季节性冻土区路基专用太阳能主动供热装置研究(5)

图9 逐日太阳辐照量和供热温度预测结果

5.2 供热量与路基热损量对比

根据文献[19]计算结果，东北地区单线铁路路基在冬季持续冻胀时间约4个月，对应的热损值约为每延米1 230 kJ·d-1。按照图2所示布设方案，参考现场布设条件、装置制作与施工成本等因素，装置纵向间距应在2.0 m以上。以本文试验为例，路基在冻胀期间的热损量约为每延米147.83 MJ，全年太阳能供热输入值为152.25 MJ，装置供热量与路基热损量的关系如图10所示。由图10可以看出，在10月至次年2月冻胀期间，路基的逐日热量损失值数倍于供热量，装置在冬季难以实时完全弥补路基热损；从全年来看，装置的合计供热量则可以保持路基热量收支平衡，并提高路基全年平均温度水平。因此，实际应用时应合理设计太阳能供热装置的布设间距，保证装置全年运行，供热模式以夏季预储热量为主，冬季实时补热为辅。

图10 装置供热量与路基热损量对比

6 路基供热装置长期运行性能的数值模拟

6.1 计算模型

以某季节性冻土区路基为例，采用Open-POAM 冻土计算平台的热学计算模块[30]，进行太阳能供热装置防冻胀效果的数值模拟研究。路基模型的横断面尺寸如图11所示，参数取值见表5。当土中含水率较低时，冻土和融土的热力学参数差异较小，本模拟中冻土、融土热力学参数取值相同。模型边界条件为：底边界取恒定温度5.0℃，2侧取绝热边界，上边界设置为第一类热学边界条件，采用式（10）所示正弦函数形式。太阳能供热装置的供热段长度5 m、直径100 mm，为恒温边界，热输出温度采用图9的计算结果。计算过程为，首先在无供热条件下求解30 a后温度场，然后加入供热装置计算。作为对比，同步计算1个没有供热的普通路基。

图11 计算模型（单位：m）

表5 土层计算参数编号ⅠⅡⅢ密度/(kg·m-3)2 200 1 860 1 750导热系数/(W·m-1·℃-1)1.49 1.31 1.17比热容/(J·kg-1·℃-1)900 1 185 1 380

式中：T0为年均温度；A0为年振幅；t为时间。式（10）中，路基面、天然地表和2侧边坡的T0分别取7.8，3.3和4.9℃，A0分别取15.7，24.1和17.5℃。

6.2 供热效果

图12为太阳能供热装置工作第1年11月1日的路基温度场。由图12可以看出：在太阳能供热作用下，路基内部在入冬时形成1个以12℃为边界的完整高温区域，且区域内温度随着与装置供热段距离的减小而增大；相比而言，普通路基仅在路基面下方形成1个小范围的类似区域；此外，相比地基土体，路基填料的导热系数较大、而比容热较小，因此气候环境对路基的热影响相比地基更为显著，路基表层等温线分布密集。

图12 装置实施第1年11月1日的路基温度场（单位：℃）

图13为太阳能供热装置工作第2年3月1日的路基温度场。由图13可以看出，由于夏季预储热量的延缓作用和冬季实时补热作用，供热路基在冬季临近结束时仅在路基面表层形成较小范围的负温冻结区；而普通路基的冻结深度可达约1.5 m，且路基顶面、边坡与2侧地表形成了成片连续的冻结区域。

综上，在太阳能供热装置全年运行条件下，通过夏季预储热量和冬季实时补热相结合的模式，可以有效地增大路基的抗冻胀潜能，减小冻胀危害。同时，由于路基表面仍存在一定深度负温冻胀区，实际应用时可结合EPS 保温垫层、XPS 保温垫层、相变蓄热材料、保温护道等被动性保温措施，形成防冻胀效果更优的主被动复合热防护体系。此外，还应对太阳能供热装置参数（供热容量、吸热管与供热段几何尺寸、横断面布设位置、纵向布设间距）的精细化设计及其与路基工况、太阳能资源等条件的匹配方法进行深入研究。

图13 装置实施第2年3月1日路基温度场（单位：℃）

7 结 论

（1）季节性冻土区路基防冻胀可从“被动保温”向“主动供热”发展，通过人工热源主动地向路基输入热量，以将其保持在正温状态。中国季节性冻土太阳能分布丰富，技术和资源条件良好，可以满足路基热源的分散供应需求。

（2）设计路基专用太阳能供热装置，包括地表集热段和路基供热段2个部分，集热段采用高温抗冻型金属吸热体真空管。装置整体呈立式柱状，自成一体化能量转化、传递单元，可以全季节运行。

（3）装置试验表明，太阳能光热转化率范围为55%～70%，供热温度范围为20～40℃，向地基输热的太阳能有效利用率约为26%。装置的工作模式应为夏季预储热量与冬季实时补热相结合，并以夏季为主。

文章来源：《太阳能学报》 网址: http://www.tynxbzz.cn/qikandaodu/2021/0707/1257.html