胡田飛，張峻洋，郭 磊，孫天澤

（1.石家莊鐵道大學(xué) 省部共建交通工程結(jié)構(gòu)力學(xué)行為與系統(tǒng)安全國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 石家莊 050043；2.蘇州軌道交通市域一號(hào)線有限公司，江蘇 蘇州 215000；3.長(zhǎng)春理工大學(xué) 理學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130022）

0 引言

在寒冷與嚴(yán)寒氣候區(qū)，巖土材料中的水分在冬季會(huì)凍結(jié)相變引起膨脹變形，導(dǎo)致建筑地基、交通隧道、路基、路面、水利渠道、油氣管線等各類(lèi)土工構(gòu)筑物產(chǎn)生凍脹現(xiàn)象[1]，[2]。對(duì)于交通線路而言，路基凍脹會(huì)引起公路路面破損、鐵路軌道變形超限等危害，導(dǎo)致線路限速運(yùn)營(yíng)甚至停運(yùn)，需要投入大量的人力物力進(jìn)行凍脹整治與搶險(xiǎn)，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。凍害是制約寒區(qū)交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)與運(yùn)營(yíng)的主要難題之一。

傳統(tǒng)的路基凍脹防治技術(shù)主要包括材料改良、保溫隔冷、防水排水等。由于溫度是引起凍脹的根本因素，傳統(tǒng)措施無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的主動(dòng)控制，導(dǎo)致凍脹病害難以根除。近年來(lái)，業(yè)界嘗試從主動(dòng)調(diào)控溫度的角度解決凍害問(wèn)題，土工構(gòu)筑物人工供熱技術(shù)逐漸興起。鐵路、公路為長(zhǎng)距離線性工程，凍害分布分散，熱源的分散供應(yīng)是關(guān)鍵。礦物燃料與電能的能效性差，太陽(yáng)能在冬季的能流密度低。地?zé)崮艿倪B續(xù)性好、儲(chǔ)量大，熱泵的能效性與輸出穩(wěn)定性可靠，因此熱泵是土工構(gòu)筑物供熱的主流手段[3]。工程界將熱泵換熱段埋設(shè)于樁基、隧道、路面、地下連續(xù)墻等構(gòu)筑物中，形成新興的能源樁[4]、能源隧道[5]、能源擋墻[6]等設(shè)計(jì)理念。針對(duì)鐵路、公路路基凍脹問(wèn)題，胡田飛[7]提出將熱泵冷凝段與蒸發(fā)段分別埋設(shè)在路基凍脹層與附近地基穩(wěn)定土層中，形成“熱能轉(zhuǎn)化式”主動(dòng)溫控路基，可以有效防治凍脹。在保證路基供熱防凍脹有效性的前提下，熱泵的節(jié)能性和耐久性是實(shí)現(xiàn)路基供熱長(zhǎng)期可靠的必要條件。

運(yùn)行模式是熱泵換熱特性的關(guān)鍵影響因素。董艷芳[8]和楊衛(wèi)波[9]指出，與連續(xù)運(yùn)行模式相比，間歇供熱方式有利于地層溫度恢復(fù)，提高地?zé)崮芾寐?。Li[10]針對(duì)建筑供暖用熱泵系統(tǒng)，進(jìn)行了每日5：00-11：00，16：00-24：00的 間 歇 運(yùn) 行 試 驗(yàn)，結(jié)果表明，機(jī)組換熱效率與供暖效果優(yōu)于連續(xù)運(yùn)行模式。Xu[11]以北京某辦公樓為例，指出熱泵間歇供暖相比連續(xù)供暖的節(jié)熱率可達(dá)20%，且熱慣性較大的系統(tǒng)節(jié)能潛力更大。Yuan[12]指出在相同運(yùn)行時(shí)間內(nèi)，增大熱泵間歇比和地埋管間距均可提高換熱效率。上述研究表明，熱泵間歇運(yùn)行模式能夠強(qiáng)化地下傳熱過(guò)程，提高換熱能力與地?zé)崮芾寐?，改善機(jī)組運(yùn)行效率。王剛[13]和王松慶[14]指出不同間歇模式和啟停時(shí)間比例對(duì)熱泵運(yùn)行性能也存在較大影響，但目前針對(duì)間歇運(yùn)行模式時(shí)啟停比取值的優(yōu)化研究較少。此外，面向建筑空氣調(diào)節(jié)時(shí)，熱泵的吸熱對(duì)象為巖土地層，供熱對(duì)象為空氣對(duì)流環(huán)境；而應(yīng)用于路基供熱時(shí)，吸熱和供熱對(duì)象均為巖土地層。相比空氣對(duì)流環(huán)境，巖土體導(dǎo)熱系數(shù)低，熱慣性大，供熱端換熱效率低，必然對(duì)熱泵運(yùn)行特性產(chǎn)生影響。因此，有必要針對(duì)熱泵面向路基工程時(shí)的換熱特性與運(yùn)行模式展開(kāi)研究。

