白 靜，謝崇寶，陳石磊

(1.中國(guó)灌溉排水發(fā)展中心，北京100054；2.北京中灌綠源國(guó)際咨詢(xún)有限公司，北京100054)

0 引 言

根據(jù)凍土區(qū)凍土持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)短可以分為短時(shí)凍土區(qū)、季節(jié)凍土區(qū)和多年凍土區(qū)。我國(guó)的高寒地區(qū)如黑龍江(大興安嶺除外)、吉林、遼寧和內(nèi)蒙古東北部都屬于典型的凍土區(qū)，冬季局部氣溫可以達(dá)到-30 ℃以下。季節(jié)性?xún)鐾翆?duì)水工建筑物危害的預(yù)防和相應(yīng)的低溫保護(hù)措施[1-4]，是水利研究領(lǐng)域中一個(gè)重要的研究方向。農(nóng)業(yè)灌溉井井房?jī)?nèi)一般安裝水泵、配電柜、閘閥等，如果采用滴灌等高效節(jié)水灌溉方式和智能計(jì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，井房里還需要安裝變頻器、水表、控制終端和通信模塊等。關(guān)于保溫井房的研究成果并不多見(jiàn)，傳統(tǒng)上一般建設(shè)磚混式井房或半地下式井房。一般情況下，普通的磚混式井房并不具備良好的保溫效果，極端低溫對(duì)井房?jī)?nèi)的設(shè)備產(chǎn)生不利影響。一方面低溫會(huì)增加設(shè)備的故障率，如：低溫造成空氣的相對(duì)濕度增大，產(chǎn)生凝露或者結(jié)晶現(xiàn)象；材料的收縮系數(shù)不同會(huì)引起活動(dòng)部件卡死；設(shè)備的元器件電參數(shù)發(fā)生變化，設(shè)備性能不穩(wěn)定等。另一方面低溫會(huì)造成設(shè)備破壞，降低材料的彈性，增加材料的脆性，產(chǎn)生裂紋甚至造成設(shè)備結(jié)構(gòu)或部件損壞，縮短設(shè)備使用壽命。在環(huán)境溫度低于-30 ℃時(shí)，設(shè)備中的器件性能不穩(wěn)定，當(dāng)環(huán)境溫度低于-40 ℃時(shí)，設(shè)備可能無(wú)法啟動(dòng)。半地下式井房中設(shè)備安裝、使用和檢修不便，同時(shí)井房?jī)?nèi)濕度大。過(guò)高的濕度一方面直接降低空氣的絕緣性能，一方面產(chǎn)生凝露降低電氣設(shè)備的絕緣電阻，引發(fā)安全事故。同時(shí)潮濕空氣將銹蝕設(shè)備中導(dǎo)電或者導(dǎo)磁金屬部件和設(shè)備金屬外殼，將降低設(shè)備的性能甚至造成設(shè)備故障或者報(bào)廢。

在本文中，研發(fā)了一種適用于我國(guó)季節(jié)性?xún)鐾羺^(qū)的一體式小型保溫井房，并將其安裝在黑龍江哈爾濱郊區(qū)大田中檢驗(yàn)其保溫效果，通過(guò)溫度傳感器、數(shù)據(jù)采集裝置和通訊模塊獲取井房?jī)?nèi)外的溫度，并通過(guò)對(duì)比分析評(píng)價(jià)其保溫性能。

1 保溫井房的研發(fā)

與華北地區(qū)相比，我國(guó)東北地區(qū)的冬季相對(duì)漫長(zhǎng)，如哈爾濱冬天持續(xù)150 d左右。由于時(shí)間很長(zhǎng)，不能單純依靠保溫措施來(lái)維持井房?jī)?nèi)的溫度。需要采用保溫和加熱的雙重措施來(lái)滿足提高井房?jī)?nèi)溫度的要求。因此在一體化保溫井房的設(shè)計(jì)中，在保證井房的嚴(yán)密性前提下，采用導(dǎo)熱系數(shù)低的材料對(duì)井房進(jìn)行保溫處理，并采用加熱措施對(duì)井房?jī)?nèi)部進(jìn)行加熱。

