基于可再生能源供熱技術的凍土區(qū)路基防凍脹方法研究

胡田飛

(1. 石家莊鐵道大學 省部共建交通工程結構力學行為與系統安全國家重點實驗室，石家莊 050043；2. 石家莊鐵道大學 土木工程學院，石家莊 050043)

0 引言

對于凍土區(qū)的路基工程，在大氣環(huán)境和外部荷載等因素的作用下，填料中的水分和土微粒的遷移會引起路基凍脹變形導致其病害現象的產生。因此，如何防治路基凍脹病害是凍土區(qū)鐵路與公路工程的關鍵問題。路基防凍脹方法主要包括換填法、土質改良法、防排水法、保溫法等[1]。目前，哈大高速鐵路、哈齊高速鐵路、蘭新高速鐵路等凍土區(qū)高速鐵路主要采用上述防凍脹方法。監(jiān)測表明，既有措施可以有效降低凍脹變形量，但是無法杜絕凍脹的發(fā)生，因此凍脹依然是凍土區(qū)高速鐵路運營面臨的主要障礙之一[2-4]。

根據工程熱力學第二定律，在自然條件下，熱量會自發(fā)地從高溫物體向低溫物體轉移[5]。在冬季，相比于低溫大氣環(huán)境，路基屬于高溫熱源，因此路基向大氣環(huán)境的傳熱過程具有自發(fā)性和不可逆性?，F有的路基保溫措施僅可通過增大路基邊界的熱阻來減小熱量損失，無法消除負溫這一關鍵的凍脹發(fā)生條件，屬于被動性方法。因此，更為有效的防凍脹方法是在冬季人為創(chuàng)造高于路基溫度的高溫熱源，通過附加人工熱量傳輸過程主動向路基補償熱量，使填料保持在冰點溫度以上，即可消除凍脹現象[6]。根據建筑環(huán)境與能源應用工程理論[7-8]，路基防凍脹問題實質上屬于“供熱”范疇。

綜上，本文針對路基主動供熱方法，分析了現有路基防凍脹措施的局限性，對比選擇出適用于路基工程的供熱種類；針對熱源的分散供應問題，分析利用太陽能和淺層地熱能等可再生能源技術供熱的可行性；最后，設計了2種分別以可再生能源作為熱源的路基專用供熱系統，并進行了集熱性能試驗，驗證了這一新方向的實用性。

1 路基防凍脹方法的改進方向

1.1 現有路基防凍脹方法的局限性

土體凍脹是由土質、水分和溫度共同作用的結果，因此改進三者中的任一因素就可以阻止凍脹的發(fā)生。

1)對于土質改良方法，以往普遍認為凍脹敏感性土質是導致路基出現凍脹現象的主要原因之一，填料級配是路基防凍脹工作的核心[9]。但是，凍土區(qū)高速鐵路凍脹變形監(jiān)測結果表明，路基中部分含水率低或遠離地下水的級配碎石層也普遍存在凍脹現象，進而危及了行車安全。由于土壤中水分的存在，凍脹是土體構筑物的固有屬性，因此無法從土質改良角度來完全消除凍脹現象。

2)對于水分控制方法，水是路基出現凍脹現象的主要因素，并且其還會對路基本體承載力造成影響，因此一般首先考慮防水、排水措施。但由于路基處于一個開敞的地質和氣候環(huán)境中，任何措施都不能完全隔絕地下水、大氣降水等因素對填料水分變化的影響。

3)對于溫度控制方法，被動保溫措施只能有限地減小路基在冬季的熱量損失[10]，以此可以延遲凍脹的出現時間和降低凍脹變形程度，但不能嚴格控制凍脹的出現，尤其缺乏凍脹病害應急搶險功能。

1.2 路基防凍脹方法的發(fā)展新方向

從傳熱改良方向來看，路基在溫暖季節(jié)獲得更多的輸入熱量有利于抵消其在寒冷季節(jié)的嚴寒環(huán)境下受到的冷侵蝕，提升路基的抗凍脹潛力；同時，在冬季主動地向路基輸入熱量將填料溫度保持在凍結溫度以上，可以完全消除凍脹。這一技術思路類似于人居環(huán)境的冬季供暖。因此，路基防凍脹方法的一個發(fā)展新方向是以溫度為直接控制對象，提出一種路基主動供熱方法。

