機械式制冷熱管對多年凍土的制冷效果研究

趙永虎，崔 雍，米維軍，韓龍武，熊治文

(1.中鐵西北科學研究院有限公司，蘭州 730000；2.中鐵科學研究院有限公司，成都 610032)

路基防護技術是多年凍土區鐵路、公路等重大工程建設的重要研究方面，隨著共玉高速公路、青藏高速公路那(區)拉(薩)段、省道308線公路等項目的快速實施，研發高效、綠色、環保、主動防護多年凍土熱穩定技術成為研究的熱點和難點。應用于青藏鐵路、青藏公路路基防護技術主要有重力式熱管(以下簡稱“熱管”)、通風管、碎石護坡、遮陽板、旱橋等，由于其具有“主動降溫、冷卻地基”等特性，對解決多年凍土區路基病害、保持路基穩定起到了重要作用[1，2]。熱管因傳熱能力大、使用壽命長而廣泛應用于多年凍土區鐵路、公路、隧道進出口、輸電線路塔基等路基和基礎的冷卻防護中，僅在青藏鐵路格拉段采用熱管防護路基的長度達32 km[3]。劉錕等研究了熱管在多年凍土區隧道洞口淺埋段的應用效果，發現熱管群可以顯著降低隧道洞口圍巖溫度，提高了圍巖強度，可以有效解決凍土區隧道圍巖的凍融破壞問題[4]。李永強等研究了管徑大小、蒸發段長度、埋設方式等因素對熱管產冷量及降溫效果的影響[5]。溫智等分析了保溫板-熱管組合式結構對多年凍土路基的冷卻效果，發現組合式結構可以發揮各自優勢，能夠更好地保護多年凍土[6]。樊凱等對發卡式熱管-隔熱層復合路基的作用機理、結構設計等進行了研究，并首次提出了發卡式熱管的結構設計和施工工藝[7]。馮振剛采用室內模擬試驗對甲醇、甲苯、水等不同工質的熱管對瀝青混合料車轍試驗試件降溫效果進行了研究，并采用數值仿真分析了不同工質熱管對瀝青路面的降溫機理[8]。劉偉博等對熱管在多年凍土區機場跑道中的應用現狀進行了總結[9]。汪雙杰等基于能量平衡理論，從時間和空間維度對多年凍土區公路工程熱管路基的能量調節過程及其效果進行了分析[10]。侯彥東等對青藏鐵路高溫凍土區普通路基和碎石護坡-熱管復合補強措施的路基溫度場的變化特征進行了研究[11]。徐安花[12]、房建宏等[13]采用數值仿真技術，對214線共和—玉樹高速公路普通路基、熱管路基和熱管保溫板復合結構路基在全球氣候變暖背景條件下的地溫場特征進行了研究。梁恒祥等[14]對半導體熱管的可行性進行了現場試驗研究。曹彥國等[15]對熱管技術和地源熱泵技術聯合應用于寒區隧道凍害防治進行了探索研究。

然而由于熱管特殊的工作原理和工作條件，只能在寒季將地基內的熱量傳出地表，但在需要制冷的暖季幾乎停止工作或工效很低，難以將土體內的熱量傳至周圍空氣環境中，工作時間和效率方面受季節性的影響很大[16]，而暖季又是路基出現融沉、翻漿等病害的季節，因此，如何將熱管進行簡單改造或與其他技術聯合，使得熱管在暖季也能正常運行，將對保護多年凍土路基、防治凍土路基融沉病害、保護高原環境等具有重要的意義[17]。

課題組從維護多年凍土地基穩定、改善普通熱管制冷效果的角度出發，研制了基于太陽能和風能技術的新型機械式制冷裝置即機械式制冷熱管，形成了相應的專利技術[18-19]，并在多年凍土區風火山試驗研究基地對其應用效果進行了現場試驗，本文重點對機械式制冷熱管的工作原理及其第一循環年度周期的制冷效果進行分析，以便為多年凍土區路基防護新技術研究和探索提供新的方向，并為青藏鐵路、青藏高速公路等高寒區重大工程建設中路基防護措施選擇提供借鑒和參考。

