CN101787692A - 维护多年冻土地基热稳定的方法及配套的太阳能制冷装置 - Google Patents

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Abstract

一种维护多年冻土地基热稳定的方法，采用太阳能吸附式制冷技术按下述方法进行：a、确定多年冻土地基季节活动层厚度；b、高导热材料埋设；c、埋设安装太阳能吸附式制冷装置；d、利用太阳能吸附式制冷装置将地基中的热量置换到空气中，降低多年冻土地基的温度，维护其热稳定状态。本发明还包括与该方法配套使用的太阳能吸附式制冷装置，包括一太阳能集热器和一地基蒸发器，地基蒸发器埋在地下，上端连接吸附气体导流管、解吸气体导流管，通过各管路连接，吸附气体导流管和解吸气体导流管分别与太阳能集热器连接。本发明的方法有效减缓因全球气候变暖对多年冻土地基的影响，其装置实用性强，结构简单，埋设方便，能够弥补热棒在暖季无法工作的空白。

Description

维护多年冻土地基热稳定的方法及配套的太阳能制冷装置
技术领域
本发明涉及冷却多年冻土地基和维护其热稳定性的方法领域，具体说是一种维护多年冻土地基热稳定的方法，本发明还包括与该方法配套使用的太阳能吸附式制冷装置。
背景技术
当前在我国多年冻土区，维护多年冻土地基稳定性的方法主要有：将片石、碎石铺设在地基外侧或与天然地面的交接层处形成热屏障，将通风管埋设在地基中部或底部形成通风管散热结构，将热棒埋设在地基的多年冻土层中增加多年冻土层的冷储量。这些方法主要存在着以下局限：
(1)利用片石、碎石形成热屏障来维护多年冻土地基稳定性的方法，主要为利用其高热阻阻止外界热量向多年冻土地基传输，和利用其大空隙空气对流作用，使外界冷空气通过对流向下传递。这种方法在暖季可以阻止外界热量向多年冻土地基传输，但存在着无力应对全球气候升温对多年冻土地基带来的影响。在寒季，其表面易被积雪覆盖，空隙易被积雪充填而降低效果，同时其高热阻作用也降低了大气本身对多年冻土地基的冻结能力。
(2)利用通风管散热结构的方法，主要是利用管中空气对流散热来实现维护多年冻土地基稳定的。这种方法受通风管长径比和埋设位置及其地形的限制，且其管道易被风沙和积雪堵塞而失效，同样也存在着无法应对全球气候升温对多年冻土地基带来的影响的缺陷。
(3)利用热棒维护维护多年冻土地基稳定性的方法，是将热棒埋设于地基的多年冻土层中，利用寒季多年冻土地基与大气之间存在的温差，和液汽两相转换对流循环的热传输，实现增加多年冻土地基的冷储量。这种方法存在的缺陷和空白是，在暖季，热棒几乎却停止工作，制冷效果受到季节的限制，存在着无法在暖季工作的空白。
发明内容
本发明就是为了弥补以往在维护多年冻土地基的热稳定中，利用片石、碎石形成热屏障和利用通风管散热结构的方法，无力应对气候升温或影响大气本身对多年冻土地基的冻结作用，或表面易被风沙和积雪覆盖并且其空隙易被风沙和积雪充填而降低效果的缺陷，并为填补利用热棒维护多年冻土地基稳定性的方法中无法实现热棒在暖季能够工作的空白，设计了利用太阳能吸附式制冷技术冷却多年冻土地基的新方法。
本发明通过下述技术方案解决其技术问题：
一种维护多年冻土地基热稳定的方法，采用太阳能吸附式制冷技术按下述方法和步骤进行：
a确定多年冻土地基季节活动层厚度
9～11月份在多年冻土地基热稳定维护区内实地进行地质编录和含水率试验或者采用地质雷达勘探方法，在1.0～3.5m多年冻土地基之间确定季节活动层厚度；
b高导热材料埋设
在多年冻土地基热稳定维护区内，将草皮移植在施工现场以外，顺地基方向开挖沟槽，沟槽宽度设置为1.0～1.5m，其深度在季节活动层厚度以内的1.0～3.5m之间；沟槽开挖以后，在沟槽内横向和竖向每隔20～50cm布设一道高导热材料，且逐层原土回填密实；高导热材料埋设完成后，地表面原有移植草皮回位并进行养护；
c、埋设安装太阳能吸附式制冷装置
