专利名称：自然冷能式导热系数可变装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种在多年冻土地区进行工程建筑中，能有效保护下部多年冻土路基稳定性的工程建筑降温装置，尤指一种自然冷能式导热系数可变装置。
背景技术：
随着国民生产和地区经济的发展，以及国家西部大开发战略的实施和进程的不断深入，我国现已在占据国土面积22％的多年冻土地区不断进行铁路、公路、输油管线、光缆、水利等重大工程设施的建设。冻土是该地区许多重大工程建设所面临最大的技术性难题。冻土是指温度在0℃或0℃以下，并含有冰的各种岩土和土壤，多年冻土是指冻土不间断地保持多年、若干世纪以至数千年。在多年冻土形成和发展过程中，由于冻融循环所导致的水分迁移往往会在地下的一定的深度上形成一定或是很厚的冰层(称为地下冰)。
由于人为工程措施的影响，改变了地表换热条件，特别是在青藏高原太阳高辐射地区，人为工程使实施后工程建筑吸热面、吸热量大为增加，使得各种工程措施基础下部的多年冻土的热量总体平衡遭到破坏，总体吸热量大于放热量，使得多年冻土的温度不断升高，多年冻土中的厚层地下冰不断融化，由此导致工程建筑的基础不断下沉、失稳，严重影响各种相关工程的稳定性和正常运营。例如俄罗斯1994年调查表明，70年代建成的第二条西伯利亚铁路，线路病害率达27.5％。运营近百年第一条西伯利亚铁路1996年调查的线路病害率为45％。我国1990年调查表明，青藏公路当时病害率达31.7％，东北多年冻土地区铁路病害率达40％。同时随着全球气候转暖，多年冻土的年平均地温也在不断的转暖，并对外界温度变化的响应更加敏感，许多多年冻土稳定区域逐渐转变成不稳定区或极不稳定区。现存多年冻土往往厚达几十米甚至上百米，多年冻土一旦失稳便会进入到一系列的恶性循环中，地下冰不断融化，地表不断下沉。因此，是否能采取和使用有效、实用的工程保护措施和技术，保护工程基础下部的多年冻土少受或免受上部工程建筑和整体气候变暖的影响，成为青藏铁路和各种冻土工程建设成败所在。目前就工程与冻土相互作用的研究较多，但如何切实有效地解决其相互作用问题的成功措施不多。
从研究成果来看，目前用于保护铁路、公路等线性工程下部多年冻土的工程措施主要有提高路堤高度，在路堤表面铺设抛石护坡、遮阳板，在路堤中加装通风管，在路堤中铺设保温材料、抛石基础，埋设热桩等措施。但由于我国多年冻土地区独特条件的限制，上述方法均存在一些不足或缺陷。在我国多年冻土地区，尤其是青藏高原，很多多年冻土的年平均地温接近零度(称为高温多年冻土)，致使这些在工程措施要么功效不高，要么造价太高，要么仅在点上降温，难以满足工程实际要求的线上、面上降温的要求，难以在线性工程中大量使用。因此，在工程实践中急需新颖、功效更高、在实践中切实可行的工程技术措施。
发明内容
本发明的主要目的是提供一种能利用自然冷能保护多年冻土路基的导热系数可变装置，该装置利用水冰相变过程中潜热的释放和吸收，冬季在装置内部集聚冷能，暖季通过相变转化可以减少热量的传入；同时利用冰导热系数是水的4倍的特点，通过相变后自动控制冬季和暖季路堤内部的热流量，最终达到冬季放热热流量大于暖季热流量，使路堤达到净放热的目的，这样可以冷却路基，从而保护路基下部多年冻土，稳定冻土路基。
系统在正温下导热系数相对较低、负温下导热系数相对较高。同时由于该装置内部物质水的热容量很高，多年冻土区的冷季的时间大于暖季时间，因此还具有储存冬季冷能的功能，到夏季可以延缓热流传入地下，达到对下部多年冻土的进一步的保护。