1 機械式制冷熱管工作原理

1.1 熱管工作原理

熱管，又稱熱棒、熱虹吸管等，是氣液兩相對流循環系統中熱傳輸效率很高的一種無源冷卻裝置，其下端為蒸發段(吸熱段)，上端為冷凝段(放熱段)，在兩段中間為絕熱段(圖1)，管內一般注入低沸點工質(如液氨等)。在寒冷季節，由于多年凍土溫度高于空氣溫度，即蒸發段溫度高于冷凝段溫度時，蒸發器中的液體工質吸收周圍土體中的熱量而變成氣體蒸發上升至冷凝段，與溫度較低的冷凝段側壁接觸，通過散熱片將熱量散發到空氣中。蒸汽工質在冷凝段遇冷后形成液體工質，在重力作用下，液體工質沿熱管側壁回流至蒸發段，在溫差作用下繼續蒸發，如是循環，將土體中的熱量源源不斷地傳遞到空氣中，確保了土體的熱平衡與熱穩定。而在暖季，由于多年凍土溫度低于空氣溫度，即蒸發段溫度低于冷凝段溫度時，液體工質蒸發后形成的蒸汽到達冷凝段后不能冷凝，熱管內氣液兩相達到平衡，液體停止蒸發，導致熱管停止工作，大氣環境中的熱量不能通過熱管傳遞至土體中，間接保護了多年凍土[3，5]。

圖1 普通熱管工作原理

在暖季，外界環境中的熱量多以表面土體直接吸收的方式傳遞到活動層中，并向多年凍土層逐步深入，使多年凍土上限深度逐漸降低，增加了活動層的厚度，顯然，這與保護多年凍土的原則是相違背的，因此，普通熱管在暖季低效工作或幾乎不工作的缺點，需要采用其他方式進行改善和優化。

1.2 機械式制冷熱管工作原理

機械式制冷熱管主要分為蒸發段、暖季冷暖段、寒季冷凝段3部分(圖2)，即比普通熱管多了暖季冷暖段，在地面以上的絕熱段加了機械式制冷設備，將該段在暖季強制制冷，使熱管內部形成溫度差，即ΔT3<ΔT1，從而導致液體工質從蒸發段向熱管頂部蒸發，并在暖季冷暖段冷凝后回流至熱管底部，如是循環，將土體中的熱量源源不斷地傳遞到空氣中，并用太陽能、風能或電能給制冷機組提供動力，保證機械式制冷熱管在暖季能正常循環工作[18-19]。

與普通熱管相比，機械式制冷熱管不僅在冬季發揮普通熱管的功效，而且在暖季也能連續工作，將多年凍土層內的熱量傳遞至大氣環境中，因此，彌補了普通熱管在暖季不工作或低效的缺陷，可以更好地確保多年凍土層的熱穩定性。

圖2 機械式制冷熱管原理示意

2 機械式制冷熱管現場試驗概述

2.1 試驗場地工程地質條件

機械式制冷熱管現場試驗選擇在青藏高原中鐵西北科學研究院風火山凍土定位觀測站，位于風火山北麓，介于昆侖山與唐古拉山之間，北緯34°43′，東經92°52′，研究基站海拔約4 780 m。青藏鐵路從站后約1 km處通過。該地區為高寒氣候區，年平均地面溫度約為-2.4 ℃；風火山觀測站2010～2015年的平均風速為4.1 m/s，2016年平均風速為3.9 m/s。年平均地溫由1978年的-2.3 ℃升高到2016年的-1.30 ℃，平均升溫速率為0.032 ℃/a，凍土類型由低溫穩定多年凍土變為低溫基本穩定多年凍土[20]。

風火山地區的地層主要為砂巖、泥巖、砂礫土、角礫土、黏土等，試驗場地表層0～0.3 m為黏土，含水率約為30%；0.3～6.5 m為砂礫石土層，6.5 m及以下為砂巖、泥巖互層。多年凍土上限埋深為1.3～2.5 m，多年凍土層的體積含冰量為10%～25%[20]。

2.2 現場布設及數據采集方式

現場試驗中，共采用了2組機械式制冷熱管進行平行對比，編號為NMCT-1和NMCT-2、天然地溫監測孔(TRDW)和普通熱管(PTRG)孔各1組，水平間距均為5 m(圖3)，埋設深度均為6 m。機械式制冷熱管側壁、普通熱管側壁和天然孔內均安裝有溫度測試元件，各測點沿深度方向的距離為0.5 m，總長度為6.0 m，從地表至鉆孔底部共計13個測點。

圖3 風火山試驗場地試驗裝置平面布置(單位：m)

溫度測試元器件各測點的工作頻率為6組/月，每組溫度采集頻率為1次/h，即在24 h內采集24次。為使溫度變化具有準確性，每組數據24次采集完成后，取日均值，每月6組數據采集完成后，則取月均值進行效果分析，對比發現編號為NMCT-2的制冷裝置月均地溫略低于編號為NMCT-1的制冷裝置月均地溫，因此，采用編號為NMCT-2的制冷裝置月均地溫數據，進行埋設裝置后的第一年度循環周期內的現場試驗效果分析。

