摘 要：随着全球气候变暖，维护永久冻土地区路基的稳定性成为一项紧迫任务。然而，传统冻土路基冷却技术效果有限。本研究创新性地提出了一种风力驱动液流降温装置——液流单向导冷管，它通过在外界空气与路基之间循环冷却剂，实现了对冻土路基的高效保护。该装置不仅适用于公路路基的冷却，还广泛适用于飞机机场跑道地基、管道基础、桩基础等多种基础结构。该装置通过离心泵驱动液流循环，不仅限于竖向冷却，实现了全方位的冷却效果。在青藏高原地区青海省玉树藏族自治州北麓河冻土站的一年制冷效果观测中，液流单向导冷管展现了显著的制冷性能。这一成果不仅为冻土地区基础设施的稳定性维护提供了新途径，也展现了该装置在市场推广方面的广阔前景。未来，我们将通过进一步实验来全面评估该装置在不同条件下的冷却能力及长期耐久性，以推动其在全球冻土地区的广泛应用，为应对全球气候变暖挑战提供有力支持。

关键词：导冷管；制冷；冻土；路基

引言

冻土冷却路基技术常在冻土地区应用，例如公路路基的两侧。在道路工程在路基两侧插入传统降温装置——热棒，对路基下面的冻土层进行降温，提高路基的稳定性，保护冻土层，保证路基的承载能力，这是对冻土区道路保护的一种手段[3]。自20 世纪70 年代以来，北美地区一直在努力通过提高路面反射率来降低路基地下冻土的温度。然而，高反射性涂层和滑滑路面的使用受到耐久性问题的阻碍，阻碍了高反射率路面的广泛采用。此外常用的对于冻土层降温的技术还有通风管道、碎石路堤[4]和热管道的使用[1]。例如，在包含通风管道的路基中，由冷空气携带的冷能量沉积在空气管道内，并随后转移到路基，通过风来对路基进行降温。随着近些年全球的变暖，传统冷却冻土地基技术效果已经不适用于当前的情况。

本研究提出了一种新型的由风力驱动液流循环的降温装置，通过在外空气和路基之间循环冷却剂来保护冻土路基。该装置通过冻结和熔化相材料来接合和脱离离合器，当外部空气温度超过一定的阈值时关闭，防止热能穿透路基。在冬季利用来自空气中的冷能量，并利用液体对流将这种冷能量输送到地面。当空气温度达到规定的阈值时，通过自动关闭泵，可以显著提高冷却容量。这种方法将热载体从空气提升到液体，从而使其能够从自然对流过渡到强制对流，并对液流单向导冷管技术提出了推广前景。

1 项目概况

该项目位于青海省玉树藏族自治州北麓河冻土站（ （34.8^∘N ，92.9°E）试验场。场地被草地覆盖，地层结构为松散的粉砂粘土层 （0.1.0m） 、粉砂粘土 （1.0-2.0m） ）、冰粘土（2.0-8.0m），然后为风化泥岩路基。当地永久冻土层深约2.0 米，该地区被划分为温暖、富含冰的永久冻土区。

为了监测设备内外的温度，我们安装了温度计。在流体循环热交换器内，每隔1.0 米放置一次温度计，以记录内管和外环空的流体温度。高度为10.0 米，在管子里总共放置了20 个温度计。在装置外，温度计在距离流体循环热交换器底部1.0 米的间隔安装在装置的外表面上，除了打算放置在8.0 米高度的温度计。相反，它被设置在7.5 米的高度。

在安装冷水收集装置之前，在距离自然地面8.1 米深处钻了一个直径为12 厘米的钻孔。该装置被小心地集中在钻孔内，并通过悬挑来固定，从而使其下端埋在地下8.0 米处。钻孔和设备之间的环空然后填充干细砂并分层压实。为了测量不同深度的温度，在主钻孔周围钻0.6 m、1.5 m、3.0 m 和5.7 m 的钻孔。将配备温度计的聚氯乙烯管插入这些钻孔，然后填充干燥的细砂。这些温度计的精度为0.1℃。安装工作于2023 年5 月25 日完成，使用CambellCR3000 数据记录器[5]和 AM16/32B32 通道中继多路复用器，以 60 分钟为间隔记录所有温度。数据记录器于 2022 年9 月 15 日开始记录，收集到的数据被远程传输。本研究介绍了从2022 年9 月 1 日至 2023年9 月1 日的测量温度。