本发明利用了水的相变潜热以及水在固液状态下导热系数的差异来实现不同时期不同方向上的热流控制，我们知道水的导热系数为0.5W/m.K，冰的导热系数约为2.2W/m.K，两种状态下导热系数比约4倍多，在多年冻土区冬季的时间大于暖季时间，具有储存冬季冷能的功能。在多年冻土区冬季负温条件下，装置内部的水呈现为冰的状态，相比之下为热的良导体，冷量可以通过装置传入路基底部，并且使冰集聚一定的冷量；到了夏季的时候，冰会在正温状态下缓慢融化，冰在融化过程中能吸收从路基表面传来的热量发生相变，对热量向下传输起到延缓和阻碍的作用，并且水由于导热系数较小能在外界温度较高时起到热阻作用。由于冰水在相变过程中要发生体积变化，因此必须用某种材料控制这种变化，通过室内大量实验我们发现海绵体吸水以后能在冰水状态下保持体积不变，这是由于海绵体内部有大量气泡，约85～90％的气泡通过孔隙连接形成容水空间，可以吸附大量水；约10～15％的气泡为闭合气泡，当水变为冰体积增大的时候这些闭合气泡刚好起到缓冲膨胀的作用，这样就保持了水冰相变过程中体积一致。
本发明的目的正是本着上述原理通过如下措施来实现一种自然冷能式导热系数可变装置，是由密闭的壳体和吸水材料组成的。密闭的壳体内装有饱水的吸水材料，并在壳体内添加80-90％壳体容积的水。
壳体外壳至少是由硬质塑料、陶瓷、混凝土材料中的一种制作而成。
吸水材料至少是海绵、花泥、泡沫玻璃、硅藻土、珍珠岩、木材锯末中的一种。
本发明与现有技术相比具有如下优点本发明结合工程实践，不仅可以满足点上降温的要求，更能连续铺设于路堤的某一层面，满足工程从面的角度进行调控热量和降温的需求；将该装置用于公路、铁路的路基中，能克服人为工程和气候变暖对多年冻土路基带来的不利影响，改变不同季节的热流量，有效保护路基，起到事半功倍的作用；该装置可以用于多年冻土地区房屋地基中，防止冻融循环引起的不均匀沉降；除此，该发明可以用于正负温变化条件下需要恒温保护的一种装置；该装置工程实现容易，成本低廉，充分利用了高寒地区的自然冷能实现热量自控。本发明可广泛应用于铁路、公路路堤及其他线性工程或建筑物底部，埋设于道路工程、输油输气等线性工程的基础中。
图1本发明应用于路堤内部示意2本发明的导热系数可变装置单元的内部结构示意3本发明水平铺设结构示意4本发明壳体支撑式结构室内实验5普通路基原地表路堤底部中心地温热流量随时间变化过程图6应用本发明原地表路堤底部中心地温热流量随时间变化过程图7普通路基在运行30年的过程中，路基下部4米、8米深度地温随时间变化过程图8应用本发明路基在运行30年的过程中，路基下部4米、8米深度地温随时间变化过程具体实施方式
结合附图，本发明在路基中实施应用作进一步详述实施例如图2所示，一种自然冷能式导热系数可变装置是由密闭的正方体硬塑料壳体1中装有吸水材料—海绵吸水体，壳体内添加90％壳体容积的水制做而成的。将上述导热系数可变装置铺设25厘米厚置于公路路堤一定位置的层面上(见图1)，尔后在其层面上铺设密实的填土。利用本装置内部水体热容量很高的特点和多年冻土区冷季时间大于暖季时间的特征，以及具有储存冬季冷能的功能，在正温的条件下，水起到一定热阻作用，致使整个装置的导热系数相对较低，并且冰在融化过程中吸收大量热量，对热量传输起到延缓作用，热量很难传入路基底部；在进入冷季的时候，水首先吸收冷量形成冰，冰由于导热系数相对较大，变成热的良导体，利用冰的导热系数为2.21～2.2326W/m·K的特点，使原有相对阻热的液体水层改变为相对导热的冰晶层。该层在正温和负温两种状态下导热系数的差异，导致整个系统在正温和负温两种条件下的热流量的差值，从而实现可实现在环境温度为正温下的隔热和在负温下的热交换作用。同时相变后自动控制冬季和暖季路堤内部的热流量，最终达到冬季放热热流量大于暖季热流量，使路堤达到净放热的目的，这样可以冷却路基，从而保护路基下部多年冻土，稳定冻土路基，达到对下部多年冻土的进一步的保护。