由于路基凍脹病害具有分散性強、分布深度深等特殊性，因此，針對路基主動供熱方法的供熱技術應滿足以下要求：

1)供熱溫度應高于路基填料的凍結溫度；

2)供熱量應大于路基凍脹臨界點的熱量損失；

3)供熱裝置系統集成化，使供熱系統具有分散且便捷的熱量來源，可以獨立實現持續(xù)的供熱；

4)供熱深度應大于路基的最大凍結深度；

5)供熱裝置便于布設，不會影響路基的正常使用。

因此，將供熱技術引入路基工程需考慮的關鍵問題包括：1)供熱方法的選擇；2)熱量來源的分散供應；3)供熱系統形式的設計。

2 供熱方法的對比選擇

2.1 常規(guī)熱源和電熱源

供熱技術是一門歷史悠久的學科，方法多樣，技術成熟[11]。常規(guī)熱源指采用礦物燃料，通過中間的管網和末端的散熱器來輸配熱量，主要面向大面積和大負荷的集中供熱應用場景。電熱源是直接將電能轉換為熱能，該方式的生產過程不產生污染，工作環(huán)境清潔，已嘗試應用于一些基礎設施的維護中，例如將發(fā)熱電纜應用于路面融雪、管道保溫等[12]。但是，電熱源受限于交通沿線的基礎設施落后，常規(guī)熱源會導致熱力管網的投資規(guī)模過大，因此這2種方式面向路基的適用性較差。

2.2 可再生能源

太陽能是儲量最大的一種可再生能源，其中，太陽能熱利用技術主要采用平板集熱器和真空集熱管等[13]。平板集熱器多用于低溫領域，輸出溫度一般低于100 ℃，光熱轉換率較低。真空集熱管的吸熱體和外壁之間為真空環(huán)境，多用于中、高溫領域，具有集熱效率高、溫度升高快、熱能儲存和輸出性能好等優(yōu)點。

淺層地熱能是指地表低溫熱能，其利用方式為地源熱泵。在交通巖土工程領域，已提出將熱泵與各類土工構筑物聯合來實現地熱利用的“能源地下工程”理念，用于防治凍土區(qū)隧道洞口段的凍脹病害[14]。業(yè)界還提出了一種“能源樁”，是通過向樁基礎嵌入一種熱泵換熱部件來實現承載和供熱的雙重功能，可用于路面融雪、除冰等[15-16]。但是在既有應用中，熱泵多為間接換熱式機組，雖然這種機組的熱容量大，但其系統復雜，更適用于小范圍的集中供熱，無法滿足大面積的分散供熱需求。

2.3 小結

綜上可知，從技術成本和可持續(xù)發(fā)展的角度來看，面向路基工程時，常規(guī)熱源和電熱源均不適用。而太陽能和淺層地熱能分布廣泛、利用便捷，雖然會受季節(jié)、天氣等因素的影響，但是路基的熱惰性強，不會受到熱源不連續(xù)的影響，因此，以太陽能和淺層地熱能作為路基熱源的適用性較好。

3 可再生能源供熱技術的應用條件

3.1 太陽能

我國各地的年總太陽輻射量范圍在3344～8400 MJ/m2之間，根據年總太陽輻射量的差別，共可分為5類太陽能利用條件地區(qū)，具體如表1所示[17]。

我國凍土區(qū)，尤其是青藏高原、西北地區(qū)、華北北部和東北地區(qū)等地表凍深較深且路基凍脹病害嚴重的凍土區(qū)，從表1可以看出，這些地區(qū)屬于太陽能利用條件良好的Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ類地區(qū)，年日照時數均大于2000 h，年總太陽輻射量均高于5000 MJ/m2，這些地區(qū)的面積約占全國總面積的2/3以上。

