一种利用热管系统全年维护冻土地基热稳定的方法

本发明属于冻土路基热管，尤其涉及一种利用热管系统全年维护冻土地基热稳定的方法。

背景技术：

1、多年冻土区的路面实现沥青黑色化后，对太阳辐射吸收率增加了20％，并且路面的存在抑制了路基水热的蒸发，产生的蒸发潜热不能通过沥青路表面散出，引起的冻土热融活动对道路和建筑物产生很大影响，造成路基不均匀沉降和纵向裂缝等路基病害，严重影响着公路、铁路的使用寿命。

2、为缓解冻土退化，提高冻土路基的热稳定性，现有技术采取了铺设碎石层增加路基高度、设置通风管、遮阳板等方式，但这些方式容易被风沙或积雪覆盖而失去对流换热作用。采用普通热管可以在寒季产生较多冷量而冷却地基，但在最需要制冷的暖季，由于环境温度高于冻土温度，热管无法与大气环境换热，因此普通热管在夏季无法实现维护冻土地基热稳定的作用。

技术实现思路

1、为解决现有普通热管在夏季无法实现维护冻土地基热稳定的问题，本发明提供了一种利用热管系统全年维护冻土地基热稳定的方法。

2、本发明的技术方案：

3、一种利用热管系统全年维护冻土地基热稳定的方法，根据需求在冻土地基中插入热管系统，所述热管系统包括热管和设置于热管顶部的辐射制冷耦合相变模块，所述辐射制冷耦合相变模块包括储冷换热装置和铺设于储冷换热装置上表面的日间辐射制冷层，所述热管顶部探入所述储冷换热装置内部并与所述储冷换热装置中储存的相变储冷材料接触；所述日间辐射制冷层为相变储冷材料降温储冷，由所述热管自下而上传递的热量与所述相变储冷材料发生换热，驱动热管全年工作维护冻土地基热稳定。

4、进一步的，所述储冷换热装置的侧壁及底部的外周设有保温层，所述保温层由酚醛泡沫材料、膨胀玻化微珠、橡塑保温材料或玻璃棉制成。

5、进一步的，所述储冷换热装置的侧壁及底部的外周设有保温层，所述保温层外周还设有真空壳层，所述日间辐射制冷层上表面还设有透明的光学窗口，所述真空壳层与所述光学窗口通过密封结合形成真空环境。

6、进一步的，所述日间辐射制冷层为日间辐射制冷镀膜、日间辐射制冷薄膜、日间辐射制冷涂料或日间辐射制冷布料，所述日间辐射制冷层中含有功能性填料；所述功能性填料包括质量比为30～50:10～20的反射型粒子和发射型粒子，所述反射型粒子为粒径分布为0.2～1μm的tio2粒子、caco3粒子、baso4粒子、sio2粒子或云母粉中的一种或几种的组合；所述发射型粒子包括粒径分布为2～10μm的sio2粒子、si3n4粒子、sic粒子或aln粒子中的一种或几种的组合。

7、进一步的，所述储冷换热装置中储存的相变储冷材料包括质量比为20～50:20～40:80～100的高分子凝胶基质、相变材料和水，所述高分子凝胶基质为羟丙甲纤维素、甲基纤维素或羧甲基纤维素中的一种或几种的组合；所述相变材料为氯化钡-水体系、甘氨酸复合丙三醇、正十三烷或水混山梨酸钾中的一种或几种的组合。

8、进一步的，所述日间辐射制冷层的厚度为100～300μm，所述相变储冷材料的厚度不少于10cm。

9、进一步的，所述热管顶部外周还设置有内部换热翅片组，所述内部换热翅片组探入所述储冷换热装置内部，与所述储冷换热装置中存储的相变储冷材料接触换热。

10、进一步的，所述热管外周还设置有外部换热翅片组，所述外部换热翅片组与大气环境接触换热。

11、进一步的，所述热管内部由下至上含有液态制冷段、蒸发段、过渡段和散热段，在冻土地基中放置热管系统时，使所述液态制冷段和所述蒸发段插入冻土地基中。

12、进一步的，所述液态制冷段用于存储液态制冷剂，在热管中进行热量循环，液态制冷剂吸收冻土热量后从所述蒸发段吸热汽化上升带走热量，到达所述过渡段由液态制冷剂转化为气态制冷剂；气态制冷剂在所述散热段与所述储冷换热装置中的相变储冷材料换热、或通过内部换热翅片组与所述储冷换热装置中的相变储冷材料换热、或通过外部换热翅片与大气环境换热，从气态重新凝结为液态。

13、本发明的有益效果：

14、日间辐射制冷技术通过强烈反射太阳光谱(0.3-2.5μm)以及通过“大气窗口”(8-13μm)向3k外太空环境辐射热量，在不消耗任何能源的情况下降低相变储冷材料的温度，在真空条件下可实现低于环境温度40℃的降温，即使夏季在高原地区预计达到零下20℃的低温效果。相变储冷技术利用相变材料在相变过程中通过吸收或释放大量的能量来维持温度近乎不变特性达到控制周围环境温度的效果，可以解决能量供求在时间和空间上不匹配的问题并提升能源利用效率。

