面向季节性冻土区路基工程的太阳能集热装置及实施方法与流程

本发明涉及冻土区路基病害防治技术领域，具体涉及一种面向季节性冻土区路基工程的太阳能集热装置及实施方法。

背景技术：

冻土指温度在0℃或0℃以下，并含有冰的各种岩土和土壤。土体是一种对温度极为敏感的材料，负温环境下，土中水会凝结成冰而体积膨胀，由此减小土体孔隙体积，同时土骨架在冰膨胀附加应力的作用下进一步变形，土体物理力学性质会发生很大变化。季节冻土的冻结和融化循环过程对土体特性有较大影响，由此路基容易在冬季出现冻胀隆起、在春季融化翻浆冒泥等一系列冻害。

冻胀现象的产生必须同时具备土质、温度和水的作用，因此只要消除这三个因素中的一个就可防止道路冻胀现象的产生。在工程条件一定的情况下，温度是导致路基病害的关键因素，也是在保证所有防治措施有效但病害依然存在情况下最为有效的可控因素。目前，防治冻胀的工程措施主要着眼于对土质的改良和对水的防排处理，包括置换填土法、稳定土处理法、人工盐化法、以及各类防水、排水、隔水措施。置换法指采用非冻胀材料换填冻胀土，土方量较大，当需要远距离运输置换土或换土深度较大时，成本较高。稳定土处理法指掺入适当数量的水泥处理软弱粘性土，可提高路基强度和承载能力，增加抗冻和抗水性能，但水泥剂量过大易产生收缩裂缝。人工盐化法指通过打孔注盐、稀释注入和土盐拌和等措施使溶于土中水的盐分增高，使土体冻胀温度小于淡水冰点，这种方法适用于低温极值较高的病害轻微段使用，剂量过大易出现新的路基盐渍化病害。隔热隔温层法指在填土中设置聚苯乙烯等保温材料，隔温层上填筑垫层，在机械压实过程中隔温材料容易被破坏。因此，现有的路基防冻胀措施缺乏对温度的主动调控，现有的隔温层法也受限于对路基边界的被动。

以上措施的出发点在于克服和延缓路基冻胀，只能减小冻胀，不能根除冻害，属于预防性的被动措施。在严寒气候下路基仍可能出现一系列冻胀引起的问题，并需要不断的投入维护费用。因此，目前季节性冻土冻胀病害以预防为主，在地基冻胀发生并影响道路正常安全运营后缺乏快速有效的治理措施。寒区高速铁路、重载铁路建设对路基物理环境与环境调控技术提出了更高的要求，有必要研发更为有效的主动温度调控措施。

在可再生能源中，太阳能是资源最为丰富的一种，分布广泛，易于获取。其中，太阳能光热利用是目前最为成熟的太阳能利用技术。幸运地是，我国季节性冻土区均处于太阳能利用条件良好的一、二、三类地区，太阳能光热利用在寒区路基工程中有着良好的适用性。

目前，太阳能光热利用技术主要面向人居环境控制和工业应用等行业，限于学科差异，面向路基环境控制应用的太阳能利用则还没有涉及。

路基与大气环境的传热过程包括两个阶段：在冬季，当大气环境低于路基温度时，由路基向大气传热，路基降温；在冬季之外，当大气温度高于路基温度时，由大气向路基传热，路基升温。在严寒地区，冬季最低气温可达-40℃，路基及下覆地层与大气之间在冬季的温差要普遍高于夏季，同时土中水变为冰后的导热系数也会增加，导致冬季的传热效率要大于夏季。因此，寒区路基冻害的主要原因在于冬季的过度热量损失。那么，从传热改良方向来看，一方面，应提高大气向路基的传热效率，使路基在冬季来临之前达到更高的温度水平有利于抵消冷季热损；另一方面，在冷季提供一个外部热源，向路基传热以补偿热损，实现主动供热。因此，针对季节性冻土区路基及下覆地基的冻胀病害防治需求，基于太阳能光热利用技术和我国季节性冻土区丰富的太阳能分布条件，发展面向季节性冻土区路基工程冻胀病害的太阳能集热装置有着巨大的应用潜力。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种能够实现对路基的热量预储和实时补充，集热效率高、抗冻性好、防泄漏，结构紧凑，体积小，布设方式灵活，可以实现对冻胀地层的全方位近距离供热的用于防治季节性冻土区路基冻胀的太阳能集热装置和方法，以解决上述背景技术中现有防冻胀技术效果差，维护成本高，路基供热调控效果差的技术问题。

