專(zhuān)利名稱(chēng)：自然冷能式導(dǎo)熱系數(shù)可變裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種在多年凍土地區(qū)進(jìn)行工程建筑中，能有效保護(hù)下部多年凍土路基穩(wěn)定性的工程建筑降溫裝置，尤指一種自然冷能式導(dǎo)熱系數(shù)可變裝置。
背景技術(shù)：
隨著國(guó)民生產(chǎn)和地區(qū)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，以及國(guó)家西部大開(kāi)發(fā)戰(zhàn)略的實(shí)施和進(jìn)程的不斷深入，我國(guó)現(xiàn)已在占據(jù)國(guó)土面積22％的多年凍土地區(qū)不斷進(jìn)行鐵路、公路、輸油管線(xiàn)、光纜、水利等重大工程設(shè)施的建設(shè)。凍土是該地區(qū)許多重大工程建設(shè)所面臨最大的技術(shù)性難題。凍土是指溫度在0℃或0℃以下，并含有冰的各種巖土和土壤，多年凍土是指凍土不間斷地保持多年、若干世紀(jì)以至數(shù)千年。在多年凍土形成和發(fā)展過(guò)程中，由于凍融循環(huán)所導(dǎo)致的水分遷移往往會(huì)在地下的一定的深度上形成一定或是很厚的冰層(稱(chēng)為地下冰)。
由于人為工程措施的影響，改變了地表?yè)Q熱條件，特別是在青藏高原太陽(yáng)高輻射地區(qū)，人為工程使實(shí)施后工程建筑吸熱面、吸熱量大為增加，使得各種工程措施基礎(chǔ)下部的多年凍土的熱量總體平衡遭到破壞，總體吸熱量大于放熱量，使得多年凍土的溫度不斷升高，多年凍土中的厚層地下冰不斷融化，由此導(dǎo)致工程建筑的基礎(chǔ)不斷下沉、失穩(wěn)，嚴(yán)重影響各種相關(guān)工程的穩(wěn)定性和正常運(yùn)營(yíng)。例如俄羅斯1994年調(diào)查表明，70年代建成的第二條西伯利亞鐵路，線(xiàn)路病害率達(dá)27.5％。運(yùn)營(yíng)近百年第一條西伯利亞鐵路1996年調(diào)查的線(xiàn)路病害率為45％。我國(guó)1990年調(diào)查表明，青藏公路當(dāng)時(shí)病害率達(dá)31.7％，東北多年凍土地區(qū)鐵路病害率達(dá)40％。同時(shí)隨著全球氣候轉(zhuǎn)暖，多年凍土的年平均地溫也在不斷的轉(zhuǎn)暖，并對(duì)外界溫度變化的響應(yīng)更加敏感，許多多年凍土穩(wěn)定區(qū)域逐漸轉(zhuǎn)變成不穩(wěn)定區(qū)或極不穩(wěn)定區(qū)。現(xiàn)存多年凍土往往厚達(dá)幾十米甚至上百米，多年凍土一旦失穩(wěn)便會(huì)進(jìn)入到一系列的惡性循環(huán)中，地下冰不斷融化，地表不斷下沉。因此，是否能采取和使用有效、實(shí)用的工程保護(hù)措施和技術(shù)，保護(hù)工程基礎(chǔ)下部的多年凍土少受或免受上部工程建筑和整體氣候變暖的影響，成為青藏鐵路和各種凍土工程建設(shè)成敗所在。目前就工程與凍土相互作用的研究較多，但如何切實(shí)有效地解決其相互作用問(wèn)題的成功措施不多。
從研究成果來(lái)看，目前用于保護(hù)鐵路、公路等線(xiàn)性工程下部多年凍土的工程措施主要有提高路堤高度，在路堤表面鋪設(shè)拋石護(hù)坡、遮陽(yáng)板，在路堤中加裝通風(fēng)管，在路堤中鋪設(shè)保溫材料、拋石基礎(chǔ)，埋設(shè)熱樁等措施。但由于我國(guó)多年凍土地區(qū)獨(dú)特條件的限制，上述方法均存在一些不足或缺陷。在我國(guó)多年凍土地區(qū)，尤其是青藏高原，很多多年凍土的年平均地溫接近零度(稱(chēng)為高溫多年凍土)，致使這些在工程措施要么功效不高，要么造價(jià)太高，要么僅在點(diǎn)上降溫，難以滿(mǎn)足工程實(shí)際要求的線(xiàn)上、面上降溫的要求，難以在線(xiàn)性工程中大量使用。因此，在工程實(shí)踐中急需新穎、功效更高、在實(shí)踐中切實(shí)可行的工程技術(shù)措施。