表1 我國太陽能利用條件地區(qū)分布的分級標準[17]Table 1 Grading standard of regional distribution of solar energy utilization conditions in China[17]

以太陽能作為路基主動供熱方法的熱源時，可采用太陽能真空集熱管。太陽能真空集熱管主要由內部吸熱體和外層玻璃管組成，吸熱體材質采用玻璃或金屬，其表面附著光譜選擇性吸收涂層。由于全玻璃真空集熱管在嚴寒氣候或荷載沖擊作用下容易破裂損壞，導致其內部工質泄漏；而玻璃-金屬封接型真空集熱管的結構強度大，具有集熱溫度高、耐久性好等優(yōu)點，因此，路基主動供熱方法采用玻璃-金屬封接型真空集熱管。該真空集熱管應用于路基工程時，一方面，傳熱工質在真空集熱管的內部金屬管內，在嚴寒環(huán)境中不會因凍裂而泄漏；另一方面，內部金屬管的抗震性好，適用于路基震動工況。

3.2 淺層地熱能

相較于太陽能的季節(jié)波動性，地熱能的儲量穩(wěn)定、季節(jié)連續(xù)性較好。根據勘查，在我國西部、華北和東北等凍土區(qū)均有豐富的地熱能分布[18]。其中，淺層地熱能的分布尤其廣泛，且利用難度較低。

熱泵的工作原理為逆卡諾循環(huán)，如圖1所示，其是利用化學工質的氣、液循環(huán)變化來實現熱量的搜集、轉化和傳遞。一般熱泵中的冷凝器可以釋放4～7倍于電能的熱量，同時提高冷凝器外壁的溫度，是一種高效的熱量提升裝置。

目前，地源熱泵在系統運行特性、地層傳熱規(guī)律及性能優(yōu)化等方面的研究已十分成熟。在我國凍土區(qū)，淺層地熱能資源性條件和地源熱泵的系統運行效率、供熱性能等系統性條件均具有良好的可靠性。

圖1 熱泵的系統組成及工作流程Fig. 1 System composition and workflow of heat pump

3.3 小結

總體而言，太陽能和淺層地熱能利用的優(yōu)勢在于其分布廣泛，是容易獲取的中低溫熱源；并且我國凍土區(qū)的太陽能、淺層地熱能資源分布豐富，利用技術成熟，可以滿足路基主動供熱方法針對熱源的分散供應需求。

4 路基專用供熱系統的設計與驗證

4.1 路基專用供熱系統的設計要求

路基主動供熱的特殊性在于路基的凍結深度大，最大可達3 m以上，而路基專用供熱系統裝置的供熱深度應大于最大凍結深度；同時，由于路基不能中斷運營，因此路基專用供熱系統應具有體積小和布設方式靈活的技術特征[19]。綜上，路基專用供熱系統的發(fā)展方向應為小型集成化系統，供熱裝置采用便于機械化鉆孔布設的柱狀形式。

4.2 路基專用太陽能供熱系統

4.2.1 結構形式

路基專用太陽能供熱系統的能量轉化示意圖如圖2所示，其裝置形式如圖3所示。其中，太陽能集熱段采用玻璃-金屬封接型真空集熱管，路基供熱段采用金屬管，兩者內部均灌注導熱油，并采用法蘭進行直通式連接。

路基專用太陽能供熱系統的工作流程為：玻璃-金屬封接型真空集熱管壁面的選擇性吸收涂層將太陽光轉換為熱能，然后向內傳遞給導熱油；導熱油升溫引起供熱段金屬管與土體的溫差，熱能由此傳遞給低溫路基。由于土體熱阻大，傳熱效率低，真空集熱管采用靜態(tài)熱傳導方式。當路基熱負荷較大或應用于凍脹病害應急搶險時，也可以采用溶液泵強制導熱油內循環(huán)來優(yōu)化路基專用太陽能供熱系統的供熱效果。

圖2 路基專用太陽能供熱系統的能量轉化示意圖Fig. 2 Schematic diagram of energy conversion of solar heating system for subgrade

圖3 路基專用太陽能供熱系統裝置的結構形式Fig. 3 Structure of device of solar heating system for subgrade