15、本发明提供的利用热管系统全年维护冻土地基热稳定的方法，将日间辐射制冷技术耦合相变储冷技术，利用日间辐射制冷层为相变储冷材料降温储冷，高效驱动热管全年都可与相变储冷材料换热，维护冻土地基热稳定，解决了现有热管在最需要制冷的暖季无法工作的难题。

技术特征：

1.一种利用热管系统全年维护冻土地基热稳定的方法，其特征在于，根据需求在冻土地基中插入热管系统，所述热管系统包括热管和设置于热管顶部的辐射制冷耦合相变模块，所述辐射制冷耦合相变模块包括储冷换热装置和铺设于储冷换热装置上表面的日间辐射制冷层，所述热管顶部探入所述储冷换热装置内部并与所述储冷换热装置中储存的相变储冷材料接触；所述日间辐射制冷层为相变储冷材料降温储冷，由所述热管自下而上传递的热量与所述相变储冷材料发生换热，驱动热管全年工作维护冻土地基热稳定。

2.根据权利要求1所述一种利用热管系统全年维护冻土地基热稳定的方法，其特征在于，所述储冷换热装置的侧壁及底部的外周设有保温层，所述保温层由酚醛泡沫材料、膨胀玻化微珠、橡塑保温材料或玻璃棉制成。

3.根据权利要求1所述一种利用热管系统全年维护冻土地基热稳定的方法，其特征在于，所述储冷换热装置的侧壁及底部的外周设有保温层，所述保温层外周还设有真空壳层，所述日间辐射制冷层上表面还设有透明的光学窗口，所述真空壳层与所述光学窗口通过密封结合形成真空环境。

4.根据权利要求1、2或3任一所述一种利用热管系统全年维护冻土地基热稳定的方法，其特征在于，所述日间辐射制冷层为日间辐射制冷镀膜、日间辐射制冷薄膜、日间辐射制冷涂料或日间辐射制冷布料，所述日间辐射制冷层中含有功能性填料；所述功能性填料包括质量比为30～50:10～20的反射型粒子和发射型粒子，所述反射型粒子为粒径分布为0.2～1μm的tio2粒子、caco3粒子、baso4粒子、sio2粒子或云母粉中的一种或几种的组合；所述发射型粒子包括粒径分布为2～10μm的sio2粒子、si3n4粒子、sic粒子或aln粒子中的一种或几种的组合。

5.根据权利要求4所述一种利用热管系统全年维护冻土地基热稳定的方法，其特征在于，所述储冷换热装置中储存的相变储冷材料包括质量比为20～50:20～40:80～100的高分子凝胶基质、相变材料和水，所述高分子凝胶基质为羟丙甲纤维素、甲基纤维素或羧甲基纤维素中的一种或几种的组合；所述相变材料为氯化钡-水体系、甘氨酸复合丙三醇、正十三烷或水混山梨酸钾中的一种或几种的组合。

6.根据权利要求5所述一种利用热管系统全年维护冻土地基热稳定的方法，其特征在于，所述日间辐射制冷层的厚度为100～300μm，所述相变储冷材料的厚度不少于10cm。

7.根据权利要求6所述一种利用热管系统全年维护冻土地基热稳定的方法，其特征在于，所述热管顶部外周还设置有内部换热翅片组，所述内部换热翅片组探入所述储冷换热装置内部，与所述储冷换热装置中存储的相变储冷材料接触换热。

8.根据权利要求7所述一种利用热管系统全年维护冻土地基热稳定的方法，其特征在于，所述热管外周还设置有外部换热翅片组，所述外部换热翅片组与大气环境接触换热。

9.根据权利要求8所述一种利用热管系统全年维护冻土地基热稳定的方法，其特征在于，所述热管内部由下至上含有液态制冷段、蒸发段、过渡段和散热段，在冻土地基中放置热管系统时，使所述液态制冷段和所述蒸发段插入冻土地基中。

10.根据权利要求9所述一种利用热管系统全年维护冻土地基热稳定的方法，其特征在于，所述液态制冷段用于存储液态制冷剂，在热管中进行热量循环，液态制冷剂吸收冻土热量后从所述蒸发段吸热汽化上升带走热量，到达所述过渡段由液态制冷剂转化为气态制冷剂；气态制冷剂在所述散热段与所述储冷换热装置中的相变储冷材料换热、或通过内部换热翅片组与所述储冷换热装置中的相变储冷材料换热、或通过外部换热翅片与大气环境换热，从气态重新凝结为液态。

技术总结
本发明涉及一种利用热管系统全年维护冻土地基热稳定的方法，属于冻土路基热管技术领域。为解决现有普通热管在夏季无法实现维护冻土地基热稳定的问题，本发明提供了一种利用热管系统全年维护冻土地基热稳定的方法，根据需求在冻土地基中插入热管系统，热管系统包括热管和设置于热管顶部的辐射制冷耦合相变模块，辐射制冷耦合相变模块包括储冷换热装置和铺设于储冷换热装置上表面的日间辐射制冷层，热管顶部探入所述储冷换热装置内部并与所述储冷换热装置中储存的相变储冷材料接触。本发明将日间辐射制冷技术耦合相变储冷技术，利用日间辐射制冷层为相变储冷材料降温储冷，高效驱动热管全年都可与相变储冷材料换热，维护冻土地基热稳定。

技术研发人员：程子明,王富强
受保护的技术使用者：哈尔滨工业大学（威海）
技术研发日：
技术公布日：2024/4/22