本文設(shè)計(jì)并制作一款路基專用地源熱泵型供熱裝置，搭建模型試驗(yàn)平臺(tái)，分別進(jìn)行連續(xù)運(yùn)行試驗(yàn)、定 時(shí) 間 歇 運(yùn) 行 試 驗(yàn)（啟 停 比1∶2，1∶1，2∶1）、定 溫運(yùn) 行 試 驗(yàn)（30，45，60，75℃），共 計(jì)3類(lèi)8組 試 驗(yàn)。基于試驗(yàn)結(jié)果，分析吸熱溫度、供熱溫度、機(jī)組啟停次數(shù)、制熱系數(shù)等指標(biāo)的變化規(guī)律，明確熱泵運(yùn)行模式和能效性之間的關(guān)系。以防凍脹有效性和節(jié)能性為雙重目標(biāo)，提出熱泵運(yùn)行模式的相關(guān)建議，以期為現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用提供參考。

1 寒區(qū)路基地源熱泵型供熱裝置

路基凍脹主要發(fā)生在基床，基床表層凍脹量占總凍脹量的平均比例超過(guò)60%。因此，路基供熱的主要對(duì)象為基床表層，地源熱泵向路基供熱的方式為在路基附近地基鉆設(shè)吸熱管，在基床埋設(shè)供熱管。熱泵吸熱管搜集地?zé)崮懿⑻嵘錅囟扰c熱流密度，通過(guò)供熱管將熱量輸送至路基基床，再通過(guò)路基內(nèi)部熱傳導(dǎo)加熱填料，進(jìn)而防治凍脹，即為主動(dòng)溫控式路基，如圖1所示。

圖1 主動(dòng)溫控式路基Fig.1 Active temperature controlled embankment

熱泵換熱管可以采用柱狀螺旋盤(pán)管或板狀多U型管，螺旋盤(pán)管通過(guò)鉆孔布設(shè)，實(shí)施靈活，而多U型管需要在路基施工時(shí)預(yù)先埋入。根據(jù)測(cè)算，單線鐵路路基在凍脹期的最大熱通量約為240W/延米，平均熱負(fù)荷約為20W/延米[7]。面向路基凍脹應(yīng)急搶險(xiǎn)時(shí)，熱泵換熱段宜采用螺旋盤(pán)管。為滿足快速解凍需求，按照布設(shè)間距4～6m估算，單臺(tái)熱泵最大供熱功率在2kW以下，宜采用直接膨脹式換熱形式，多U型管可以覆蓋更大的范圍，所需供熱量大，宜采用間接換熱形式。