由于太陽輻射條件具有季節(jié)波動性，路基專用太陽能供熱系統的供熱方案設置為全季節(jié)運行，即將路基視為熱量載體，在太陽輻射量較大的夏季、春季和秋季，高效地向路基預儲熱能，提高路基在冬季來臨時的溫度水平，提升其抗凍脹的潛力；在冬季時，系統可實時補償一部分熱能，改善寒冷天氣下過度熱量損失引起的路基過冷狀態(tài)。

4.2.2 供熱性能試驗

圖4 供熱裝置的制作Fig. 4 Manufacturing of heating device

圖4為路基專用太陽能供熱系統裝置(下文簡稱“供熱裝置”)的制作，通過磁控濺射鍍膜、玻璃-金屬熔封[20]、焊接等工藝，制作出1套如圖3所示結構的供熱裝置。其中，玻璃-金屬封接型真空集熱管的內部金屬管的直徑為32 mm、外部玻璃管的直徑為70 mm，整體高度為2060 mm；路基供熱段金屬管的高度為1500 mm；單個供熱裝置的光熱轉換率約為40%～60%。

搭建路基專用太陽能供熱試驗系統，包括供熱裝置、模型箱、數據采集系統等。該試驗系統的設計方案及試驗系統實物如圖5所示。

圖5 試驗系統的設計方案及實物圖Fig. 5 Design scheme and drawing of test system

為體現不同條件下供熱裝置的熱性能，在露天環(huán)境下選擇不同的太陽輻射條件進行試驗，每組試驗時間為1 d，共進行10組。試驗期間的太陽輻射條件及供熱裝置的供熱溫度水平如表2所示。

表2 試驗期間的太陽輻射條件及供熱裝置的供熱溫度水平Table 2 Solar radiation condition and heating temperature level of heating device during test

從表2可以看出，在良好的太陽輻射條件下，玻璃-金屬封接型真空集熱管的最高集熱溫度可以達到60 ℃以上，路基供熱段的日均供熱溫度可以達到約42 ℃，說明該供熱裝置的集熱性能良好。

單個供熱裝置的日均供熱溫度與日均太陽輻照量的相關關系如圖6所示。圖中，R為相關系數。

圖6 供熱裝置的日均供熱溫度和日均太陽輻照量的相關關系Fig. 6 Relationship between average daily heating temperature of heating device and average daily solar irradiation

從圖6中可以看出，供熱裝置的日均供熱溫度與日均太陽輻照量呈正相關關系。雖然路基專用太陽能供熱系統的集熱性能受到太陽輻射條件、環(huán)境溫度等多種因素的影響，但當該供熱裝置埋設于路基時，由于土體熱阻大，路基供熱段可以保持相對穩(wěn)定的邊界溫度。因此，可采用單因素的簡化預測方法計算供熱裝置的日均供熱溫度Ts，其公式為：

式中，S為日均太陽輻照量，MJ/m2。

4.2.3 日均供熱溫度的預測模型

太陽輻射條件主要由直射輻射和散射輻射組成，是路基專用太陽能供熱系統設計的基礎數據。童成立等[21]介紹了一個晴朗天氣下日均太陽輻射量S′的逐日計算模型，即：

式中，a為透明度系數，一般取0.73～0.83；β為日照百分率；K為常數，MJ/(m2?d)，本文取118.12；E為地球軌道偏心率修正系數；Φ為地球維度；δ為太陽赤緯角；W為太陽時角。

E的計算式為[21]：

式中，Γ為年角，單位為弧度。

Γ的計算式為[21]：

式中，n為一年中的日序數，即第幾日。

δ的計算式為[21]：

W的計算式為[21]：

聯立式(1)、式(2)，即可建立不同地區(qū)的路基專用太陽能供熱系統單個供熱裝置的日均供熱溫度預測模型。

以屬于凍土區(qū)的黑龍江省齊齊哈爾市為例對路基專用太陽能供熱系統單個供熱裝置的日均供熱溫度預測模型進行驗證。齊齊哈爾地區(qū)位于48°N，a取0.73、β取60%。1年中齊齊哈爾地區(qū)的逐日日均太陽輻射量S′和供熱裝置的日均供熱溫度Ts預測結果如圖7所示。