c.1孔间距、孔径及孔深布置
在埋设有高导热材料的地表面顺地基方向钻孔，孔径在110～150mm之间，孔间距为2.0～4.0m，孔深在1.5～4.5m之间；
c.2、将太阳能吸附式制冷装置的地基蒸发器埋入成孔中，将太阳能集热器的2根集热管轴线连线调整呈东西走向，布设完成后回填密实；
d、利用太阳能吸附式制冷装置将地基中的热量置换到空气中，降低多年冻土地基的温度，维护其热稳定状态。
与上述方法配套使用的太阳能吸附式制冷装置，包括一太阳能集热器和一地基蒸发器，所述的地基蒸发器埋在地下，地基蒸发器上端连接一吸附气体导流管，所述吸附气体导流管上端与气体通管连通，所述的气体通管设在太阳能集热器的内部；所述地基蒸发器内设一液体回流管，回流管下端与地基蒸发器底部之间留有间隙，回流管上端与解吸气体导流管连接，解吸气体导流管上段设一自然冷却冷凝器，自然冷却冷凝器的散热肋片均匀环套在解吸气体导流管上，解吸气体导流管在冷凝器的下方连接一储液器，储液器的上下两端接口处分别与解吸气体导流管的管口连接，储液器下端出口处装一单向节流阀；所述解吸气体导流管上端与太阳能集热器连接。
所述太阳能集热器的上下两端设有固定钢夹片，将太阳能集热器、吸附气体导流管和解吸气体导流管固定。
所述吸附气体导流管上端与太阳能集热器之间通过弯头连接；所述解吸气体导流管上端与太阳能集热器之间通过弯头连接。
所述吸附气体导流管上地基蒸发器和太阳能集热器之间装有单向气体压力阀门。
所述解吸气体导流管上太阳能集热器和冷凝器之间装有单向气体压力阀门。
所述气体通管上套装有吸附剂护网，吸附剂护网与集热器内壁之间填充吸附剂，吸附剂中竖向每隔5～20cm设置一层导热丝。
本发明适合用在多年冻土区的暖季和寒季，通过降低多年冻土地基及其季节活动层的温度或使其局部或全部冻结，达到减小多年冻土上季节活动层的厚度，主动防御因较强太阳辐射和气温升高对多年冻土地基热侵蚀而产生的融沉乃至变形破坏，有效减缓因全球气候变暖对多年冻土地基的影响的目的。该发明方法适用性强，技术可行，能够弥补当前维护多年冻土地基的稳定中现有方法的缺陷。尤其是青藏高原多年冻土区具有低纬度、高海拔、强辐射、气温日较差大和年较差小等特点，在青藏高原利用太阳能吸附式制冷技术来冷却多年冻土地基和维护其热稳定的方法，能够利用青藏高原多年冻土区本身有利的气候和地理条件，即能够实现有效减小因全球气候升温对多年冻土地基产生的不利影响，又能不影响大气本身对多年冻土地基的冷冻能力且不受季节限制。其配套的装置实用性强，结构简单，埋设方便，能够弥补热棒在暖季无法工作的空白。
附图说明
图1为本发明所用制冷装置的结构示意图；
图2为图1的I-I截面示意图；
图3为集热管竖向截面结构示意图；
图4为图3的V-V截面示意图。
具体实施方式
本发明的方法主要为：将太阳能吸附式制冷装置SACS(Solar AdsorptionCooling Stick)埋入多年冻土地基的季节活动层中多年冻土上限附近或以下，采取以热制冷的方式，将地基中的热量置换到空气中，降低多年冻土地基中季节活动层的温度或使其局部或全部冻结，减小多年冻土上季节活动层的厚度，在暖季有效阻挡热量向多年冻土层传递，在寒季增加季节活动层和多年冻土层的冷储量，以达到主动制冷和最大程度冷却多年冻土地基和维护其热稳定的目的。
本发明的太阳能吸附式制冷装置，包括一太阳能集热器和一地基蒸发器，地基蒸发器3埋在地下，地基蒸发器3上端连接一吸附气体导流管8。吸附气体导流管8与地基蒸发器3采用焊接连接，吸附气体导流管口设在地基蒸发器顶盖下部即可。吸附气体导流管8上端通过弯头22与气体通管15采取焊接或通过螺栓密封连接。气体通管15设在太阳能集热器4的内部采用螺栓连接。地基蒸发器3内设置一个液体回流管10，回流管10的下端与地基蒸发器底部之间留有间隙，回流管10上端与解吸气体导流管9焊接连接，回流管10的管口设在距地基蒸发器底盖2～5cm即可。