2 裝置運(yùn)行特性試驗(yàn)方案

2.1 熱泵裝置

本文設(shè)計(jì)一款換熱段同軸的直膨式熱泵系統(tǒng)，如圖2所示。

圖2 路基專用地源熱泵型供熱裝置Fig.2 Ground source heat pump type heating device for embankment

蒸發(fā)器和冷凝器分別位于穩(wěn)定地層和凍脹地層，兩者之間設(shè)置絕熱段。壓縮機(jī)、節(jié)流器等其他部件集成固定在地表保護(hù)箱內(nèi)。微電腦控制器提供定溫和定時(shí)兩種運(yùn)行模式。定溫模式采用位式控制法，控制原理為設(shè)置目標(biāo)溫度T1和回差溫度T2，實(shí) 測(cè) 溫 度C，當(dāng)C≥T1時(shí)，熱 泵 停 機(jī)；當(dāng)C＜T1-T2時(shí)，熱泵啟動(dòng)，如此循環(huán)，實(shí)現(xiàn)供熱溫度的穩(wěn)定輸出。熱泵制作時(shí)，選用1臺(tái)166W的全封閉式活塞壓縮機(jī)，理論供熱功率0.8kW。為方便試驗(yàn)臺(tái)建設(shè)，蒸發(fā)器和冷凝器的整體高度分別為2.0，1.0m，直徑為90.0mm，絕熱段高度為0.2m。

2.2 試驗(yàn)條件及監(jiān)測(cè)方案

石太客專2009年開(kāi)通運(yùn)營(yíng)后，每年冬季均有路基凍害發(fā)生，在石板山隧道附近填筑一個(gè)四棱形試驗(yàn)平臺(tái)，該地歷史最大凍結(jié)深度為0.85m。四棱臺(tái)斷面尺寸為高×寬=3.2m×1.6m，如圖3所示。填料為粉質(zhì)黏土，熱擴(kuò)散系數(shù)為0.73×10-6m2/s，比 熱 容 為1.25kJ/（kg·℃），容 重 為16.5kN/m3。熱泵埋設(shè)于四棱臺(tái)中心，監(jiān)測(cè)方案為在熱泵管壁上布置一排PT100溫度傳感器，在周?chē)馏w中按照0.25m徑向間距布置3排溫度傳感器。

圖3 試驗(yàn)條件及現(xiàn)場(chǎng)情況Fig.3 Test conditions and site scene

2.3 熱泵運(yùn)行方案

地源熱泵應(yīng)用于路基工程的主要目的是為凍脹發(fā)生后提供應(yīng)急搶險(xiǎn)措施。本文進(jìn)行3類(lèi)不同模式的運(yùn)行試驗(yàn)：①連續(xù)運(yùn)行模式；②定時(shí)運(yùn)行模式：預(yù) 設(shè) 固 定 啟 停 時(shí) 間 比 例，包 括1∶2，1∶1和2∶1；③定溫運(yùn)行模式：預(yù)設(shè)固定供熱溫度，包括30，45，60，75℃，回 差 溫 度 為5℃。共 計(jì)8組 試 驗(yàn)方案。為驗(yàn)證裝置面向路基的短時(shí)解凍功能，每個(gè)方案的試驗(yàn)時(shí)間設(shè)置為24h。試驗(yàn)在冬季進(jìn)行，日均氣溫在-5℃以下，每組試驗(yàn)結(jié)束后待地溫恢復(fù)至原始水平，再進(jìn)行下一組試驗(yàn)。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 換熱溫度

圖4為熱泵在不同運(yùn)行模式下供熱溫度與吸熱溫度的變化規(guī)律。

圖4 不同運(yùn)行模式下熱泵的換熱溫度Fig.4 Heat exchange temperatures of the heat pump device under different operation modes

由圖4（a）可知，在連續(xù)運(yùn)行模式下，熱泵換熱段保持穩(wěn)定的邊界溫度，最高供熱溫度為95.9℃，對(duì)于路基防凍脹非常有效。最低吸熱溫度為-8.5℃，換熱溫度與地層溫度的差值較大，有利于地?zé)崮艿氖占c利用。由于螺旋盤(pán)管的漸進(jìn)換熱過(guò)程及與壓縮機(jī)距離的漸變關(guān)系，冷凝器和蒸發(fā)器溫度均隨制冷劑流動(dòng)方向呈逐漸降低的規(guī)律。在定時(shí)運(yùn)行模式下，熱泵處于規(guī)律性的間歇運(yùn)行狀態(tài)。在1∶1定時(shí)間歇運(yùn)行模式下，最高供熱溫度也可達(dá)到95.5℃。由于間歇運(yùn)行的散熱緩沖作用，吸熱溫度可低至-10.9℃，有利于地?zé)崮艿氖占剩鐖D4（b）所示。而在定溫運(yùn)行模式下，換熱溫度變化范圍小，但啟停次數(shù)多，時(shí)間間隔呈隨機(jī) 特 征，如 圖4（c）所 示。