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的主要目的是提供一種能利用自然冷能保護(hù)多年凍土路基的導(dǎo)熱系數(shù)可變裝置，該裝置利用水冰相變過(guò)程中潛熱的釋放和吸收，冬季在裝置內(nèi)部集聚冷能，暖季通過(guò)相變轉(zhuǎn)化可以減少熱量的傳入；同時(shí)利用冰導(dǎo)熱系數(shù)是水的4倍的特點(diǎn)，通過(guò)相變后自動(dòng)控制冬季和暖季路堤內(nèi)部的熱流量，最終達(dá)到冬季放熱熱流量大于暖季熱流量，使路堤達(dá)到凈放熱的目的，這樣可以冷卻路基，從而保護(hù)路基下部多年凍土，穩(wěn)定凍土路基。
系統(tǒng)在正溫下導(dǎo)熱系數(shù)相對(duì)較低、負(fù)溫下導(dǎo)熱系數(shù)相對(duì)較高。同時(shí)由于該裝置內(nèi)部物質(zhì)水的熱容量很高，多年凍土區(qū)的冷季的時(shí)間大于暖季時(shí)間，因此還具有儲(chǔ)存冬季冷能的功能，到夏季可以延緩熱流傳入地下，達(dá)到對(duì)下部多年凍土的進(jìn)一步的保護(hù)。
本發(fā)明利用了水的相變潛熱以及水在固液狀態(tài)下導(dǎo)熱系數(shù)的差異來(lái)實(shí)現(xiàn)不同時(shí)期不同方向上的熱流控制，我們知道水的導(dǎo)熱系數(shù)為0.5W/m.K，冰的導(dǎo)熱系數(shù)約為2.2W/m.K，兩種狀態(tài)下導(dǎo)熱系數(shù)比約4倍多，在多年凍土區(qū)冬季的時(shí)間大于暖季時(shí)間，具有儲(chǔ)存冬季冷能的功能。在多年凍土區(qū)冬季負(fù)溫條件下，裝置內(nèi)部的水呈現(xiàn)為冰的狀態(tài)，相比之下為熱的良導(dǎo)體，冷量可以通過(guò)裝置傳入路基底部，并且使冰集聚一定的冷量；到了夏季的時(shí)候，冰會(huì)在正溫狀態(tài)下緩慢融化，冰在融化過(guò)程中能吸收從路基表面?zhèn)鱽?lái)的熱量發(fā)生相變，對(duì)熱量向下傳輸起到延緩和阻礙的作用，并且水由于導(dǎo)熱系數(shù)較小能在外界溫度較高時(shí)起到熱阻作用。由于冰水在相變過(guò)程中要發(fā)生體積變化，因此必須用某種材料控制這種變化，通過(guò)室內(nèi)大量實(shí)驗(yàn)我們發(fā)現(xiàn)海綿體吸水以后能在冰水狀態(tài)下保持體積不變，這是由于海綿體內(nèi)部有大量氣泡，約85～90％的氣泡通過(guò)孔隙連接形成容水空間，可以吸附大量水；約10～15％的氣泡為閉合氣泡，當(dāng)水變?yōu)楸w積增大的時(shí)候這些閉合氣泡剛好起到緩沖膨脹的作用，這樣就保持了水冰相變過(guò)程中體積一致。
本發(fā)明的目的正是本著上述原理通過(guò)如下措施來(lái)實(shí)現(xiàn)一種自然冷能式導(dǎo)熱系數(shù)可變裝置，是由密閉的殼體和吸水材料組成的。密閉的殼體內(nèi)裝有飽水的吸水材料，并在殼體內(nèi)添加80-90％殼體容積的水。
殼體外殼至少是由硬質(zhì)塑料、陶瓷、混凝土材料中的一種制作而成。
吸水材料至少是海綿、花泥、泡沫玻璃、硅藻土、珍珠巖、木材鋸末中的一種。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有如下優(yōu)點(diǎn)本發(fā)明結(jié)合工程實(shí)踐，不僅可以滿(mǎn)足點(diǎn)上降溫的要求，更能連續(xù)鋪設(shè)于路堤的某一層面，滿(mǎn)足工程從面的角度進(jìn)行調(diào)控?zé)崃亢徒禍氐男枨螅粚⒃撗b置用于公路、鐵路的路基中，能克服人為工程和氣候變暖對(duì)多年凍土路基帶來(lái)的不利影響，改變不同季節(jié)的熱流量，有效保護(hù)路基，起到事半功倍的作用；該裝置可以用于多年凍土地區(qū)房屋地基中，防止凍融循環(huán)引起的不均勻沉降；除此，該發(fā)明可以用于正負(fù)溫變化條件下需要恒溫保護(hù)的一種裝置；該裝置工程實(shí)現(xiàn)容易，成本低廉，充分利用了高寒地區(qū)的自然冷能實(shí)現(xiàn)熱量自控。本發(fā)明可廣泛應(yīng)用于鐵路、公路路堤及其他線(xiàn)性工程或建筑物底部，埋設(shè)于道路工程、輸油輸氣等線(xiàn)性工程的基礎(chǔ)中。