1.1 井房主體結(jié)構(gòu)

為了保證井房的穩(wěn)定性以減輕野外強(qiáng)風(fēng)對(duì)設(shè)備造成的損壞，井房主體采用圓柱形結(jié)構(gòu)。在本文中井房?jī)?nèi)只考慮安裝小型簡(jiǎn)易設(shè)備，其尺寸為內(nèi)徑1 m，總高1.85 m。井房頂采用30°的邊坡，滿足排水的需要?？紤]到井房加工和材料獲取的難易程度，主體材質(zhì)采用鋼板。為了滿足井房保溫的要求，井房頂部和側(cè)壁設(shè)置夾層，厚50 mm，填充隔熱質(zhì)優(yōu)價(jià)廉的聚氯乙烯保溫材料，見(jiàn)圖1(a)。井房?jī)?nèi)安裝設(shè)備支架，用于固定控制終端、電表等設(shè)備。井房側(cè)壁設(shè)有設(shè)備檢修窗口，尺寸為高450 mm、寬550 mm，便于進(jìn)行設(shè)備的安裝、操作和維護(hù)等工作檢修窗口上安裝防盜鎖，保護(hù)設(shè)備不受意外破壞，見(jiàn)圖1(b)。

圖1 井房示意圖Fig.1 A schematic diagram of an integrated well house

1.2 井房加熱裝置

考慮到東北地區(qū)現(xiàn)有的電力條件和井房持續(xù)加熱的需要，一體化保溫井房采用太陽(yáng)能板為加熱能源，井房的加熱裝置由加熱能源、加熱材料、蓄電池和控制器構(gòu)成。經(jīng)過(guò)估算，太陽(yáng)能板采用30W單晶硅電池板，鑲嵌于井房頂部，見(jiàn)圖2。

圖2 一體化保溫井房俯視圖Fig.2 A plan view of an integrated well house

由于井房不間斷的保溫要求，增設(shè)蓄電池和充電控制器，蓄電池采用膠體蓄電池(型號(hào)12V12AH 20H)，膠體蓄電池與普通鉛酸電池相比，內(nèi)部沒(méi)有游離液體存在，可靠性高，使用壽命長(zhǎng)[5]。蓄電池和充電控制器固定在在井房?jī)?nèi)部的支架上，為加熱材料提供電能[圖1(b)]。加熱材料采用碳熱纖維加熱材料，黏貼在井房?jī)?nèi)壁用于加熱井房。

2 保溫井房的安裝

在運(yùn)輸過(guò)程中保溫井房部件分拆包裝，在安裝前對(duì)井房各組件進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)組裝。一體式保溫井房的安裝工作包括：基礎(chǔ)開(kāi)挖、布設(shè)保溫層、基礎(chǔ)土體回填、井房安裝固定和封閉空隙?；A(chǔ)尺寸為1.2 m×1.2 m×1.4 m(長(zhǎng)×寬×高)，基礎(chǔ)開(kāi)挖面布置聚氯乙烯保溫層，并采用黏結(jié)劑對(duì)保溫層進(jìn)行黏結(jié)，確保保溫層的整體性。基礎(chǔ)土體回填深度為1 m，預(yù)留40 cm安裝保溫井房(圖3)，基礎(chǔ)整平后對(duì)井房進(jìn)行安裝，在井房與保溫板的空隙處填充、黏結(jié)保溫材料，保證保溫效果。

圖3 一體式保溫井房基礎(chǔ)Fig.3 A foundationn of an integrated well house

3 一體式保溫井房的保溫效果評(píng)價(jià)