圖5為熱泵平均換熱溫度的變化規(guī)律。

圖5 熱泵平均換熱溫度Fig.5 Average heat exchange temperatures of the heat pump device

由圖5可知，在連續(xù)運(yùn)行模式下，熱泵可以保持70～80℃的平均供熱溫度。在定時(shí)運(yùn)行模式下，換熱溫度呈規(guī)律性交替增減變化，進(jìn)入正常運(yùn)行狀 態(tài) 后，1∶2，1∶1，2∶1模 式 的 供 熱 溫 度 分 別 為14.46～66.01℃，16.13～72.45℃，26.01～72.60℃，即供熱溫度隨啟停比的增大而提高。在定溫運(yùn)行模式 下，預(yù) 設(shè) 溫 度 為30，45，60，75℃時(shí)，熱 泵 的 平 均供 熱 溫 度 分 別 為16.80～30.69℃，28.61～41.78℃，34.40～50.89℃，46.29～63.45℃?？?見(jiàn) 平 均 供 熱 溫度低于預(yù)設(shè)溫度，同時(shí)波動(dòng)幅值低于定時(shí)運(yùn)行模式。土體的熱容大、熱惰性強(qiáng)，溫度保持在0℃以上即可消除凍脹，對(duì)于正溫敏感性低，因此供熱溫度波動(dòng)幅值對(duì)于防凍脹效果影響不大。

在 定 時(shí) 運(yùn) 行 模 式 下，啟 停 比 為1∶2，1∶1，2∶1時(shí)，試驗(yàn)期間分別出現(xiàn)8，6，8個(gè)啟停周期。而在定溫 模 式 下，預(yù) 設(shè) 溫 度 為30，45，60，75℃時(shí)，試 驗(yàn) 期間分別出現(xiàn)30，31，28，21個(gè)啟停周期。由于熱泵壓縮機(jī)為電感元件，啟動(dòng)電流可達(dá)正常工作電流的5倍以上，啟停次數(shù)過(guò)多，一方面會(huì)耗費(fèi)更多的電能；另一方面，電感線圈長(zhǎng)時(shí)間過(guò)電流運(yùn)行，不利于熱泵的長(zhǎng)期使用。因此，熱泵面向路基供熱防凍脹時(shí)，從供熱防凍脹效果和熱泵能耗及運(yùn)行壽命角度出發(fā)，建議采取定時(shí)間歇運(yùn)行模式。

圖6為不同運(yùn)行模式下熱泵日均換熱溫度。

圖6 不同運(yùn)行模式下熱泵日均換熱溫度Fig.6 Average daily heat exchange temperatures of the heat pump device under different operation modes

由圖6可知，在定時(shí)運(yùn)行模式下，隨著啟停比例的增大，供熱溫度逐步增大，供熱能力提升；吸熱溫度逐漸減小，地?zé)崮苁占侍岣?。在連續(xù)運(yùn)行模式下，吸熱溫度僅為-2.44℃，地?zé)崮苁占芰Σ蝗玳g歇運(yùn)行模式。此外，在定溫模式下，隨著預(yù)設(shè)溫度的提升，吸熱溫度也隨之增大。這是因?yàn)楫?dāng)熱泵運(yùn)行時(shí)間過(guò)長(zhǎng)時(shí)，熱量無(wú)法及時(shí)向地層遠(yuǎn)處傳遞，熱量堆積在供熱段周?chē)瑢?dǎo)致制冷劑冷凝液化不良，進(jìn)而引起循環(huán)溫度增高，影響節(jié)流蒸發(fā)效果。而啟停比過(guò)低時(shí)，機(jī)組運(yùn)行時(shí)間不足，也不利于供熱和吸熱效果。