解吸气体导流管9上段焊接一自然冷却冷凝器5，自然冷却冷凝器5的散热肋片20均匀环套在解吸气体导流管9上，且其四周连续焊接。解吸气体导流管9在冷凝器5的下方装一储液器6，储液器6的上下两端接口处分别与解吸气体导流管9的管口7焊接，储液器6下端出口处装一单向节流阀2。单向节流阀2采取螺扣密封连接或焊接，单向节流阀2的进出口方向均沿顺时针布置。所述解吸气体导流管9上端通过弯头23与太阳能集热器4焊接。太阳能集热器4的上下两端设有固定钢夹片17将太阳能集热器4、吸附气体导流管8和解吸气体导流管9固定。在吸附气体导流管8上地基蒸发器3和太阳能集热器4之间装有单向气体压力阀门1。在解吸气体导流管9上太阳能集热器4和冷凝器5之间装有单向气体压力阀门1。单向气体压力阀1分别与吸附气体导流管8或解吸气体导流管9采取螺扣密封连接或焊接，压力阀1的进出口方向均沿顺时针布置。
太阳能集热器4内的气体通管15上套装有吸附剂护网24，吸附剂护网24直径大于集热器内附气体通管15直径，吸附剂护网24安装完后即可在吸附剂护网24与太阳能集热器4内壁之间填充吸附剂，吸附剂中沿竖向每隔5～20cm设置一层导热丝21。
本装置的工作原理：
在蒸发器3中，液态制冷剂吸收地基中热量而气化成蒸汽，制冷剂蒸汽通过单向气体压力阀门1和吸附气体导流管8进入太阳能集热器4中，并通过太阳能集热器4内吸附气体通管15被吸附剂吸附。
在阳光充足的白天，太阳能集热器4吸收太阳热能而加热吸附剂，当系统温度达到解吸温度时，吸附剂解吸出吸附的制冷剂，解吸气体通过单向气体压力阀门1和解吸气体导流管9进入自然冷却冷凝器5，冷凝器5通过散热肋片20在较强的空气对流和较大的气温日较差与年较差的作用下，放出热量，将解吸气体冷凝成液体储存在储液器6中，并通过单向节流阀2和蒸发器内制冷剂液体回流管10，进入地基蒸发器3中。蒸发器内制冷剂液体回流管10的出口在地基蒸发器3中的底部，用以确保地基蒸发器3从多年冻土地基季节活动层底部开始吸收热量而制冷。
制冷剂回流到地基蒸发器3中后，随即吸收地基中热量而气化成蒸汽重复以上循环过程，实现将地基中的热量置换到空气中，达到维护多年冻土地基热稳定的目的。
下面结合实施例对本发明进行进一步详细说明。
实施例1
(1)、确定多年冻土地基季节活动层厚度
9～11月份在多年冻土地基热稳定维护区内实地进行地质编录和含水率试验，确定活动层厚度在1m；
(2)、高导热材料埋设
在多年冻土地基热稳定维护区内，将草皮移植在施工现场以外，顺地基方向开挖沟槽，沟槽宽度设置为1m，其深度在1m；沟槽开挖以后，在沟槽内横向和竖向每隔20cm布设一道高导热材料，且逐层原土回填密实；高导热材料埋设完成后，地表面原有移植草皮回位并进行养护；
(3)、埋设安装太阳能吸附式制冷装置
(3.1)孔间距、孔径及孔深布置
在埋设有高导热材料的地表面顺地基方向钻孔，孔径为110mm，孔间距为2.0m，孔深在1.5m；
(3.2)、将太阳能吸附式制冷装置的地基蒸发器埋入成孔中，将太阳能集热器的2根集热管轴线连线调整呈东西走向，布设完成后回填密实；
(4)、通过太阳能吸附式制冷装置，将地基中的热量置换到空气中，降低多年冻土地基中季节活动层的温度，减小多年冻土上季节活动层的厚度，在暖季有效阻挡热量向多年冻土层传递，以达到主动制冷和冷却多年冻土地基、维护其热稳定的目的。
实施例2
(1)、确定多年冻土地基季节活动层厚度
9～11月份在多年冻土地基热稳定维护区内采用地质雷达勘探方法，确定活动层厚度为3.5m；
(2)、高导热材料埋设
在多年冻土地基热稳定维护区内，将草皮移植在施工现场以外，顺地基方向开挖沟槽，沟槽宽度设置为1.5m，其深度为3.5m；沟槽开挖以后，在沟槽内横向和竖向每隔50cm布设一道高导热材料，且逐层原土回填密实；高导热材料埋设完成后，地表面原有移植草皮回位并进行养护；
(3)、埋设安装太阳能吸附式制冷装置
(3.1)孔间距、孔径及孔深布置