圖1本發(fā)明應(yīng)用于路堤內(nèi)部示意2本發(fā)明的導(dǎo)熱系數(shù)可變裝置單元的內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意3本發(fā)明水平鋪設(shè)結(jié)構(gòu)示意4本發(fā)明殼體支撐式結(jié)構(gòu)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)5普通路基原地表路堤底部中心地溫?zé)崃髁侩S時(shí)間變化過(guò)程圖6應(yīng)用本發(fā)明原地表路堤底部中心地溫?zé)崃髁侩S時(shí)間變化過(guò)程圖7普通路基在運(yùn)行30年的過(guò)程中，路基下部4米、8米深度地溫隨時(shí)間變化過(guò)程圖8應(yīng)用本發(fā)明路基在運(yùn)行30年的過(guò)程中，路基下部4米、8米深度地溫隨時(shí)間變化過(guò)程具體實(shí)施方式
結(jié)合附圖，本發(fā)明在路基中實(shí)施應(yīng)用作進(jìn)一步詳述實(shí)施例如圖2所示，一種自然冷能式導(dǎo)熱系數(shù)可變裝置是由密閉的正方體硬塑料殼體1中裝有吸水材料—海綿吸水體，殼體內(nèi)添加90％殼體容積的水制做而成的。將上述導(dǎo)熱系數(shù)可變裝置鋪設(shè)25厘米厚置于公路路堤一定位置的層面上(見(jiàn)圖1)，爾后在其層面上鋪設(shè)密實(shí)的填土。利用本裝置內(nèi)部水體熱容量很高的特點(diǎn)和多年凍土區(qū)冷季時(shí)間大于暖季時(shí)間的特征，以及具有儲(chǔ)存冬季冷能的功能，在正溫的條件下，水起到一定熱阻作用，致使整個(gè)裝置的導(dǎo)熱系數(shù)相對(duì)較低，并且冰在融化過(guò)程中吸收大量熱量，對(duì)熱量傳輸起到延緩作用，熱量很難傳入路基底部；在進(jìn)入冷季的時(shí)候，水首先吸收冷量形成冰，冰由于導(dǎo)熱系數(shù)相對(duì)較大，變成熱的良導(dǎo)體，利用冰的導(dǎo)熱系數(shù)為2.21～2.2326W/m·K的特點(diǎn)，使原有相對(duì)阻熱的液體水層改變?yōu)橄鄬?duì)導(dǎo)熱的冰晶層。該層在正溫和負(fù)溫兩種狀態(tài)下導(dǎo)熱系數(shù)的差異，導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)在正溫和負(fù)溫兩種條件下的熱流量的差值，從而實(shí)現(xiàn)可實(shí)現(xiàn)在環(huán)境溫度為正溫下的隔熱和在負(fù)溫下的熱交換作用。同時(shí)相變后自動(dòng)控制冬季和暖季路堤內(nèi)部的熱流量，最終達(dá)到冬季放熱熱流量大于暖季熱流量，使路堤達(dá)到凈放熱的目的，這樣可以冷卻路基，從而保護(hù)路基下部多年凍土，穩(wěn)定凍土路基，達(dá)到對(duì)下部多年凍土的進(jìn)一步的保護(hù)。
實(shí)施例2在線(xiàn)性工程上需要大面積線(xiàn)面降溫，實(shí)現(xiàn)環(huán)境與被保護(hù)物體之間進(jìn)行不同方向熱流控制。我們可以根據(jù)要求連續(xù)在路基鋪設(shè)本單元裝置(如圖3所示)，殼體材料一般選取導(dǎo)熱系數(shù)較小且有較好防水性能的塑料，制作成密封的殼體。吸水材料選用泡沫玻璃和硅藻土，并在殼體內(nèi)添加87％殼體容積的水，本發(fā)明可以通過(guò)以下兩種途徑在多年凍土路基工程中實(shí)現(xiàn)，其一，可以將如圖2所示的殼體單元裝置按一定密度埋設(shè)在路基如圖3所示平面層內(nèi)，其層面上鋪設(shè)密實(shí)的填土；其二，可以用混凝土塊或者空心磚等砌成如圖4所示的菱形骨架支撐結(jié)構(gòu)，然后將密封好的殼體單元裝置置于骨架的空格中，這樣對(duì)外殼材料起到一定保護(hù)作用，這樣可以適當(dāng)放寬外殼材料的選擇。