圖7 1年中齊齊哈爾地區(qū)的逐日日均太陽輻射量和供熱裝置的日均供熱溫度預測結果Fig. 7 Prediction results of average daily solar radiation and average daily heating temperature of heating device in Qiqihar area during a year

從圖7可以看出，1年中齊齊哈爾地區(qū)的日均太陽輻射量范圍為5～25 MJ/m2，相應的供熱裝置的日均供熱溫度范圍為20～40 ℃。由于建筑環(huán)境調節(jié)或工業(yè)熱利用對太陽能供熱系統的供熱溫度的要求較高，導致太陽能供熱系統的輸出連續(xù)性和季節(jié)匹配性不足。但是，路基的溫度保持在0 ℃以上即可根除凍脹現象，因此，20～40 ℃這一供熱溫度范圍對于路基防凍脹而言是有效的。

4.2.4 供熱范圍

根據均質半無限地基中熱源的傳熱測試結果[22-23]，土體在加熱條件下會經歷快速升溫、緩慢升溫、溫度相對穩(wěn)定這3個階段，由于土體的熱擴散系數較低，熱源表面溫度和熱輸入率在持續(xù)供熱的條件下一般可以保持相對穩(wěn)定的水平。根據圖7中的數據，可計算獲取單個供熱裝置的日均供熱功率為21.5 W，日均供熱溫度為36.7 ℃。以這一結果為例，基于地基中線熱源計算模型[19]，結合土體的導熱系數取值范圍0.5～2.5 W/(m?K)[24]，可得出單個供熱裝置的供熱半徑約為0.9～2.1 m，即路基專用太陽能供熱系統中2個供熱裝置間的布置間距可設計為1.8～4.2 m。

4.3 路基專用地源熱泵系統

4.3.1 結構形式

路基專用地源熱泵系統由直接膨脹式熱泵單元和自動化控制單元組成。直接膨脹式熱泵單元的示意圖如圖8所示，路基專用地源熱泵系統的結構形式如圖9所示。

圖8 直接膨脹式熱泵單元的能量轉化示意圖Fig. 8 Schematic diagram of energy conversion of direct-expansion heat pump unit

圖9 路基專用地源熱泵系統的結構形式Fig. 9 Structure of ground-source heat pump system for subgrade

路基專用地源熱泵系統的直接膨脹式熱泵單元整體呈立柱狀，其中，蒸發(fā)集熱段和冷凝供熱段為螺旋盤管，壓縮機通過消耗電能做功驅動熱泵單元內部制冷劑的循環(huán)相變，節(jié)流器用來調節(jié)制冷劑的流量和壓力。自動化控制單元包括溫度傳感器和智能控制器，其可以預設熱泵單元的供熱溫度或啟停間隔。

供熱溫度采用位式控制法控制，路基專用地源熱泵系統的工作原理為：預設的目標供熱溫度為T1、回差溫度為T2、實測溫度為T，當T＜T1?T2時，路基專用地源熱泵系統啟動運行；當T≥T1時，系統停機；如此循環(huán)來控制路基專用地源熱泵系統的供熱溫度。

由于淺層地熱能的儲量大，地源熱泵系統的供熱性能穩(wěn)定，因此本設計的路基專用地源熱泵系統的應用思路為：當氣候極端寒冷、路基熱負荷較大或需要進行凍脹病害應急搶險時，路基專用地源熱泵系統采用連續(xù)運行模式來快速、集中地向凍脹地層輸送熱量；當路基凍脹程度較低或熱負荷較小時，系統則采用間歇運行模式。

4.3.2 供熱性能試驗

根據圖9的路基專用地源熱泵系統的結構形式圖，通過機械盤管、管路焊接、電氣連接等工藝，制作出1套路基專用地源熱泵系統的實物，制作現場如圖10所示。其中，冷凝供熱段和蒸發(fā)集熱段的管徑均為90 mm，高度分別為1 m和2 m；選擇1臺功率為166 W的全封閉活塞式壓縮機；整個路基專用地源熱泵系統的供熱量約0.5 kW。