为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案：

本发明一方面提供了一种面向季节性冻土区路基工程的太阳能集热装置，该装置包括地上集热单元和路基供热单元，所述地上集热单元用于将太阳能转换为热能，并将热能传递给所述路基供热单元；所述路基供热单元用于将所述地上集热单元传递的热能传递给冻土路基；

所述地上集热单元包括吸热管，所述吸热管的外部套设有外套管，所述吸热管与所述外套管之间形成有隔热腔；所述吸热管和所述外套管的两端通过密封节连接；

所述路基供热单元包括有供热管，所述吸热管连通所述供热管；

所述吸热管和所述供热管内均填充有传热工质。

进一步的，所述吸热管的下端穿过所述密封节通过第一螺纹法兰连通所述供热管。

进一步的，所述供热管的外壁上均匀设有若干导热部件。

进一步的，所述导热部件为固定在所述供热管外壁上的导热片；或者，所述导热部件为一端与所述供热管连通，另一端封闭的导热管。

进一步的，所述吸热管的上端穿过所述密封节连通有第二螺纹法兰，所述第二螺纹法兰的上端设有法兰盲板，所述法兰盲板的上端通过弯管接头连接有压力表。

进一步的，所述隔热腔内设有吸气剂。

进一步的，所述传热工质为导热油。

进一步的，所述吸热管的外壁上设有溅射太阳能选择性吸收涂层。

进一步的，所述吸热管由金属材料制成，所述外套管由玻璃制成，所述供热管由金属材料制成。

本发明的另一方面，提供了一种如上所述装置的实施方法的技术方案，该方法包括如下步骤：

步骤S110：确定路基下覆季节冻土层的冻胀深度范围；

在冬季通过布设测温孔和变形监测孔的实测方法，结合地质雷达勘探，确定季节冻土的冻胀深度范围；

步骤S120：测定季节冻土地层的热物性参数和热负荷；

通过热响应测试试验，确定地层热物性参数，设定季节冻土温度的调控范围，计算季节冻土路基的冬季热负荷；

步骤S130：确定太阳能集热管的高度、直径和布设间距等设计参数；

根据季节冻土路基的冻胀深度范围和热负荷，确定太阳能集热管的布设位置和供热范围，确定吸热管、外套管和供热管的直径和高度，以及太阳能集热装置的布设间距；

步骤S140：钻孔施工，安装太阳能集热装置；

通过非开挖机械成孔方式钻设孔洞，将太阳能集热装置的路基供热单元埋入成孔中，布设完成后孔洞空隙回填密实。

本发明有益效果：本发明可以实现对路基的热量预储和实时补充，弥补了现有措施的被动性防护机理，可高效控制路基的季节性热量收支平衡；结构紧凑，体积小，占地面积小，具有独立的集热和供热部件，布设方式灵活，满足冻胀病害的分散性分布特征；金属吸热管具有集热效率高、抗冻性好，结构强度大，坚固耐用，抗震性好的特点，提高了震动环境中的路基工程的安全性能；可根据季节冻土的冻深范围，调节装置的整体长度，相比现有保温材料的边界防护效果，可以实现对冻胀地层的全方位近距离供热。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例所述的面向季节性冻土区路基工程的太阳能集热装置结构图。

图2为图1中A-A处截面图。

图3为图1中B-B处截面图。

图4为图1中C-C处截面图。

图5为本发明实施例所述的面向季节性冻土区路基工程的太阳能集热装置的实施方法流程图。

其中：1-吸热管；2-外套管；3-隔热腔；4-密封节；5-供热管；6-传热工质；7-第一螺纹法兰；8-导热部件；9-第二螺纹法兰；10-法兰盲板；11-弯管接头；12-压力表；13-吸气剂；14-太阳能选择性吸收涂层；15-法兰垫片；16-螺栓；17-弹簧支架；18-真空尾嘴。

具体实施方式

下面详细叙述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件和/或它们的组。应该理解，这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或耦接，使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的任一单元和全部组合。

本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

为便于理解本发明，下面结合附图以具体实施例对本发明作进一步解释说明，且具体实施例并不构成对本发明实施例的限定。

本领域技术人员应该理解，附图只是实施例的示意图，附图中的部件并不一定是实施本发明所必须的。

实施例一

本发明实施例一提供了一种用于防治季节性冻土区路基冻胀的太阳能集热装置，该装置包括地上集热单元和路基供热单元，所述地上集热单元用于将太阳能转换为热能，并将热能传递给所述路基供热单元；所述路基供热单元用于将所述地上集热单元传递的热能传递给冻土路基。

