CN107513915B - 一种智能高效调控路基对流换热的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种智能高效调控路基对流换热的方法，该方法包括以下步骤：⑴在填土路堤内铺设通风管，并放置路基土体地温传感器；⑵将轴心杆固定于通风管的一端或两端管壁之上，并将转轴套管套接在轴心杆上；⑶将风门固定于转轴套管上；⑷在轴心杆上同时设置智能逻辑控制器和空气温度传感器；⑸通风管内的底部设置温度传感器；⑹将智能逻辑控制器与风门连接；同时将智能逻辑控制器分别与空气温度传感器、温度传感器、路基土体地温传感器连接；⑺通风管上填土并压实后铺设水平铺设保温材料，按照常规技术要求完成后续的工程施工；⑻对风门进行开启或关闭及开启程度控制。本发明充分利用自然冷能，降温效能显著、作用深度大且路基整体稳定性强。

Description

一种智能高效调控路基对流换热的方法

技术领域

本发明涉及冻土工程技术领域，尤其涉及一种智能高效调控路基对流换热的方法。

背景技术

在我国青藏高原、东北等多年冻土区，通过长期的演化、发展和变化，形成了厚达几米、甚至十几米、各具形态的厚层地下冰。随着气候环境的变化、人类工程活动的影响，导致了冻土和地下冰的退化和融化，从而导致各种工程灾害的产生，对各种重大工程建筑稳定性产生重要影响。

通过采用保护冻土工程措施主动冷却冻土基础，是保证冻土工程长期安全运营、稳定的关键途径。而在这些措施中，有效调控冻土工程的对流换热过程，是保护冻土基础工程措施的一个重要类型。该类措施通过有效促进冬季或夜晚低温环境条件下基础与外界环境的换热过程，有效抑制暖季或白天高温环境条件下基础的换热过程，由此达到冷能在路基内部的不断存储、冻土地温的不断降低、基础稳定性不断增强的目的。

面对国家“十三五”战略规划的出台，青藏高速公路即将开始修筑，但是，高速公路与普通公路相比，普通公路与铁路相比冻土问题都更为突出。已有研究表明（俞祁浩 等.我国多年冻土区高速公路修筑关键问题研究. 中国科学（技术科学），2014，44（4）: 425 ~432），由于黑色路面的强烈吸热、沥青路面隔水和阻止水分蒸发散热的影响，使得相同条件下公路路基的吸热强度是铁路的3 倍多，且路基吸热的主要途径，主要集中在路堤的中心部位，并难以向周围冻土散热。而高速公路比普通公路宽度更大, 更加剧了该种现象的出现。当公路路基宽度增加约1 倍时，路堤底面的吸热强度增加约0.6 倍，路基吸热进一步聚集在路基的中心部位，由此产生更加明显的“聚热效应”，并导致冻土更加快速的退化。面对更高的技术标准、更宽的公路路面，高速公路与冻土之间的热作用更加显著，在多年冻土区修筑高速公路将会面对更为突出的冻土问题和修筑技术难题。由于传热途径、强度等方面的根本改变，通过青藏铁路等获得的成功经验、先进技术难以在青藏高速公路建设中直接应用。

作为重要工程措施之一的自动温控通风路基，虽然在调控冻土路基地温场方面的发挥重要作用，但仍存在较为突出问题，对降温效能、工程病害的防控构成重要不利影响，亟待改进。

问题之一，风门无法根据季节变化、根据路基内部地温与外界环境温度之间的差异，智能进行风门的控制。现有自动温控通风路基技术，如：路基的自动温控通风装置（申请号03218742.4），用于路基中通风管隔热传冷控制开关（申请号200520004195.3），路基的荷载式液压自动温控通风装置（申请号03218744.0）等，都是对基于外界环境0℃条件或季节自然变化，进行风门的完全开启或完全关闭的简单控制。因此，在秋季来临、自然环境的降温过程中，虽然经过整个暖季的吸热，路堤内部的温度远高于环境温度，但是由于环境温度仍高于0℃，风门仍处于关闭状态，路基无法进行换热及降温，并在路基传热过程中，继续导致路基以及下部冻土温度的升高；在春季以后、自然环境的升温过程中，虽然经过冬季约-10℃~-20℃的降温过程，路堤内部的温度已远低于环境温度，但是由于环境仍低于0℃，风门仍处于开启状态，路基仍与外界进行对流换热、导致路基升温，使得路基内部蓄积的宝贵冷能白白流失。