圖10 路基專用地源熱泵系統的制作Fig. 10 Manufacturing of ground-source heat pump system for subgrade

在某凍土區(qū)搭建路基專用地源熱泵試驗系統。將直接膨脹式熱泵單元埋設于1個四棱形土堆的中心位置，熱泵單元的管壁上布置1排溫度傳感器，然后在土體中按照25 cm的間距布置3排溫度傳感器。系統的布設示意圖如圖11所示，圖中TA、TB均代表溫度傳感器，角標數字表示其所在位置。試驗的現場情況如圖12所示。

圖11 路基專用地源熱泵系統的布設示意圖(單位：cm)Fig. 11 Layout diagram of ground-source heat pump system for subgrade (Unit: cm)

圖12 路基專用地源熱泵系統的試驗現場情況Fig. 12 Test site conditions of ground-source heat pump system for subgrade

為驗證路基專用地源熱泵系統的自動化輸出功能，試驗方案將系統的目標供熱溫度順次設置為30 ℃、45 ℃、60 ℃，回差溫度均為5 ℃，每個目標供熱溫度的試驗時間為24 h，總試驗時間為72 h。試驗時間選擇在2019年12月，日均氣溫約為-1.4 ℃。路基專用地源熱泵系統的工作溫度如圖13所示。

圖13 路基專用地源熱泵系統的工作溫度的分布特征Fig. 13 Distribution characteristics of work temperature of ground-source heat pump system for subgrade

從圖13可以看出，在路基專用地源熱泵系統啟動之后，系統的供熱溫度迅速升高，可保持在預設的目標供熱溫度水平范圍內，說明系統的自動化功能良好；系統進入正常運行狀態(tài)后的集熱溫度保持在0 ℃以下，最低可達到-11 ℃，說明系統能夠有效地搜集穩(wěn)定地層的地熱能。同時，系統的集熱溫度隨著供熱溫度的提高而逐漸增大，這是因為當預設的目標供熱溫度較高時，壓縮機需要連續(xù)運行，從而導致內部制冷劑的循環(huán)溫度增高。

路基專用地源熱泵系統周圍土體溫度場的變化特征如圖14所示。圖中，X代表土層的橫向寬度，Y代表土層的縱向深度；原點為熱泵單元所在位置。

圖14 路基專用地源熱泵系統周圍土體溫度場的變化特征(單位：℃)Fig. 14 Change characteristics of soil temperature field around ground-source heat pump system for subgrade(Unit: ℃)

由圖14可以看出，在路基專用地源熱泵系統冷凝供熱段，其周圍的土體形成了近似橢圓形的升溫區(qū)，隨著土體溫度逐漸升高，升溫區(qū)域范圍由中心向外擴散，熱泵單元起到了顯著的柱狀熱源作用；隨著試驗時間的增加，6 ℃等溫線逐步向外側移動，最初的負溫凍脹區(qū)域逐漸縮小。同時，在路基專用地源熱泵系統蒸發(fā)集熱段周圍土層形成近似三角形的降溫區(qū)域，隨著試驗時間的增加，0 ℃等溫線逐步向外側移動，這表明系統蒸發(fā)集熱段的吸熱效應明顯。因此，路基專用地源熱泵系統可以高效地將穩(wěn)定地層的熱量提升至上部凍脹地層。

4.3.3 制熱系數

根據熱泵的壓縮式熱力循環(huán)原理[19]，在不同目標供熱溫度下，路基專用地源熱泵系統的制熱系數COP的計算結果如圖15所示。

從圖15可以看出，在不同目標供熱溫度下，路基專用地源熱泵系統的COP值在4.52～7.37之間。由于電熱源的COP為1.0，而太陽能熱源和常規(guī)熱源的COP均小于1.0，因此相比而言，路基專用地源熱泵系統具有高能效、低能耗的節(jié)能優(yōu)勢。