3 機械式制冷熱管試驗效果分析

3.1 月均溫度分析

圖4分別為天然地溫、普通熱管和機械式制冷熱管側壁月均溫度變化曲線，從圖4可以看出，隨著深度的增加，天然地溫、普通熱管和機械式制冷熱管側壁溫度大部分呈冪函數變化，個別月份變化趨勢比較零散，整體來看，活動層范圍內土體溫度變化比較紊亂，這是受地表環境溫度的影響造成的，而在多年凍土上限深度2.0 m以下范圍內的土體溫度基本上比較穩定，只是隨月份呈現較小波動。

從圖4(a)可以看出，在寒季(11月份～次年5月份)，從地表至2.0 m深度范圍內的地溫變化范圍為-0.06～-5.13 ℃，均值為-2.10 ℃；2.0 m深度以下范圍土體的地溫變化為-3.17～-0.04 ℃，均值為-2.02 ℃。在暖季(6月份～10月份)，2.0 m深度以上土體溫度變化為6.34～-1.37 ℃，均值為2.04 ℃；2.0～6.0 m之間多年凍土層的溫度在-2.38～-0.19 ℃之間變化，均值為-1.50 ℃。

圖4 月均溫度變化曲線

從圖4(b)、圖4(c)可以看出，在寒季，普通熱管和機械式制冷熱管側壁溫度在2.0 m以上變化范圍分別為-7.21～-1.33 ℃、-9.70～-1.71 ℃，平均為-3.46 ℃、-4.64 ℃；2.0～6.0 m以下地溫變化范圍分別為-6.54～-2.40 ℃、-9.56～-3.37 ℃，平均為-3.82 ℃、-5.13 ℃。而在暖季，普通熱管和機械式制冷熱管側壁溫度在2.0 m以上變化范圍分別為-1.71～5.06 ℃、-1.93～5.09 ℃，平均為0.86 ℃、0.51 ℃；2.0 m以下變化范圍分別為-2.49～-0.55 ℃、-2.86～-0.67 ℃，平均為-1.75 ℃、-2.04 ℃。在一整年循環周期內，普通熱管和機械式制冷熱管的月均溫度分別在活動層中為-1.06 ℃、-1.78 ℃，在多年凍土層2.0～6.0 m中為-2.67 ℃、-3.41 ℃。

從上述分析得知，在活動層0～2.0 m范圍內，機械式制冷熱管側壁溫度比普通熱管側壁溫度在寒季和暖季均分別低1.18 ℃、0.35 ℃；在多年凍土層2.0～6.0 m范圍中，機械式制冷熱管側壁溫度比普通熱管側壁溫度在寒季和暖季均分別低1.31 ℃、0.29 ℃。因此，無論是在寒季還是暖季，在相同月份、同一深度處，機械式制冷熱管側壁月均溫度比普通熱管側壁月均溫度在活動層和多年凍土層中均低很多，普通熱管側壁溫度比天然地溫略低，因此，在相同條件下，機械式制冷熱管對多年凍土層的制冷效果比普通熱管制冷效果更佳。

3.2 月均溫差分析

圖5分別為普通熱管和機械式制冷熱管側壁溫度與天然地溫三者的月均溫差變化曲線。

圖5 不同條件下月均溫差變化曲線

從圖5(a)看出，普通熱管與天然地溫之間的溫差存在較大差異，從地表到3.0 m深度范圍內，普通熱管與天然地溫之間的溫差為-1.91～2.42 ℃，平均為0.34 ℃，說明在地表到3.0 m深度范圍內普通熱管側壁月均溫度與天然地溫比較接近。3.0 m以下深度普通熱管側壁月均溫度與天然地溫差異性較大，二者溫差范圍為-11.44～5.82 ℃，平均為-1.43 ℃，說明3.0 m以下深度普通熱管側壁月均溫度比天然地溫低得多。

從圖5(b)看出，機械式制冷熱管與天然地溫的溫差最大出現在12月份，其次為11月份，溫差隨深度近似呈“S”形曲線變化，其余月份二者溫差比較接近。在12月份和11月份，二者溫差分別在-7.99～-4.57 ℃、-4.12～-2.30 ℃之間變化，平均為-6.49 ℃、-3.20 ℃。4月份～10月份二者溫差在深度2.5 m以上波動較大，變化范圍為-2.90～-0.30 ℃，平均為-1.24 ℃；而在2.5 m以下基本比較平穩，變化范圍為-1.26～-0.27 ℃，平均為-0.66 ℃，并且隨月份溫差有一定變化，而隨深度二者溫差基本不變。總體來看，多年凍土上限深度以上范圍機械式制冷熱管側壁月均溫度比天然地溫低-6.19～-0.52 ℃，多年凍土上限深度以下機械式制冷熱管側壁月均溫度也比天然地溫低-7.99～-0.27 ℃。