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，統(tǒng)計(jì)熱泵定時(shí)運(yùn)行模式下平均供熱溫度與吸熱溫度的相關(guān)關(guān)系，如圖7所示。由圖可以看出，隨著供熱溫度的升高，吸熱溫度呈先降低、后升高的規(guī)律。啟停比過(guò)低時(shí)，機(jī)組運(yùn)行時(shí)間短，換熱效率高，但供熱量不足；而當(dāng)熱泵啟停比過(guò)高甚至連續(xù)運(yùn)行時(shí)，制冷劑循環(huán)整體溫度水平高，導(dǎo)致吸熱溫度過(guò)高，地?zé)崮芩鸭芰ψ儾睢岜脝⑼１葹?∶1時(shí)，供熱溫度為50～70℃，對(duì)應(yīng)的吸熱溫度顯著低于其他模式，換熱效果最優(yōu)，有利于達(dá)到防凍有效性和節(jié)能性的雙重目標(biāo)。

圖7 熱泵供熱溫度與吸熱溫度的相關(guān)性Fig.7 Correlation between heating temperatures and heat-absorbing temperatures of the heat pump device

3.2 土體溫度

圖8為熱泵定溫運(yùn)行模式（30℃）下土體溫度場(chǎng)分布特征。

圖8 試驗(yàn)平臺(tái)溫度場(chǎng)的變化Fig.8 Variation of temperature field of the test platform

由圖8可知，土體在熱泵供熱段周?chē)纬山茩E圓形的升溫區(qū)，供熱效果由中心向外擴(kuò)散，形成顯著的柱狀熱源，負(fù)溫凍脹區(qū)域逐漸消除。同時(shí)，在集熱段地層形成近似梯形的降溫區(qū)域，0℃等溫線逐步向外側(cè)移動(dòng)，吸熱效應(yīng)明顯。其他運(yùn)行模式下土體溫度場(chǎng)的變化規(guī)律與30℃定溫運(yùn)行模式的類(lèi)似，供熱溫度越高，土體增溫幅度越大。因此，該裝置可以主動(dòng)地將穩(wěn)定地層熱量傳遞至上部?jī)雒浀貙?，控制路基的熱量收支和溫度變化?/p>

根據(jù)土體溫度的監(jiān)測(cè)結(jié)果，計(jì)算連續(xù)運(yùn)行和定時(shí)運(yùn)行模式下熱泵的有效供熱量，結(jié)果如圖9所示。由圖可以看出，隨著啟停比的增大，供熱溫度逐漸提高，熱泵有效供熱量也隨之增大。啟停比為1∶2，1∶1，2∶1時(shí)，有 效 供 熱 量 分 別 為5.90，8.63，12.60MJ，但有效供熱量增大幅度隨啟停比的增大而減小。這是因?yàn)殡S著熱泵運(yùn)行時(shí)間的增大，土體的溫度逐漸升高，土體熱阻變大，溫差驅(qū)動(dòng)作用下傳熱效率會(huì)逐漸減小。因此，在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)合理控制熱泵的運(yùn)行時(shí)間，以防熱泵供熱量堆積損耗。

圖9 定時(shí)運(yùn)行模式下熱泵的有效供熱量Fig.9 Effective heat supply capacity of the heat pump device under timer operation mode