圖15 在不同目標供熱溫度下，路基專用地源熱泵系統的制熱系數計算結果Fig. 15 Calculation results of COP of ground-source heat pump system for subgrade under different target heating temperature

同時從圖15還可以看出，路基專用地源熱泵系統的COP隨著目標供熱溫度的增大而逐漸減小。這是因為預設的目標供熱溫度越高，熱負荷越大，制冷劑在冷凝供熱段中的冷凝壓力會相應提高；而路基專用地源熱泵系統的節(jié)流部件采用的是節(jié)流器，制冷劑全部參與熱力循環(huán)，冷凝壓力提高會引起壓縮機軸功增大，最終降低了系統的COP。因此在實際應用時，應根據路基的凍脹程度，合理選擇路基專用地源熱泵系統的運行模式與目標供熱溫度，以保證系統的供熱效果和低能耗。

4.4 路基專用供熱系統的布置方案

綜上所述，通過供熱方法比選、可再生能源分布調查、裝置結構設計與制作、供熱性能試驗等工作，設計了分別以不同可再生能源作為熱源的應用于路基工程的供熱系統。2種供熱系統均為小型集成式系統，適合采用分布式“孤島”運行方式。在實際應用時，路基專用供熱系統的布置方案的設計步驟為：

1)根據路基發(fā)生凍脹的位置及深度，確定供熱系統供熱段的尺寸(直徑、高度)及布設位置(路肩、邊坡中部或坡腳)。

2)基于路基地溫變化規(guī)律，計算路基的熱負荷及防凍脹所需的供熱量。

3)若采用路基專用太陽能供熱系統，需根據路基所處的大氣環(huán)境條件，確定該供熱系統的集熱溫度及其對應的供熱范圍，進而確定供熱系統的太陽能集熱段尺寸(吸熱管高度、面積)；若采用路基專用地源熱泵系統，需根據路基附近地基穩(wěn)定地層的熱儲量條件，確定直接膨脹式熱泵單元的布置間距，以及壓縮機功率與蒸發(fā)器的尺寸。

路基專用太陽能供熱系統布設在路基坡腳時的一種布設方案如圖16所示。

圖16 路基專用太陽能供熱系統布設于路基坡腳的方案示意圖Fig. 16 Schematic diagram of layout of solar heating system for subgrade at foot of subgrade slope

5 結論

本文分析了現有路基防凍脹方法的局限性，對比選擇出適用于路基工程的供熱種類；針對熱源的分散供應問題，分析了利用太陽能和淺層地熱能等可再生能源技術供熱的可行性，并設計了分別以這2種可再生能源作為熱源的路基專用供熱系統。

1)現有的路基防凍脹方法側重于控制填料土質的凍脹敏感性和含水率，保溫措施局限于調節(jié)自然溫差傳熱過程，均屬于被動性方法。更有效的路基防凍脹方法是在冬季實時補償路基的過度熱量損失，即附加一個人工熱量傳輸過程主動向路基補償熱量，該方法屬于供熱學科范疇。實現路基主動供熱的關鍵在于選擇合理的熱源供應方式和裝置形式，以滿足路基防凍脹所需的供熱溫度、分散供熱及供熱深度等要求。

2)太陽能和淺層地熱能是2種分布廣泛的可再生能源。我國凍土區(qū)均位于太陽能利用條件良好的Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ類地區(qū)，且太陽能熱利用技術成熟。淺層地熱能的優(yōu)勢在于其具有穩(wěn)定性和連續(xù)性。地源熱泵屬于一種高效的熱量提升裝置，在我國凍土區(qū)具有良好的技術性和資源性條件。

3)路基專用供熱系統的結構形式應為一體化的小型集成系統，供熱裝置的形式為立柱狀。路基專用太陽能供熱系統的主要部件為玻璃-金屬封接型真空集熱管，1年內日均供熱溫度的模型預測結果為20～40 ℃，滿足路基防凍脹所需的供熱要求。路基專用地源熱泵系統可以自動化地輸出30 ℃、45 ℃、60 ℃等不同水平的目標供熱溫度，但其COP隨目標供熱溫度的提高而降低。