在保溫井房安裝完成后，選用現(xiàn)有的地下式玻璃鋼井房和一體式保溫井房進(jìn)行對(duì)比分析。地下式玻璃鋼井房為長(zhǎng)方體結(jié)構(gòu)，長(zhǎng)寬高分別為4.1、3.6和3.4 m(圖4)。玻璃鋼井房?jī)?nèi)外的溫度采用人工手工采集，頻次為1天2次，分別在每天6∶00和14∶00進(jìn)行。一體式保溫井房?jī)?nèi)外溫度數(shù)據(jù)采用溫度傳感器(圖5)和數(shù)據(jù)采集裝置進(jìn)行采集，頻次為1小時(shí)1次，通過(guò)GPRS模塊自動(dòng)傳輸?shù)街付ǖ碾娔X上。

圖4 地下式井房Fig.4 A well house below ground level

圖5 一體式保溫井房?jī)?nèi)的溫度傳感器Fig.5 A temperature sensor inside the integrated well house

2016年10月28日至次年4月15日，一體式保溫井房?jī)?nèi)外溫差日均隨時(shí)間的變化情況見(jiàn)圖6(a)。從圖中趨勢(shì)線可以看出，井房?jī)?nèi)外日均溫差整體上的趨勢(shì)為隨著時(shí)間呈現(xiàn)拋物線分布特征。井房?jī)?nèi)升溫值與氣溫呈現(xiàn)反比例關(guān)系。5日滑動(dòng)平均的井房?jī)?nèi)外溫差的分布特征更加明顯，見(jiàn)圖6(b)。一體式保溫井房最大日均溫差出現(xiàn)在2016年12月27日，為18.21 ℃，2017年4月2號(hào)開(kāi)始出現(xiàn)負(fù)溫差，最小溫差出現(xiàn)在2017年4月15日，為-3.43 ℃。2016年11月1日-2017年2月28日期間，平均氣溫為-12.91 ℃，一體式保溫井房?jī)?nèi)平均溫度為-3.88 ℃，井房?jī)?nèi)平均升溫幅度為9.03 ℃。期間氣溫低于-15 ℃共計(jì)48天，平均氣溫為-18.17 ℃，一體是保溫井房?jī)?nèi)平均溫度為-6.15℃，井房平均升溫幅度為12.02 ℃。

圖6 一體式保溫井房?jī)?nèi)外溫差隨時(shí)間變化圖Fig.6 A profile of temperature difference between inside and outside of an integrated well house

一體式井房?jī)?nèi)外日均溫差和氣溫的相關(guān)關(guān)系如圖7所示。從圖7中可以看出，井房?jī)?nèi)外日均溫差與日均氣溫之間的相關(guān)系數(shù)為0.84。由于一體式保溫井房具有保溫隔熱作用，氣溫越低，井房的保溫效果越顯著，井房?jī)?nèi)外日均溫差越大。除此之外，井房?jī)?nèi)的氣溫還與當(dāng)日蓄電池內(nèi)存儲(chǔ)的電量有關(guān)，由于近期的天氣情況影響蓄電池內(nèi)存儲(chǔ)電量，因此在一定的程度上，近期的天氣情況也影響了井房?jī)?nèi)外日均溫差。當(dāng)日均氣溫較高時(shí)，日均溫差較小。當(dāng)氣溫高于井房?jī)?nèi)的溫度時(shí)，井房的保溫層阻止外部熱量向井房?jī)?nèi)傳遞。根據(jù)觀測(cè)的數(shù)據(jù)，當(dāng)日均氣溫超過(guò)7 ℃時(shí)，井房?jī)?nèi)外溫差為負(fù)數(shù)，即一體化保溫井房?jī)?nèi)的溫度低于氣溫。

圖7 井房?jī)?nèi)外日均溫差隨著氣溫的變化Fig.7 The changes of daily-averaged temperature difference between inside and outside of an integrated well house with daily-averaged temperature