实施例2在线性工程上需要大面积线面降温，实现环境与被保护物体之间进行不同方向热流控制。我们可以根据要求连续在路基铺设本单元装置(如图3所示)，壳体材料一般选取导热系数较小且有较好防水性能的塑料，制作成密封的壳体。吸水材料选用泡沫玻璃和硅藻土，并在壳体内添加87％壳体容积的水，本发明可以通过以下两种途径在多年冻土路基工程中实现，其一，可以将如图2所示的壳体单元装置按一定密度埋设在路基如图3所示平面层内，其层面上铺设密实的填土；其二，可以用混凝土块或者空心砖等砌成如图4所示的菱形骨架支撑结构，然后将密封好的壳体单元装置置于骨架的空格中，这样对外壳材料起到一定保护作用，这样可以适当放宽外壳材料的选择。
试验例为验证该种技术的有效性，本发明利用中国科学院冻土工程国家重点实验室青藏公路和铁路北麓河试验场的实测资料，构建了计算模型，利用中国科学院冻土工程国家重点实验室购置的Marc大型模拟计算软件进行了仿真模拟分析。
通过模拟计算对比普通路基和有该装置路基在运行10年过程中的热流量，如图5所示普通路基的热流量，从长期运行来看，路基的吸热量大于放热量，处于净吸热状态，这对路基稳定非常不利；如图6所示在路基中铺设该壳体单元装置后，大大改变了热流量的收支状况，热流量收支以年平均曲线显示，路基处于净防热状态，有利于路基的稳定。图7和图8是通过数值计算模拟普通路基和铺设该装置路基在运行30年过程中，路基表面以下4米和8米处温度状况对比曲线图。从图7普通路基的温度状况来看，在人为工程影响和气候变暖的条件下，普通路基下部的温度一直处于上升阶段，越靠近路基表层，响应越明显；而图8所示铺设该装置以后，能有效控制路基温度升高，并且在前十年运行期间，路基以下多年冻土处于明显降温期，从而达到了保护路基下部多年冻土，稳定冻土路基的目的。
权利要求
1.一种自然冷能式导热系数可变装置，是由密闭的壳体(1)和吸水材料(2)组成的，其特征是由密闭的壳体(1)内装有饱水的吸水材料(2)，并在壳体内添加80-90％壳体容积的水。
2.如权利要求1所述的自然冷能式导热系数可变装置，其特征在于壳体(1)的外壳至少是由硬质塑料、陶瓷、混凝土材料中的一种制作而成。
3.如权利要求1所述的自然冷能式导热系数可变装置，其特征在于吸水材料至少是海绵、花泥、泡沫玻璃、硅藻土、珍珠岩、木材锯末中的一种。
全文摘要
本发明公开一种自然冷能式导热系数可变装置，它是由密闭的壳体和吸水材料组成的，密闭的壳体内装有饱水的吸水材料，并在壳体内添加80－90％壳体容积的水。本发明埋设在铁路、公路及其它工程的路基基础和建筑物等其他需保温隔热的物体的层面上，通过装置在正温下导热系数低、负温下导热系数高以及相变过程潜热变化的特征来实现环境温度与冻土路基温度之间的调控，对多年冻土的温度场起到很好的保护作用，同时可以降低路堤要求的最低高度，减少工程造价，缩短建设周期，维护路堤的长期稳定将产生积极作用。
文档编号E02D27/35GK1746436SQ20051009612
公开日2006年3月15日 申请日期2005年9月28日 优先权日2005年9月28日
发明者牛富俊, 何乃武, 潘喜才, 俞祁浩 申请人:中国科学院寒区旱区环境与工程研究所