问题之二，无法进行短时间的、通风管内热量的消散控制。在暖季由于风门的长期关闭，路堤不断吸热导致路堤整体的不断升温，虽然保温材料可以有效阻止热量的传递，但难以完全隔绝传热过程，通风管及以下地温也处于缓慢升温过程。由于青藏高原等多年冻土区，环境温度的剧烈变化，经常会发生路堤内部温度高于环境温度情况，特别是在夜间，如果此时能够适度开启风门，及时散出通风管内部的热量，会在很大程度削弱路基内部热量的积累，有利于消减上部土体传热过程的不利影响。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种充分利用自然冷能、降温效能显著、作用深度大、路基整体稳定性强的智能高效调控路基对流换热的方法。

为解决上述问题，本发明所述的一种智能高效调控路基对流换热的方法，包括以下步骤：

⑴在填土路堤内铺设通风管，并放置路基土体地温传感器；

⑵将轴心杆固定于所述通风管的一端或两端管壁之上，并将转轴套管套接在所述轴心杆上；

⑶将风门固定于所述转轴套管上；

⑷在所述轴心杆上同时设置智能逻辑控制器和空气温度传感器；

⑸所述通风管内的底部设置温度传感器；

⑹将所述智能逻辑控制器通过机械链杆与所述风门连接；同时将所述智能逻辑控制器分别与所述空气温度传感器、所述温度传感器、所述路基土体地温传感器连接；

⑺所述通风管上填土并压实后水平铺设保温材料，按照常规技术要求完成后续的工程施工；

⑻根据所述空气温度传感器、所述温度传感器、所述路基土体地温传感器传输温度值之间的相对高低，所述智能逻辑控制器对所述风门进行开启或关闭及开启程度控制。

所述步骤⑴中路基土体地温传感器位于所述通风管底面以下0m ~ 2m深度范围的路基土体内。

所述步骤⑸中温度传感器位于所述通风管内底部距离所述通风管管口0.5m ~10m处。

所述步骤⑻中风门开启或关闭及开启程度的条件是指：

①当所述空气温度传感器显示的温度低于所述温度传感器显示的温度，且高于所述路基土体地温传感器显示的温度时，所述智能逻辑控制器控制所述风门为半开启；

②当所述空气温度传感器显示的温度同时低于所述温度传感器和所述路基土体地温传感器显示的温度时，所述智能逻辑控制器控制所述风门为全部开启；

③当所述空气温度传感器显示的温度同时高于所述温度传感器和所述路基土体地温传感器显示的温度时，所述智能逻辑控制器控制所述风门为全部关闭。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、有效延长降温时间，大幅提升降温效能。

首先，通过实测资料分析发现，环境温度约从每年的9月初开始快速下降，并于9月底、或10月初开始低于0℃。而在此过程中，路基内部的地温就始终高于环境温度。因此，本发明从每年的9月初，就开始路基的降温和换热过程，相对现有技术而言其降温时间可以提前并延长约一个月。

其次，通过模拟计算发现，正是由于风门的及时开启，每年的9月以后，随着环境温度的持续降低、换热过程的持续进行，通风管与路基填土之间、下部冻土体内，始终保持一个较为稳定地温梯度、保持路基较稳定放热热流，使得路基温度场整体、平稳和持续降低，有效避免了现有技术降温过程的短时间、大温差条件下，地温梯度分布不均、降温效能有限的问题。

第三，在环境温度高于路基内部温度的条件下，风门可以及时关闭，使得冬季蓄积的冷能最大程度蓄积到路基内部的冻土中，最大程度达到该种措施所能达到的最佳工程效果。

2、大幅增加降温幅度、路基影响深度。

由于土颗粒对水吸附作用，使得其表层存在一层在负温条件下始终没有冻结的未冻水，而未冻水的含量随着冻土温度的降低，冰的导热系数约是水的4.5倍。因此，随着冻土温度的降低导热系数呈现不断增加的趋势。正是由于冻土该种特性的存在，以及上述冻结时间的大幅延长、地温梯度的始终保持，使得冻土路基冬季降温过程的整体换热能力得到有效提升，其作用范围和影响深度随之大幅增加，从而有效避免了现有技术降温时间短、仅在表层温差大条件下浅层降温显著，而深层冻土降温有限的问题。

