性。為進一步分析半導體制冷裝置的實際降溫效果，在對2016年12月—2017年9月間的監測數據整理分析的基礎上，主要針對各地層在監測時段范圍內的月度最低溫度和均值溫度這兩項“特征值”作為判定實際降溫效果的“指標”。因此，有必要結合現場數據監測工作分析2種制冷裝置的月度最低溫度和均值溫度對比情況。

4.1 最低溫度對比研究

圖7 最低溫度對比曲線

最低溫度對比曲線見圖7。由圖7(a)可知，天然地溫和制冷裝置的最低溫度在0～1.0 m范圍隨深度增加有逐漸升高的趨勢，在1.0～6.0 m深度范圍曲線逐漸趨于平穩。其中半導體制冷裝置在各層中的Tmin最低，均值達到-7.21 ℃，普通熱棒其次，Tmin均值為-7.02 ℃，天然地溫的Tmin均值達到-3.77 ℃。由圖7(b)可知，半導體制冷裝置與天然地溫Tmin相較差在0～6.0 m深度范圍內，隨著深度的增加逐漸降低，由0.5 m處的-2.21 ℃逐漸降低至5.5 m處的-4.22 ℃，均值達到-3.74 ℃；普通熱棒與天然地溫相較差在0.5～6.0 m深度范圍內，由0.5 m處的-2.08 ℃ 逐漸降低至6.0 m處的-3.53 ℃，均值達到-3.10 ℃；半導體制冷裝置與普通熱棒制冷最低溫度相較差在0.5 m處達到最大值-0.13 ℃，在1.0 m處達到最小值-1.55 ℃，均值為-0.64 ℃。

4.2 均值溫度對比分析

均值溫度對比曲線見圖8。由圖8(a)可知，由天然地溫和制冷裝置的在2016年12月及2017年4—9月的均值溫度隨深度的增加溫度逐漸降低，其中，天然地溫的均值溫度由地表1.45 ℃逐漸降低至5.0 m的-2.23 ℃，均值為-1.06 ℃；半導體制冷裝置的均值溫度由地表處的0.35 ℃，遞減至5.5 m處的-3.15 ℃，均值為-2.45 ℃；普通熱棒的均值溫度最大值與最小值溫度較差ΔT達到0.73 ℃，均值為-2.06 ℃。由圖8(b)可知，半導體制冷裝置與天然地溫之間的均值溫度較差值在0～6.0 m深度范圍內，隨著深度的增加先減小至1.0 m處的最小值-2.40 ℃，后逐漸遞增至5.0 m 處的最大值-0.88 ℃，均值為-1.39 ℃；普通熱棒與天然地溫相較差變化趨勢與前者相同，在1.5 m處達到最小值-1.44 ℃，在0.5 m處達到最大值-0.78 ℃，均值達到-1.0 ℃；半導體制冷裝置與普通熱棒制冷均值溫度隨著深度的增加先減小后逐漸增加，在1.0 m處達到最小值-1.04 ℃，在5.0 m處達到最大值-0.1 ℃，均值為-0.39 ℃。

圖8 均值溫度對比曲線

綜上所述，由制冷裝置和天然地溫的最低溫度和均值溫度對比分析，半導體制冷裝置這兩項“特征值”均最低,熱棒其次、天然地溫較高。

5 結論

1)無論在暖季還是寒季，半導體制冷裝置能起到降溫的作用，在寒季半導體側壁溫度比天然溫度低，其差值為-5.48～-2.21 ℃，在暖季差值為-3.80～-0.81 ℃；

2)無論在暖季還是寒季，半導體側壁溫度較普通熱棒低，其中在寒季差值為 -0.92～-0.13 ℃，在暖季半導體制冷裝置的降溫效果更為顯著，其差值為-2.06～-1.16 ℃；

3)從最低溫度和均值溫度對比分析來看，半導體制冷裝置的這兩項“特征值”均更低，其中最低溫度較熱棒低0.13～1.55 ℃；均值溫度較熱棒低0.1 ～1.04 ℃。

綜合來看，半導體制冷裝置能有效降低地層溫度，減小凍融層厚度，比熱棒制冷溫度更低，可有效增加多年凍土區地基冷儲量，且受季節溫度變化干擾小，維護地基的穩定性更有效。研究成果為下一步半導體制冷裝置在實體路基試驗段進行現場應用奠定了理論基礎，也使后續用半導體制冷裝置替代熱棒以維護地基熱穩定成為可能。

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