地源熱泵的熱作用半徑是決定其在路基沿線布設(shè)間距的關(guān)鍵依據(jù)。熱作用半徑指在其范圍內(nèi)熱泵供熱量被土體吸收，而熱作用半徑外的土體維持初始溫度不變。為保證熱泵影響范圍在預(yù)定時(shí)間內(nèi)完整地覆蓋凍脹段落，熱泵間距一般取預(yù)定時(shí)間所對(duì)應(yīng)熱作用半徑的2倍。圖10為熱泵供熱段周?chē)馏w的溫度變化規(guī)律。由圖10（a）可知，在不同運(yùn)行模式下，豎直埋深35cm、水平距離熱泵25cm處的土體均在第2小時(shí)左右開(kāi)始升溫。試 驗(yàn) 結(jié) 束 時(shí)，熱 泵 啟 停 比1∶2，1∶1，2∶1和 連 續(xù) 運(yùn) 行時(shí)，該 位 置 的 溫 度 分 別 升 高2.35，3.06，6.26，11.07℃，啟停比越大，土體升溫幅度越大。由圖10（b）可知，在連續(xù)運(yùn)行模式下，熱泵啟動(dòng)8.6，18.2h之后，豎直埋深35cm、水平距離熱泵50cm，75cm處土體也分別開(kāi)始升溫。

圖10 水平方向上熱泵供熱段不同距離處土體溫度變化Fig.10 Variation of soil temperature at different distances from the heating section of heat pump device in the horizontal direction

熱泵換熱特性受到熱源溫度、運(yùn)行時(shí)間、土體溫度及熱物性等因素的影響。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，熱作用半徑主要取決于供熱時(shí)間與土體熱物性，熱源溫度或啟停比對(duì)其影響不顯著[15]。而土體升溫幅度主要取決于熱源溫度和供熱量[16]。上述試驗(yàn)規(guī)律與既有試驗(yàn)結(jié)果一致[17]。

根據(jù)線熱源傳熱理論，熱作用半徑Rc的預(yù)測(cè)計(jì)算式為[16]

式中：Ks和Kb分別為土體和換熱段半徑修正系數(shù)；r為 常 數(shù)；a為 熱 擴(kuò) 散 系 數(shù)，m2/s；τ為 時(shí) 間，s。

根據(jù)試驗(yàn)監(jiān)測(cè)結(jié)果，擬合得到熱作用半徑隨時(shí)間的擴(kuò)大規(guī)律，如圖11所示。

圖11 熱作用半徑的計(jì)算值與實(shí)測(cè)值Fig.11 Calculated values and measured values of thermal influencing radius

由圖11可以看出，實(shí)測(cè)值與預(yù)測(cè)值吻合，初始階段的熱作用半徑擴(kuò)大速率快，第24小時(shí)和48小時(shí)熱作用半徑分別為0.87，1.21m，之后熱擴(kuò)散速率逐漸減小，第120小時(shí)熱作用半徑為1.90 m。實(shí)際應(yīng)用時(shí)，應(yīng)根據(jù)不同的路基填料類(lèi)型、凍脹程度、換熱段布設(shè)方案等因素，合理設(shè)計(jì)熱泵供熱容量，并對(duì)熱作用半徑及布設(shè)間距進(jìn)行動(dòng)態(tài)修正。

3.3 制熱系數(shù)

制熱系數(shù)（COP）是熱泵能效性的重要評(píng)價(jià)指標(biāo)，指單位功耗所獲得的供熱量?；谄骄舭l(fā)溫度、冷凝器入口和出口附近平均溫度，通過(guò)查表確定制冷劑（R600a）循環(huán)過(guò)程中不同特征節(jié)點(diǎn)的比焓值，計(jì)算熱泵的理論COP，如圖12所示。

圖12 定時(shí)運(yùn)行模式下熱泵COPFig.12 COP of the heat pump device under timer operation modes