3、开启分级调控新型路基换热方式。

由于暖季路堤的长期聚热，经常会发生路堤内部温度高于环境温度的情况。本发明充分利用多年冻土区气候变化剧烈的特点，利用短暂的剧烈降温的情况，以及夜间温度通常低于路堤温度的特点，通过适度开启风门、适度进行路堤本体的散热，而不过多影响下部冻土的温度变化，从而到达削弱暖季传热过程影响、提高年际整体降温效能的目的，由此改变现有技术只能机械、被动、靠消耗底部冻土冷能抵御暖季传热过程影响的局面。

同时在冷季、或暖季个别短暂低温环境下，通过全部开启风门，加大路基整体的对流换热，可以充分进行冷能蓄积、或补充。

4、成倍提高工程降温效能。

正是由于本发明降温时间的有效延长、路基换热过程的稳定进行，路基影响深度的大幅增加，以及抑制路基升温过程等综合效能的发挥使得本发明的工程降温效能大幅增加。研究表明，与现有技术相比，本发明在冻土上限提升幅度、冻土地温降低程度、影响深度等关键技术指标方面，本发明的综合降温效能都提高1倍以上。

5、大幅提高冻土路基稳定性。

温度是决定冻土力学强度、行为最为关键的要素，随着冻土温度的降低，冻土强度会以及指数函数呈现增加的趋势。因此，冻土路基的稳定性关键取决于冻土基础的地温及其变化过程。正是由于上述冻土地温大幅降低、影响范围的有效扩大，以及冻土基础在高温冻土区的温度波动范围、存在空间区域都被大幅压缩。因此，本发明都较现有技术在提升了冻土路基的稳定性、应对未来环境气候变化的能力都得到大幅加强。

6、大幅扩展应用范围。

由于冻土温度的力学强度和行为差异，冻土公路依据冻土年平均地温-1.5℃为界限，该地温以上的划分为高温冻土，该地温以下的为低温冻土。通过模拟计算，在高温冻土区，本发明从第二年开始路基下部的冻土就开始持续出现-2.0℃以下的冻土，其范围逐年扩大，从第5年开始10m深度的地温由原来-0.5℃降低到-1.5℃以下，并持续50年以上。因此，本发明完全可以应对现有各种冻土和环境条件，其应用范围也就更为宽广。

7、技术进步的有效体现。

本发明是基于对冻土基础地温调控关键问题的长期研究，基于通风路基换热过程现存核心问题的分析而提出。本发明充分把握通风路基地温调控的关键要素、关键内容而进行，其所达到的工程效果，完全可以为我国青藏冻土高速公路的修筑面临的关键技术难题的解决提供有效技术途径，为国外其它冻土大国冻土高速公路的修筑提供典范。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。