試驗(yàn)例為驗(yàn)證該種技術(shù)的有效性，本發(fā)明利用中國(guó)科學(xué)院凍土工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室青藏公路和鐵路北麓河試驗(yàn)場(chǎng)的實(shí)測(cè)資料，構(gòu)建了計(jì)算模型，利用中國(guó)科學(xué)院凍土工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室購(gòu)置的Marc大型模擬計(jì)算軟件進(jìn)行了仿真模擬分析。
通過(guò)模擬計(jì)算對(duì)比普通路基和有該裝置路基在運(yùn)行10年過(guò)程中的熱流量，如圖5所示普通路基的熱流量，從長(zhǎng)期運(yùn)行來(lái)看，路基的吸熱量大于放熱量，處于凈吸熱狀態(tài)，這對(duì)路基穩(wěn)定非常不利；如圖6所示在路基中鋪設(shè)該殼體單元裝置后，大大改變了熱流量的收支狀況，熱流量收支以年平均曲線(xiàn)顯示，路基處于凈防熱狀態(tài)，有利于路基的穩(wěn)定。圖7和圖8是通過(guò)數(shù)值計(jì)算模擬普通路基和鋪設(shè)該裝置路基在運(yùn)行30年過(guò)程中，路基表面以下4米和8米處溫度狀況對(duì)比曲線(xiàn)圖。從圖7普通路基的溫度狀況來(lái)看，在人為工程影響和氣候變暖的條件下，普通路基下部的溫度一直處于上升階段，越靠近路基表層，響應(yīng)越明顯；而圖8所示鋪設(shè)該裝置以后，能有效控制路基溫度升高，并且在前十年運(yùn)行期間，路基以下多年凍土處于明顯降溫期，從而達(dá)到了保護(hù)路基下部多年凍土，穩(wěn)定凍土路基的目的。
權(quán)利要求
1.一種自然冷能式導(dǎo)熱系數(shù)可變裝置，是由密閉的殼體(1)和吸水材料(2)組成的，其特征是由密閉的殼體(1)內(nèi)裝有飽水的吸水材料(2)，并在殼體內(nèi)添加80-90％殼體容積的水。
2.如權(quán)利要求1所述的自然冷能式導(dǎo)熱系數(shù)可變裝置，其特征在于殼體(1)的外殼至少是由硬質(zhì)塑料、陶瓷、混凝土材料中的一種制作而成。
3.如權(quán)利要求1所述的自然冷能式導(dǎo)熱系數(shù)可變裝置，其特征在于吸水材料至少是海綿、花泥、泡沫玻璃、硅藻土、珍珠巖、木材鋸末中的一種。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)一種自然冷能式導(dǎo)熱系數(shù)可變裝置，它是由密閉的殼體和吸水材料組成的，密閉的殼體內(nèi)裝有飽水的吸水材料，并在殼體內(nèi)添加80－90％殼體容積的水。本發(fā)明埋設(shè)在鐵路、公路及其它工程的路基基礎(chǔ)和建筑物等其他需保溫隔熱的物體的層面上，通過(guò)裝置在正溫下導(dǎo)熱系數(shù)低、負(fù)溫下導(dǎo)熱系數(shù)高以及相變過(guò)程潛熱變化的特征來(lái)實(shí)現(xiàn)環(huán)境溫度與凍土路基溫度之間的調(diào)控，對(duì)多年凍土的溫度場(chǎng)起到很好的保護(hù)作用，同時(shí)可以降低路堤要求的最低高度，減少工程造價(jià)，縮短建設(shè)周期，維護(hù)路堤的長(zhǎng)期穩(wěn)定將產(chǎn)生積極作用。
文檔編號(hào)E02D27/35GK1746436SQ20051009612
公開(kāi)日2006年3月15日 申請(qǐng)日期2005年9月28日 優(yōu)先權(quán)日2005年9月28日
發(fā)明者牛富俊, 何乃武, 潘喜才, 俞祁浩 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院寒區(qū)旱區(qū)環(huán)境與工程研究所