在埋设有高导热材料的地表面顺地基方向钻孔，孔径在150mm，孔间距为4m，孔深在4.5m；
(3.2)、将太阳能吸附式制冷装置的地基蒸发器埋入成孔中，将太阳能集热器的2根集热管轴线连线调整呈东西走向，布设完成后回填密实；
(4)、通过太阳能吸附式制冷装置，将地基中的热量置换到空气中，使多年冻土地基中季节活动层局部或全部冻结，减小多年冻土上季节活动层的厚度，在寒季增加季节活动层和多年冻土层的冷储量，以达到主动制冷和冷却多年冻土地基、维护其热稳定的目的。

Claims (7)

1.一种维护多年冻土地基热稳定的方法，其特征在于采用太阳能吸附式制冷技术按下述方法和步骤进行：
a确定多年冻土地基季节活动层厚度
9～11月份在多年冻土地基热稳定维护区内实地进行地质编录和含水率试验或者采用地质雷达勘探方法，在1.0～3.5m多年冻土地基之间确定季节活动层厚度；
B高导热材料埋设
在多年冻土地基热稳定维护区内，将草皮移植在施工现场以外，顺地基方向开挖沟槽，沟槽宽度设置为1.0～1.5m，其深度在季节活动层厚度以内的1.0～3.5m之间；沟槽开挖以后，在沟槽内横向和竖向每隔20～50cm布设一道高导热材料，且逐层原土回填密实；高导热材料埋设完成后，地表面原有移植草皮回位并进行养护；
C、埋设安装太阳能吸附式制冷装置
c.1孔间距、孔径及孔深布置
在埋设有高导热材料的地表面顺地基方向钻孔，孔径在110～150mm之间，孔间距为2.0～4.0m，孔深在1.5～4.5m之间；
c.2、将太阳能吸附式制冷装置的地基蒸发器埋入成孔中，并将太阳能集热器的2根集热管轴线连线调整呈东西走向，布设完成后回填密实；
d、利用太阳能吸附式制冷装置将地基中的热量置换到空气中，降低多年冻土地基的温度，维护其热稳定状态。
2.一种如权利要求1所述维护多年冻土地基热稳定的方法中所采用的太阳能吸附式制冷装置，其特征在于该装置包括一太阳能集热器和一地基蒸发器，所述的地基蒸发器(3)埋在地下，地基蒸发器(3)上端连接一吸附气体导流管(8)，所述吸附气体导流管(8)上端与气体通管(15)连通，所述的气体通管(15)设在太阳能集热器(4)的内部；所述地基蒸发器(3)内设一液体回流管(10)，回流管(10)下端与地基蒸发器底部之间留有间隙，回流管(10)上端与解吸气体导流管(9)连接，解吸气体导流管(9)上段设一自然冷却冷凝器(5)，自然冷却冷凝器(5)的散热肋片(20)均匀环套在解吸气体导流管(9)上，解吸气体导流管(9)在冷凝器(5)的下方连接一储液器(6)，储液器(6)的上下两端接口处分别与解吸气体导流管(9)的管口(7)连接，储液器(6)下端出口处装一单向节流阀(2)；所述解吸气体导流管(9)上端与太阳能集热器(4)连接。
3.根据权利要求2所述的太阳能吸附式制冷装置，其特征在于所述太阳能集热器(4)的上下两端设有固定钢夹片(17)将太阳能集热器(4)、吸附气体导流管(8)和解吸气体导流管(9)固定。
4.根据权利要求2所述的太阳能吸附式制冷装置，其特征在于所述吸附气体导流管(8)上端与太阳能集热器(4)之间通过弯头(22)连接；所述解吸气体导流管(9)上端与太阳能集热器(4)之间通过弯头(23)连接。
5.根据权利要求2所述的太阳能吸附式制冷装置，其特征在于所述吸附气体导流管(8)上地基蒸发器(3)和太阳能集热器(4)之间装有单向气体压力阀门(1)。
6.根据权利要求2所述的太阳能吸附式制冷装置，其特征在于所述解吸气体导流管(9)上太阳能集热器(4)和冷凝器(5)之间装有单向气体压力阀门(1)。
7.根据权利要求2所述的太阳能吸附式制冷装置，其特征在于所述气体通管(15)上套装有吸附剂护网(24)，吸附剂护网(24)与集热器(4)内壁之间填充吸附剂，吸附剂中竖向每隔5～20cm设置一层导热丝(21)。
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