图1为本发明的总体结构图。

图2为本发明的侧视图。

图3为本发明的正视图。

图4为本发明与现有技术工程效果的数值模拟计算结果对比图。

图中：1—填土路堤 2—保温材料 3—通风管 4—风门 5—轴心杆6—转轴套管7—智能逻辑控制器 8—空气温度传感器 9—温度传感器10—路基土体地温传感器。

具体实施方式

如图1~3所示，一种智能高效调控路基对流换热的方法，包括以下步骤：

⑴在填土路堤1内铺设通风管3，并放置路基土体地温传感器10。路基土体地温传感器10位于通风管3底面以下0m ~ 2m深度范围的路基土体内。

⑵将轴心杆5固定于通风管3的一端或两端管壁之上，并将转轴套管6套接在轴心杆5上。

⑶将风门4固定于转轴套管6上。

⑷在轴心杆5上同时设置智能逻辑控制器7和空气温度传感器8。

⑸通风管3内的底部设置温度传感器9。温度传感器9位于通风管3内底部距离通风管3管口0.5m ~ 10m处。

⑹将智能逻辑控制器7通过机械链杆与风门4连接；同时将智能逻辑控制器7分别与空气温度传感器8、温度传感器9、路基土体地温传感器10连接。

⑺通风管3上填土并压实后水平铺设保温材料2，按照常规技术要求完成后续的工程施工。

⑻根据空气温度传感器8、温度传感器9、路基土体地温传感器10传输温度值之间的相对高低，智能逻辑控制器7对风门4进行开启或关闭及开启程度控制。

风门4开启或关闭及开启程度的条件是指：

①当空气温度传感器8显示的温度低于温度传感器9显示的温度，且高于路基土体地温传感器10显示的温度时，智能逻辑控制器7控制风门4为半开启；

②当空气温度传感器8显示的温度同时低于温度传感器9和路基土体地温传感器10显示的温度时，智能逻辑控制器7控制风门4为全部开启；

③当空气温度传感器8显示的温度同时高于温度传感器9和路基土体地温传感器10显示的温度时，智能逻辑控制器7控制风门4为全部关闭。

本发明效能实现的原理：

首先，有效调控不同季节路基的换热过程。在两端或一侧带有自动温控风门4的通风管3在冬季外界环境温度较低时，风门4开启，填土路堤1开始通风对流换热，路基迅速降温。而在暖季，控制风门4关闭，有效阻止填土路堤1的对流换热、阻止热量的侵入，由此达到良好的降温效果；

其次，调控方式的改变和降温时间的延长是效能提升的重要基础。本发明将以往以外界环境温度为 0℃ 进行控制的单一、机械控制方式，改变为路基地温与外界环境差异性的识别与控制的智能化过程。相对以往相关技术，可以提早、并延长冻土路基降温约一个月的时间。由于作用时间的延长，降温过程的作用范围、作用强度都成倍增加；

第三，空间立体感应方式、智能控制系统的有效结合，是效能保持的关键环节。以往技术只是通过单一外界空气温度感应方式进行控制。而本发明不仅感应外界的空气温度，同时感应通风管内的空气温度、识别暖季上部土体传热过程、路基内部热量积累过程的影响，同时感应路基浅层冻土温度、识别环境变化、传热过程可能对冻土基础造成的不利影响。在此基础上，本发明所建立的控制方式，能有效避免暖季传热过程的影响、使得通风路基的降温效能发挥到极致。

第四，构建充分有效的地温场传热体系和过程。由于冻土导热系数随温度降低而不断增大的特性，使得随着地温的降低，路基整体的换热强度不断增强，特别是在有效提前、以及延长路基降温时间的条件下，随着环境温度的不断减低、路基整体的传热特性不断增强，使得冬季的不同负温、最低温度对应的作用深度都达到了很大程度的加强。有效避免以往技术风门开启后，“冷能来不及传，冬季结束”的被动局面。

正是有上述几方面的原因的综合作用，从而实现效能提升一倍以上，有效解决多年冻土区高速公路修筑关键技术难题的目标。

为验证本发明的效能，结合现场实际情况，在室内对该种新型路基进行了数值仿真计算，并与原有技术（温控路基技术）的现场实测资料对比。可以看到，本发明具有突出的先进性，有效解决冻土工程难题。其突出的工程效能主要表现在以下降温指标方面：

图4为冻土条件、工程结构参数都相同条件下，本发明技术（图标示为“本发明”）、与已有单一0℃风门控制技术（图中标示为“已有技术”）数值计算结果对比。在工作措施实施5年后，从不同工程措施作用下路基地温场的对比可以看到，虽然已有技术也可以对冻土的地温进行较为有效的降温，但是，本发明的降温效能显著高于已有技术，且综合效能超过已有技术约1倍以上，其关键指标主要表现在以下几个方面。

⑴在抬升多年冻土顶板方面。已有技术作用下多年冻土顶板，即0℃地温等值线的位置基本位于原天然地表以下约1m深度的位置，但是，本发明作用下，0℃地温等值线已经进入路堤填土内部，高于原天然地表约0.2m ~ 0.5m的位置。抬升高度超过1倍。

⑵在降低冻土温度方面。在本发明作用下，已有技术靠近原多年冻土顶板0℃等值线位置，本发明将冻土地温降低到约-1℃地温状态，已有技术原有-1℃温度等值线位置，本发明将地温降低到约-2℃地温状态。降温幅度也超过1倍以上。

