针对路基的季节冻土冻胀与多年冻土热融变形病害问题，研发基于多源热泵原理的主动温度控制技术。硬件方面，设计面向交通结构场景的异型热泵系统，构建热泵机组的热能转化、运行状态监测、过载过热保护、机电一体控制等各项功能的组件模块，提出传热强化的换热器类型及多源驱动方案。软件方面，构建路基热负荷预测模型、多源储量评估模型、热泵系统稳态热力计算模型、离网式光储供电系统设计模型、热泵系统动态运行控制模型。该技术应用于准池铁路、沈白高速铁路、河北省秦唐高速公路、青海省道S224公路等多条铁路、公路，路基温度控制效果良好。

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。

为解决目前寒区路基冻胀病害难以根除和缺少冻胀灾后抢险措施的难题，设计了一种寒区路基地源热泵系统。结果表明：路基热泵宜采用直接膨胀式换热形式，实体装置可以自动化地输出40、 50、 60℃等不同水平供热温度，制热系数大于3.0,实现对地热能的高效收集、转化与传递。热泵运行第1、 5、 10 d的热作用半径分别达到0.76、 1.64、 2.30 m。案例模拟表明，在天然条件下路基中心冻结深度为0.89 m;而在人工供热条件下，冻结深度减小至0.2 m以内，土体升温幅度和热扩散范围随供热温度的提高而增大。实际应用中，面向冻胀快速解冻与应急抢险时，热泵沿路基纵向间距宜取2.0～4.0 m,供热容量设计为1.0～2.0 kW。

针对季节性冻土区路基冻害问题,提出引入人工供热技术,构建新型主动供热式路基。在对比各类热源技术特征与资源条件的基础上,设计与制作一款路基专用地源热泵型供热装置。装置采用直接膨胀式换热形式,换热器为小直径螺旋盘管,便于机械化钻孔布设与"孤岛"运行,通过模型试验研究其制热性能及能效性影响规律。结果表明,季节性冻土区的地热能利用具有良好的技术性和资源性条件,装置在冬季的供热温度可达50℃以上,吸热温度可达-10℃以下。土体热扩散率与升温幅度随着与热泵距离的增大而减小,日均有效制热系数(COP)先增大、后减小,最大COP可达4.16。热泵制热性能受到供热段土体温度的显著影响,环境温度对其影响不显著,供热性能稳定。面向单线铁路路基快速解冻抢险时,建议热泵布置间距取1.5 m～3.0 m,供热容量宜设计为0.6 kW～1.8 kW,长期运行时应合理控制启停时间比例与供热温度水平。

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。