在定溫運(yùn)行模式下，當(dāng)供熱溫度預(yù)設(shè)值依次為30，45，60，75℃時(shí)，理 論COP分 別 為6.58，4.56，3.68，2.81，即理論COP隨著供熱溫度的增大而減小，原因在于冷凝溫度越高，制冷劑在冷凝器中的冷凝壓力越大，引起壓縮機(jī)排氣壓力增大，進(jìn)而引起壓縮機(jī)軸功提高。在定時(shí)運(yùn)行模式下，當(dāng)啟 停 比 為1∶2，1∶1，2∶1和 連 續(xù) 運(yùn) 行 時(shí)，理 論COP分 別 為3.67，3.19，3.08，2.86，即 隨 著 啟 停 比 的 增大，COP也逐漸減小，原因在于熱泵運(yùn)行時(shí)間比例越大，換熱段與緊鄰?fù)馏w的溫差越小，不利于熱量的收集與轉(zhuǎn)化。具體而言，供熱段周?chē)鸁崃慷逊e，無(wú)法及時(shí)向遠(yuǎn)處傳遞，引起冷凝散熱效果不良，進(jìn)而導(dǎo)致蒸發(fā)溫度升高，降低地?zé)崮苁占?；而集熱段周?chē)馏w溫度下降，地?zé)崮芰髅芏认陆?，則會(huì)引起蒸發(fā)集熱效果不良，遠(yuǎn)處的地?zé)崮軣o(wú)法被及時(shí)高效地利用。因此，實(shí)際應(yīng)用時(shí)應(yīng)優(yōu)先采用間歇運(yùn)行模式，合理控制熱泵運(yùn)行時(shí)間，以防換熱段周?chē)鸁崮芏逊e，影響換熱效率。

熱泵COP在不同試驗(yàn)條件下均大于2.5，且可以通過(guò)調(diào)節(jié)運(yùn)行模式進(jìn)行能效優(yōu)化。相比而言，燃料熱源需要配套鍋爐與熱力管網(wǎng)，投資規(guī)模大，且COP小于1.0；電能為高價(jià)能源，電熱的COP為1.0；太陽(yáng)能的能流密度低，供熱功率小，輸出穩(wěn)定性差[18]。因此，地源熱泵具有高能效、低能耗、可靠性好、長(zhǎng)期經(jīng)濟(jì)效益好的優(yōu)勢(shì)。

在輸出相同的供熱溫度時(shí)，定時(shí)運(yùn)行模式的COP大于定溫運(yùn)行模式。原因在于，定溫運(yùn)行模式時(shí)熱泵啟停周期時(shí)間短、次數(shù)多，一方面，壓縮機(jī)作為電感元件，頻繁啟動(dòng)導(dǎo)致平均工作電流大，耗能多；另一方面，制冷劑無(wú)法進(jìn)入穩(wěn)定的蒸發(fā)-壓縮-冷凝-節(jié)流-蒸發(fā)循環(huán)過(guò)程，影響換熱效率。

供熱段周?chē)馏w熱儲(chǔ)量增大值與熱泵耗電量之比為有效COP。由圖12可以看出，有效COP顯著低于理論COP，基本小于1.0。這是由于在熱泵供熱作用下，地層溫度升高，由于自然溫差傳熱的自發(fā)性，熱量會(huì)向周?chē)h(huán)境散失，而且土體溫度越高，熱量散失速率越快。因此在實(shí)際應(yīng)用中，建議在路基表面施作保溫措施，與熱泵形成復(fù)合熱防護(hù)方案。

4 裝置能效優(yōu)化建議

寒區(qū)路基工程在建設(shè)階段的防凍措施應(yīng)以填料改良、防排水和保溫等傳統(tǒng)措施為主，熱泵的優(yōu)勢(shì)是凍脹后的應(yīng)急搶險(xiǎn)，主要面向凍害概率高或運(yùn)營(yíng)期才出現(xiàn)的凍害工點(diǎn)。熱泵以一定間隔布置在路基沿線，可以匹配離網(wǎng)式新能源發(fā)電系統(tǒng)分散地“孤島”運(yùn)行，如圖13所示。

圖13 現(xiàn)場(chǎng)布設(shè)方案示意Fig.13 Diagram of site layout scheme

熱泵集熱段采用立柱螺旋盤(pán)管型式，根據(jù)地?zé)崮芊植紬l件確定集熱段高度，并與路基保持足夠距離，以防次生影響。供熱段采用螺旋盤(pán)管時(shí)，可以采用水平、傾斜或豎直等不同形式布置在凍脹層；采用多U型管時(shí)，根據(jù)凍深確定埋置深度，并應(yīng)保證結(jié)構(gòu)強(qiáng)度足夠大，以防被列車(chē)荷載破壞。