為了比較玻璃鋼井房和一體式保溫井房的保溫效果，提取一體式保溫井房每日6點(diǎn)和14點(diǎn)的數(shù)據(jù)，分別與玻璃鋼井房進(jìn)行對(duì)比分析。每天6點(diǎn)兩種井房溫差對(duì)比情況見(jiàn)圖8。從圖8中可以看出，一體式保溫井房的保溫效果與玻璃鋼井房相 當(dāng)，五日平均的結(jié)果更加明顯[圖8(b)]。每日6點(diǎn)一體化保溫井房?jī)?nèi)的溫度介于-18.22～8.55 ℃之間，2016年10月28日至次年4月15日期間，一體化保溫井房的14點(diǎn)平均升溫幅度為-4.44 ℃。與玻璃鋼井房相比，一體式保溫井房?jī)?nèi)外溫差略有波動(dòng)，這種波動(dòng)情況可能與井房的安裝高度有關(guān)。一體化保溫井房6點(diǎn)井房?jī)?nèi)外日均溫差最大出現(xiàn)在12月27日，井房外氣溫-28.76 ℃，井房?jī)?nèi)氣溫為-6.62 ℃，升溫幅度為22.14 ℃。玻璃鋼井房6點(diǎn)井房?jī)?nèi)外的溫差最大出現(xiàn)在2017年1月20日，井房外氣溫-20.9 ℃，井房?jī)?nèi)氣溫為-8.4 ℃，升溫幅度為12.5 ℃，此時(shí)一體化保溫井房的升溫幅度為17.16 ℃，比玻璃鋼井房高4.66 ℃。

圖8 每日6點(diǎn)井房?jī)?nèi)外溫差隨著時(shí)間的變化情況Fig.8 The profile of temperature differences at 6∶00 between inside and outside the integrated well house

每天14點(diǎn)井房溫差對(duì)比情況見(jiàn)圖9。從圖9中可以看出，整體上一體式保溫井房的保溫效果較好，這種趨勢(shì)在圖9(b)體現(xiàn)得更加明顯。每日14點(diǎn)一體化保溫井房?jī)?nèi)的溫度介于-7.74～24.52 ℃之間，2016年10月28日至次年4月15日期間，一體化保溫井房的14點(diǎn)平均升溫幅度為4.80 ℃。與玻璃 鋼井房相比，一體式保溫井房?jī)?nèi)外溫差稍有波動(dòng)，這種波動(dòng)情

圖9 每日14點(diǎn)井房?jī)?nèi)外溫差隨著時(shí)間的變化情況Fig.9 The profile of temperature differences at 14∶00 between inside and outside the integrated well house

況可能來(lái)自于加熱措施或者井房安裝高度的影響。一體化保溫井房14點(diǎn)內(nèi)外溫差最大值出現(xiàn)在2016年12月26日，此時(shí)井房外氣溫-14.57 ℃，井房?jī)?nèi)氣溫為-1.99 ℃，升溫幅度為12.58 ℃。在2017年1月10日后，一體化保溫井房?jī)?nèi)14點(diǎn)升溫幅度最大為8.98 ℃，發(fā)生在2017年1月19日，而此時(shí)玻璃鋼井房的升溫幅度為3.89 ℃，比一體化保溫井房低5.09 ℃。

4 結(jié) 語(yǔ)

在東北地區(qū)冬季比較漫長(zhǎng)，極端低溫對(duì)井房?jī)?nèi)的設(shè)備危害較大。本文研發(fā)了一種新型的一體式保溫井房，在井房中采取了一系列加熱措施和保溫措施保證其保溫性能。為了驗(yàn)證其保溫性能的優(yōu)劣，研究中進(jìn)行了連續(xù)的大田現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，通過(guò)安裝溫度傳感器、數(shù)據(jù)采集裝置和通訊模塊獲取井房?jī)?nèi)外的溫度。試驗(yàn)表明，一體化保溫井房?jī)?nèi)冬季的平均溫度提高9℃，在一定程度上降低了極端氣溫對(duì)井房?jī)?nèi)設(shè)備產(chǎn)生的不利影響，保護(hù)設(shè)備不受低溫?fù)p壞，可以在我國(guó)季節(jié)性?xún)鐾羺^(qū)推廣應(yīng)用。

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