[实用新型]面向季节性冻土区路基工程的太阳能集热装置

说明书

本实用新型公开了一种面向季节性冻土区路基工程的太阳能集热装置，涉及冻土路基病害防治技术领域，包括地上集热单元和路基供热单元，地上集热单元包括吸热管，吸热管的外部套设有外套管，吸热管与外套管之间形成有隔热腔；吸热管和外套管的两端通过密封节连接；路基供热单元包括供热管，所述吸热管连通所述供热管；吸热管和所述供热管内均填充有传热工质。本实用新型合理有效地控制冻土路基的季节性热量收支平衡，防冻胀效果更为有效；节约了能源，降低了成本和人工劳动强度；集热效率高、抗冻性好、防泄漏，结构紧凑，体积小，占地面积小，布设方式灵活，可分散布置，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。

技术领域

本实用新型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。

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。