基于地源热泵的人工供热方法是寒区路基冻害防控的一种新措施。该文建立路基专用热泵的稳态热力计算模型，用于热泵选型匹配与优化设计。建立主要部件压缩机、冷凝器、节流器、蒸发器的结构参数与环境参数、制冷剂状态参数之间的函数关系，提出子模型间耦合方法，基于Python语言编制程序。首先，选择压缩机和制冷剂类型，拟定供热温度和集热温度；然后，依次调用4个子程序，以部件目标参数的计算值与拟定值是否相等为收敛判据，以制冷剂状态参数的计算值与拟定值是否相等为终止判据。循环计算收敛时对应的部件结构参数即为优化结果。文中选择准池铁路某冻害路基设计供热方案，验证程序可靠性。结果表明，热泵性能达到预设水平，保证了路基供热方案的有效性。
针对寒区路基冻胀问题,提出一种路基专用地源热泵型供热装置,构建能够主动控制热量收支和温度变化的"热能转化式"路基。为明确热泵冷凝器型式和运行模式对换热温度的影响,设计两种冷凝器盘管方案,并进行4种不同启停比的试验测试。结果表明:在连续运行模式下,冷凝器铜管螺旋间距为20 cm时,最高冷凝温度可达45℃,平均供热温度为40℃。蒸发温度可达-10℃以下,并随着冷凝温度的提高而降低。当螺旋间距为5 cm时,平均供热温度为70℃,蒸发温度随着冷凝温度的提高呈先降低、后升高的规律,冷凝器周围容易出现热堆积现象。随着启停比的减小,供热温度逐渐降低,但制热系数逐渐升高。在设计阶段应合理选择换热器盘管间距,在运行阶段合理控制启停比,从而实现对冷凝温度的动态调控。
为解决季节性冻土区路基结构因冻解破损而发生的各种病害,利用地源热泵系统改变路基结构温度场。以109国道青海省季节性冻土区路基为研究实例,运用ANSYS模拟分析109国道季节性冻土区原始温度场,并分析了地源热泵路基的工作原理及运行效果;介绍了地源热泵系统形式及设计计算中的有关问题,得出地源热泵路基系统的设计参数;利用ANSYS有限元法对地源热泵路基的水平埋管进行模拟分析,通过对比分析得出路堤中水平埋管宜分2层布置(-1 m处埋置4根,每管间距为2 m;-3.5 m处埋置5根,每管间距为4 m)。在上述设计方案下,该地区在全年最冷时刻路基易发生冻胀区域的地温超过0℃。通过模拟分析得出,地源热泵路基是一种新型路基结构,该系统对于防治季节性冻土路基冻胀病害具有积极作用。