如图1所示，为本发明实施例所述的面向季节性冻土区路基工程的太阳能集热装置结构图，所述地上集热单元包括吸热管1，所述吸热管1由金属材料制成，集热温度高，具有良好的导热性能和加工性能，耐腐蚀；所述吸热管1的外部套设有外套管2，外套管2为硼硅玻璃3.3，具有透射比高、热稳定性好、耐腐蚀、抗机械冲击等优点。所述吸热管1与所述外套管2之间形成有隔热腔3；所述吸热管1和所述外套管2的两端通过密封节4连接；由于吸热管1和外套管2之间是真空绝热的隔热腔3，热能向外散失量极小。

所述路基供热单元包括有供热管5，吸热管1的下端穿过所述密封节4通过第一螺纹法兰7连通所述供热管5；所述吸热管1和所述供热管5内均填充有传热工质6，所述传热工质6为导热油。在具体使用中，传热工质的材料并不受上述导热油的限制。

如图4所示，为本发明实施例所述的面向季节性冻土区路基工程的太阳能集热装置供热管截面图，吸热管1转化来的热能向内传递给金属吸热管1内的传热工质6，热能经传热工质6传递至供热管5中，供热管5的外壁上均匀设有若干导热部件8。导热部件8可扩大与冻土的接触面积，有利于提高热量由供热管5向冻土的传递速度。所述导热部件8为固定在所述供热管5外壁上的导热翅片，导热翅片为导热性较强的铜带或铝带翅片；导热部件8也可为一端与所述供热管5连通，另一端封闭的金属导热管。

所述隔热腔3内设有吸气剂13。吸气剂13可随时吸收隔热腔3内产生的气体，保持隔热腔3的真空度，防止热量向外传递，保持热量利用率。

吸热管1和外套管2之间可设置弹簧支架17，将吸热管固定在中心轴线上，增强装置的结构稳定性，防止高温涂层触碰到外套管2而损坏。

如图2所示，为本发明实施例所述的面向季节性冻土区路基工程的太阳能集热装置第二螺纹法兰与法兰盲板连接处的截面图，所述吸热管1的上端穿过所述密封节4连通有第二螺纹法兰9，所述第二螺纹法兰9的上端设有法兰盲板10，所述法兰盲板10的上端通过弯管接头11连接有压力表12。当导热油的温度过高时，会产生体积膨胀和挥发蒸汽现象，通过压力表12可以实时监测太阳能集热管内部压力的升高情况，当存在安全隐患时应及时采取应急措施。

如图3所示，为本发明实施例所述的面向季节性冻土区路基工程的太阳能集热装置吸热管和外套管截面图，所述吸热管1的外壁上设有溅射太阳能选择性吸收涂层14，太阳能选择性吸收涂层为光热转换材料。当太阳光透过外套管2投射在金属吸热管1上时，高吸收率的太阳能选择性吸收涂层14将太阳辐射能转化为热能。

本发明所述的装置具体工作原理为：在有太阳照射的白天，太阳光透过集热单元的玻璃外套管2，投射在金属吸热管1上，太阳能选择性吸收涂层14将太阳辐射能转化为热能。热能通过吸热管1的管壁传递给管内的导热油，导热油的温度升高，使吸热管1内部的导热油和供热管5内的导热油产生温度差，热能由吸热管1向路基供热单元的供热管5传递。在温差驱动作用下，热量继续由供热管5向导热部件8传递，最终通过导热部件8传递给管周围的低温路基冻土，由此实现对季节性冻土区路基的供热。

实施例二

本发明实施例二提供了面向季节性冻土区路基工程的太阳能集热装置的制作组装方法，在本实施例中，所述地上集热单元的具体制作步骤包括：

(a)选择一根一定长度不锈钢管，在不锈钢管的外壁溅射太阳能选择性吸收涂层，不锈钢管两端各余5cm空白，即为金属吸热管；

(b)选择一根与金属吸热管长度相差10cm的玻璃管，采用玻璃-金属封接节将金属吸热管和玻璃管密封套接，金属吸热管端部5cm长度的空白部分在玻璃-金属封接节的外侧；