從圖5(c)看出，機械式制冷熱管側壁溫度與普通熱管側壁溫度之間的溫差最大出現在12月份，其次為11月份，溫差隨深度變化很紊亂，其余月份二者溫差相對比較接近。在12月份和11月份，二者溫差分別在-3.24～-1.47 ℃、-1.79～-0.82 ℃之間變化，平均為-2.33 ℃、-1.50 ℃。4月份～10月份二者溫差在深度1.5 m以上波動較大，變化范圍為-1.22～-0.13 ℃，平均為-0.45 ℃；而在1.5 m以下基本比較平穩，變化范圍為-0.83～-0.12 ℃，平均為-0.39 ℃，隨月份溫差有一定變化，而隨深度二者溫差基本不變。從整年總體來看，多年凍土上限深度以上范圍機械式制冷熱管與普通熱管二者溫差范圍為-2.77～-0.13 ℃，平均為-0.74 ℃；多年凍土上限深度以下二者溫差范圍為-3.24～-0.12 ℃，平均為-0.74 ℃。

3.3 最低溫度對比分析

圖6 不同類型熱管最低溫度對比曲線

為了進一步對比機械式制冷熱管側壁溫度和普通熱管側壁溫度在月均最低溫度時的差異性，取在寒季12月份的最低溫度進行分析，圖6為機械式制冷熱管側壁溫度和普通熱管側壁溫度在12月份的變化曲線，從0.5～6.0 m深度范圍內，機械式制冷熱管側壁月均溫度范圍為-9.70～-7.76 ℃，平均為-8.63 ℃，最低溫度在0.5 m深度處達到-9.70 ℃；普通熱管側壁月均溫度范圍為-7.21～-5.37 ℃，平均為-6.30 ℃，月均最低溫度在距地表0.5 m處達到-7.21 ℃；機械式制冷熱管側壁最低溫度和普通熱管側壁最低溫度之間的溫差范圍為-3.24～-1.47 ℃，平均為-2.33 ℃。

分別在活動層和多年凍土層中，機械式制冷熱管和普通熱管之間的溫差范圍分別為-2.77～-1.78 ℃，-3.24～-1.47 ℃，平均為-2.31 ℃、-2.34 ℃。即在12月份，機械式制冷熱管比普通熱管在活動層和多年凍土層中的平均溫度分別低2.31 ℃和2.34 ℃。由此看來，僅在12月份，機械式制冷熱管應該明顯比普通熱管可提高活動層的溫度約2.3 ℃，因此，機械式制冷熱管對多年凍土層和活動層的制冷效果比普通熱管制冷效果更優。

3.4 月均積溫對比分析

圖7為不同類型熱管和天然地溫的積溫對比曲線。從圖7可以看出，在2016年12月份，機械式制冷熱管、普通熱管和天然地溫的積溫分別為-103.6(℃·d)、-75.6(℃·d)、-25.7(℃·d)，機械式制冷熱管在12月份的積溫是普通熱管積溫的1.4倍，同比之下，機械式制冷熱管在10月份和11月份的積溫分別是普通熱管積溫的1.8倍和1.6倍，在8月份和9月份機械式制冷熱管的積溫分別是普通熱管積溫的1.4倍和2.1倍。從整年計算得到，即機械式制冷熱管的年積溫約為普通熱管年積溫的1.9倍，由此充分說明，與普通熱管相比，機械式制冷熱管可充分發揮對多年凍土的制冷效果，增加多年凍土層和活動層的冷儲量，抬高多年凍土上限深度，可以有效保護多年凍土的穩定性。

圖7 不同類型熱管和天然地溫的積溫對比曲線

4 結論

通過對機械式制冷熱管在風火山凍土定位觀測站的現場試驗，對比分析了第一年度循環周期內機械式制冷熱管與普通熱管對多年凍土的制冷效果，主要結論如下。

(1)機械式制冷熱管可以彌補普通熱管在暖季工效低或幾乎不工作的缺陷，能在暖季和寒季同時帶走活動層中的熱量，增加冷儲量，有效保護多年凍土。

(2)分別在寒季和暖季，機械式制冷熱管比普通熱管的側壁溫度在活動層0～2.0 m范圍中低2.77～0.39 ℃、1.22～0.13 ℃；在多年凍土層2.0～6.0 m范圍中低3.24～0.52 ℃、0.55～0.12 ℃。機械式制冷熱管年均溫度比普通熱管年均溫度在活動層和多年凍土層均低0.74 ℃。

(3)分別在暖季和寒季，機械式制冷熱管積溫是普通熱管積溫的1.4倍～2.1倍、1.4倍～1.8倍，機械式制冷熱管的年積溫約為普通熱管年積溫的1.9倍。

(4)研究成果可為新型機械式制冷熱管技術在多年凍土熱穩定維護中的應用提供理論依據。