[发明专利]用于防治多年冻土退化的压缩式制冷系统

说明书

本发明公开了一种用于防治多年冻土退化的压缩式制冷系统，涉及冻土退化防治技术领域，包括制冷单元、温度信号采集单元、中心控制单元、电源单元；制冷单元的输入端连接中心控制单元的输出端，用于对冻土的温度进行调控；温度信号采集单元连接中心控制单元的一输入端，用于采集冻土的温度信号，并将冻土的温度信号发送给中心控制单元；中心控制单元根据冻土的温度信号控制制冷单元的开启或关闭；电源单元的输出端连接中心控制单元的另一输入端，用于为中心控制单元及制冷单元提供电源。本发明结构紧凑，占地面积小，利用太阳能、风能发电进行驱动，节能环保，能够实现实时对冻土温度进行稳定可靠的智能控制，克服了冻土退化防治的季节性因素限制。

技术领域

本发明涉及冻土退化防治技术领域，具体涉及一种用于防治多年冻土退化的压缩式制冷系统。

背景技术

我国冻土分布面积巨大，多年冻土主要分布在东北大小兴安岭北部、西部天山和阿尔泰山及青藏高原，约占国土面积的22.4％。随着我国基础设施建设的广泛开展，道路工程逐渐成为多年冻土地区开发建设的重要组成部分。在多年冻土区道路建设过程中，冻土这一特殊地质体是需要首先考虑的研究对象。冻土是一种对温度极为敏感的材料，尤其对于温度低于冰水相变温度1～2℃范围内的冻土，温度变化会导致冻土内冰晶的胶结强度以及未冻水含量发生显著变化，进而对其物理力学性质产生严重的影响。由于施工扰动及对原有天然地表状况的改变，路基在施工和运营期间将不可避免的与下部接触多年冻土进行热交换并相互影响。在水、热、力等环境荷载的耦合作用下，多年冻土容易出现温度升高、融化等退化现象，进而引起路基出现沉陷、滑塌等热害。

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唯一的可控因素。因此，冻土工程界在青藏铁路修建期间提出采用主动冷却路基的方法穿越高温多年冻土区。目前，已发展应用的主要包括片石、块石气冷结构、通风管散热结构及热管。上述措施的工作机理均基于自然温差驱动的被动传热过程，主要在冬季气温低于地层温度时才可以对多年冻土进行降温蓄冷，而在热融严重的暖季冷却效果有限。块/碎石结构、通风管主要通过几何参数来调节传热效果，优化相对困难。即使是冷却效率最高的热管也仍然属于被动式传热元件，依靠地气温度差驱动相变换热循环。由于热流方向的可逆性，热管对冻土的保护只能在冷季通过预储或补给冷量来实现，进入暖季后必须停止工作。在冻土地基中埋设通风管利用环境温度调控路基冻土温度，但不能主动调控冷量，路基稳定性调控受环境影响，无法确保路基稳定。

随着全球变暖的气候演化趋势和我国更大规模的交通建设规划，现有的多年区路基热稳定性维护措施已不能满足应用要求。因此，有必要研发季节匹配性好、传热效率更高的路基用主动制冷方法及装置。

制冷方法与技术是一门历史悠久的学科，主要包括蒸汽压缩式、热电式、热驱动式(吸收式、吸附式)，原理上都必须有消耗能量的补偿过程，包括电能、机械能及热能等。其中，蒸汽压缩制冷消耗电能驱动蒸汽压缩式制冷循环，压缩制冷是应用最为广泛的制冷方式，技术成熟可靠，制冷系数达5.0以上，具有制冷量大、效率高、结构紧凑、工作可靠等显著优点。

多年冻土区路基热害具有分散性强、分布深度大等诸多特殊之处，因此制冷技术应用于路基工程不仅要满足一般路基维护技术要求，还要满足系统集成与小型化、最低制冷温度和独立便捷的驱动能源供应等制冷技术要求。特别是，多年冻土区线路工程沿线一般基础设施落后，通过并网电力供应路基沿线长距离的压缩式制冷应用显然不现实。幸运地是，一方面，近年来压缩制冷设备在集成化和中小型化技术上已经成熟；另一方面，各类新能源利用技术不断发展，包括光伏发电、风力发电，以及地源热泵、太阳能集热等，广泛地应用于电力供应、人居环境调节等领域。特别是在发电方面，太阳能-风能互补发电技术是新能源领域的重点研究方向之一。