(c)通过真空尾嘴18将金属吸热管和玻璃管之间的夹层空间抽真空，得到隔热腔；

(d)在不锈钢管的顶端和底端分别焊接螺纹法兰。

所述路基供热单元的具体制作步骤包括：

(a)选择一根一定长度的金属基管，底端焊接封死，顶端焊接螺纹法兰；

(b)在金属基管的外壁上焊接导热翅片；

本发明实施例所述的太阳能集热装置的具体组装方法为：

(a)将太阳能集热单元底端的螺纹法兰放置法兰垫片15后用螺栓16密封对接，金属吸热管和金属基管的内部为直通空间；

(b)通过金属吸热管顶部的螺纹法兰，向金属吸热管和金属基管的内部灌注导热油；

(c)将压力表通过弯通接头焊接在法兰盲板上；

(d)将法兰盲板与金属吸热管顶部的螺纹法兰之间放置法兰垫片15后用螺栓16密封对接。

组装后的太阳能集热装置整体形成立式柱状结构，立式柱状的结构形式使装置的结构更加紧凑，体积小，占地面积小，布设方式灵活，满足冻胀病害的分散性分布特征；还可根据季节冻土的冻深范围，调节装置吸热管、供热管的长度，相比现有保温材料的边界防护效果，可以实现对冻胀地层的全方位近距离供热。

实施例三

本发明实施例三提供了面向季节性冻土区路基工程的太阳能集热装置的实施方法，如图5所示，为本发明实施例三所述的面向季节性冻土区路基工程的太阳能集热装置的实施方法流程图，该实施方法包括如下步骤：

步骤S110：确定路基下覆季节冻土层的冻胀深度范围；在冬季通过布设测温孔和变形监测孔的实测方法，结合地质雷达勘探，确定季节冻土的冻胀深度范围；

步骤S120：测定季节冻土地层的热物性参数和热负荷；通过热响应测试试验，确定地层热物性参数，设定季节冻土温度的调控范围，计算季节冻土路基的热负荷；

步骤S130：确定太阳能集热管的设计参数；根据季节冻土路基的冻胀深度范围和热负荷，确定太阳能集热管的布设位置和供热范围，确定吸热管、外套管和供热管的直径和高度，以及太阳能集热装置的布设间距；

步骤S140：钻孔施工，安装太阳能集热装置；通过非开挖机械成孔方式钻设孔洞，将太阳能集热装置的路基供热单元埋入成孔中，布设完成后孔洞空隙回填密实。

综上所述，本发明的运行效果是，在夏季，太阳辐射强度大，地表以上的太阳能集热段的光热转化效率较高，可以增强大气向路基的热量传递效率，并通过路基供热段将热量传递给路基，将路基作为一个热量载体，提高路基温度而储存热量，用来抵消在冬季路基向大气环境的热量传递损失。在冬季，晴朗天气下，当太阳能集热段内导热油温度高于路基温度时，也可以向路基传热，以实时补偿热量损失。在夏季储热和冬季补热的全年供热条件下，将路基温度维持在一个较高水平，以减弱冻胀程度，当温度高于路基材料的冻结温度时，即可消除冻胀现象。

具体的，相比现有的土质改良、防排水、保温材料等防冻胀措施，本发明实现了对路基的热量预储和实时补充，弥补了现有措施的被动性防护机理，更为高效地控制路基的季节性热量收支平衡，防冻胀机理更为有效和先进；基于太阳能光热技术，属于新能源利用技术，相比其他供热技术可实现无人值守，全年都处于工作状态，在寒区路基工程中具有巨大的应用优势；相比普通的全玻璃真空集热管，金属吸热管的集热温度高，在冬季不会发生冻裂，具有集热效率高、抗冻性好、防泄漏、结构强度大，坚固耐用，抗震性好，应用于震动环境的路基工程时安全性能高；立式柱状的结构形式使结构紧凑，体积小，占地面积小，具有独立的集热和供热部件，布设方式灵活，满足冻胀病害的分散性分布特征；可根据季节冻土的冻深范围，调节路基供热段的长度，相比现有保温材料的边界防护效果，可以实现对冻胀地层的全方位近距离供热。

本领域普通技术人员可以理解：本发明实施例中的装置中的部件可以按照实施例的描述分布于实施例的装置中，也可以进行相应变化位于不同于本实施例的一个或多个装置中。上述实施例的部件可以合并为一个部件，也可以进一步拆分成多个子部件。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。