熱泵布設(shè)間距D越小，加熱解凍所需時(shí)間越短，且有助于預(yù)防局部解凍不及時(shí)導(dǎo)致的不均勻變形現(xiàn)象。當(dāng)面向路基凍脹短期快速搶險(xiǎn)時(shí)，熱泵間距D宜取1.5～3.0m，熱泵功率按照最大瞬時(shí)熱負(fù)荷設(shè)計(jì)，供熱容量宜取1.0～2.0kW。當(dāng)面向凍脹預(yù)防時(shí)，布設(shè)間距D建議取3.0～5.0m，熱泵功率按照平均熱負(fù)荷設(shè)計(jì)，供熱容量宜取0.5～1.0kW。裝置可以預(yù)設(shè)自動(dòng)化運(yùn)行模式，不需要頻繁維護(hù)，維修成本低。因此，地源熱泵供熱方法除具有有效性和搶險(xiǎn)功能之外，相比常規(guī)措施還具有一定經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)。

熱泵宜優(yōu)先采用定時(shí)運(yùn)行模式，僅在需要控制供熱溫度水平或溫度過(guò)高會(huì)導(dǎo)致路基填料性能發(fā)生不利變化時(shí)采用定溫運(yùn)行模式。同時(shí)，應(yīng)根據(jù)路基凍脹程度，選擇合理的啟停時(shí)間比例，以保證系統(tǒng)換熱效果和能耗比。

5 結(jié)論

為解決寒冷與嚴(yán)寒氣候區(qū)鐵路、公路路基面臨的冬季凍脹病害問(wèn)題，本文提出一種基于地源熱泵技術(shù)的路基專用供熱裝置，并針對(duì)該裝置進(jìn)行供熱性能測(cè)試。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果研究熱泵在不同運(yùn)行模式下?lián)Q熱溫度及制熱系數(shù)的變化情況。

①寒區(qū)路基防凍脹的一個(gè)新途徑為采用地源熱泵技術(shù)，將地基穩(wěn)定層的地?zé)崮苁占?、轉(zhuǎn)化、輸送至路基凍脹地層，實(shí)現(xiàn)對(duì)路基溫度的主動(dòng)控制。根據(jù)實(shí)施時(shí)機(jī)和路基供熱需求的不同，換熱管可以采用柱狀螺旋盤(pán)管或多U型管，換熱形式采用直接膨脹式或間接換熱式。

②路基用地源熱泵在冬季連續(xù)運(yùn)行時(shí)的最高供熱溫度可達(dá)95.9℃，最低吸熱溫度為-8.5℃。定溫運(yùn)行模式的啟停次數(shù)多，換熱效果和能效性不如定時(shí)運(yùn)行模式。熱泵啟停比過(guò)低時(shí)供熱量不足，而啟停比過(guò)高時(shí)能效性差。啟停比為2∶1時(shí)，供熱溫度為50～70℃，吸熱溫度顯著低于其他模式，換熱效果最優(yōu)。熱泵運(yùn)行1d的熱作用半徑為0.87m，土體升溫幅度隨啟停比的增大而增大。熱泵有效COP低于理論值，建議在路基表面施作保溫措施，與熱泵形成復(fù)合熱防護(hù)方案。

③面向單線鐵路路基凍脹搶險(xiǎn)時(shí)，熱泵間距建 議 取1.5～3.0m，供 熱 功 率 取1.0～2.0kW；面 向凍脹預(yù)防時(shí)，布設(shè)間距建議取3.0～5.0m，供熱功率取0.5～1.0kW。熱泵優(yōu)先選擇定時(shí)間歇運(yùn)行模式，啟停比建議取2∶1，實(shí)際應(yīng)用時(shí)應(yīng)根據(jù)天氣條件與路基凍脹程度動(dòng)態(tài)地調(diào)節(jié)運(yùn)行時(shí)間比例。