⑶在扩大降温过程影响程度方面。由图4对比可见，由于本发明降温强度的大幅增加，原不同地温等值线的存在区域得到有效扩大，深度达到有效增加。如与原有技术的-1℃地温等值线区域面积相比，本发明约扩大2倍以上，影响深度由原有技术的-10m，增加到本发明的-15m以下。

⑷在维持冻土路基长期稳定性方面。

①在缩减季节冻结、融化层对路基稳定影响方面。由于多年冻土顶板的有效抬升，通风管以下暖季的季节融化层的厚度，由已有技术作用下的约2m，缩减为本发明的0.5m ~0.7m。由于季节冻结、融化层厚度的有效缩减，由该层可能引发的冻结过程导致的冻胀、融化过程可能导致的融沉的程度就大幅度缩减。

②有效增加冻土路基热学稳定性方面。由于路基地温的持续降低、冷能的不断蓄积，在工程作用下、或环境气候变化条件下，其路基冻土抵抗外界热扰动的能力、路基热学稳定性都得到大幅提升。

③有效增加冻土路基力学强度方面。由于冻土路基的力学稳定性主要取决于冻土的温度条件，随着温度降低其力学强度可以快速增加，特别是在0 ~ -1℃范围内，冻土强度可以呈现指数函数的增加趋势。由本发明所产生的路基下部-1℃冻土的长期存在对于冻土路基的长期稳定都提供了充分的保证。

综上所述，通过上述模拟计算结果分析和对比可以看到，本发明具有突出的工程降温效果，可以充分保证冻土路基的长期稳定。本发明可以对青藏高原等多年冻土区高速公路修筑的关键技术问题的破解提供有效的技术途径。

Claims (3)

1.一种智能高效调控路基对流换热的方法，包括以下步骤：

⑴在填土路堤（1）内铺设通风管（3），并放置路基土体地温传感器（10）；

⑵将轴心杆（5）固定于所述通风管（3）的一端或两端管壁之上，并将转轴套管（6）套接在所述轴心杆（5）上；

⑶将风门（4）固定于所述转轴套管（6）上；

⑷在所述轴心杆（5）上同时设置智能逻辑控制器（7）和空气温度传感器（8）；

⑸所述通风管（3）内的底部设置温度传感器（9）；

⑹将所述智能逻辑控制器（7）通过机械链杆与所述风门（4）连接；同时将所述智能逻辑控制器（7）分别与所述空气温度传感器（8）、所述温度传感器（9）、所述路基土体地温传感器（10）连接；

⑺所述通风管（3）上填土并压实后水平铺设保温材料（2），按照常规技术要求完成后续的工程施工；

⑻根据所述空气温度传感器（8）、所述温度传感器（9）、所述路基土体地温传感器（10）传输温度值之间的相对高低，所述智能逻辑控制器（7）对所述风门（4）进行开启或关闭及开启程度控制；

所述风门（4）开启或关闭及开启程度的条件是指：

①当所述空气温度传感器（8）显示的温度低于所述温度传感器（9）显示的温度，且高于所述路基土体地温传感器（10）显示的温度时，所述智能逻辑控制器（7）控制所述风门（4）为半开启；

②当所述空气温度传感器（8）显示的温度同时低于所述温度传感器（9）和所述路基土体地温传感器（10）显示的温度时，所述智能逻辑控制器（7）控制所述风门（4）为全部开启；

③当所述空气温度传感器（8）显示的温度同时高于所述温度传感器（9）和所述路基土体地温传感器（10）显示的温度时，所述智能逻辑控制器（7）控制所述风门（4）为全部关闭。

2.如权利要求1所述的一种智能高效调控路基对流换热的方法，其特征在于：所述步骤⑴中路基土体地温传感器（10）位于所述通风管（3）底面以下0m ~ 2m深度范围的路基土体内。

3.如权利要求1所述的一种智能高效调控路基对流换热的方法，其特征在于：所述步骤⑸中温度传感器（9）位于所述通风管（3）内底部距离所述通风管（3）管口0.5m ~ 10m处。

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