2 液流单向导冷管的介绍

液流导冷管是一种通过在外空气和路基之间循环液体冷却剂来保护冻土路基的一种装置。设备在温暖天气冬眠；寒冷天气通过风驱动装置循环冷却剂，收集外部空气携带的冷能量，并将这些能量沉积在永久冻土层中。该装置由三个主要部件组成：风力传动装置、机械离合器和流体循环热交换器。风车与机械离合器相连，机械离合器是由固液相变材料[2]组成的关键部件。流体循环热交换器具有一个双管结构，由一个与一个小内管同心封闭的大环组成。换热器中充满了冷却液，并配备了一个泵。内管的特点是在其底部的开口，允许冷却剂从外管和内管之间的环空向上循环，然后返回到内管的顶部。装有泵的管式换热器端与离合器相连，接触外空气几米，另一端埋在地下。

前一段所述的装置根据其周围空气的温度来工作。在寒冷的天气中，当空气温度低于机械离合器中使用的相变材料的冷冻温度时，相变材料凝固，参与离合器，并允许风力被利用并传输到流体循环热交换器顶部的泵。流体循环热交换器被设计为完全封闭，以防止流体在运行过程中蒸发或泄漏。为了实现紧密密封，流体循环热交换器中的泵通过非接触传动驱动。当冷却剂通过热交换器循环时，冷能量从空气中吸收，然后通过管状交换器中液体的强制对流沉积到外管周围。然而，在温暖的天气中，当空气温度上升到相变材料的冷冻温度以上时，相变材料就会融化，脱离离合器，停止流体循环。这种流体循环的悬浮即使在有风的天气也会发生，有效地停止了对流热传递。该装置是一种有效地收集和储存冷能的实用解决方案，提高了对于冻土层的降温效率，可以更好的保持冻土层的稳定性，维持路基的承载能力。为传统冷却冻土路基技术提供了一种更有效的替代方案。

3 液流单向导冷管的制冷效果分析

3.1 液流单向导冷管装置可按需要工作

该液流导冷管收集装置已在青藏高原北麓河冻土站安装一年多。当地的天气条件在冬季和夏季之间有所不同，冬季日平均气温持续低于-2°C，夏季夜间偶尔会低于这个温度。如果沿内管的冷却液温度与外环空温度相差很大，则装置中的离合器接合，否则不接合。

测量结果显示，离合器啮合的持续时间呈日、季节和年度变化，其中在冬季的参与度最高。离合器接合时间的每日波动为冷能量收集装置的成功运行提供了强有力的证据。图3a-c 所示的内管和外环的温度分布表明，在秋、冬、春的一个典型日子里，离合器接合，冷却剂在管中循环。相比之下，在夏季的典型日子，内管和外环的温度分布几乎重叠（图3d），表明离合器脱离，设备处于休眠状态。这些温度剖面模式的一致性证明了该设备在现场的成功操作，符合预期。

该设备的操作特性呈现出每日和季节的变化。通过利用内管和外环之间的温度分布分离，我们成功地确定了2022 年9 月1 日至2023 年6 月1 日之间每个日期的冷却剂循环时间。我们的分析显示，该设备从10 月中旬到4 月中旬运行，在此时间框架之外观察到零星的工作时间。在隆冬期间，当当地气温保持在- 10^∘C 以上时，由于间歇性风，该设备一整天只能运行有限的时间。从7 月初到次年的10 月初，该设备仍然完全脱离状态。在本实验过程中，确定2023 年的年运行时间确定为105.15 天，约为全年的0.288 天。值得注意的是，当离合器内的相变液温度超过-4°C 时，该设备进入休眠状态。提高相变液的温度会延长运行时间，而降低其温度则会缩短运行时间。

周围土壤的温度系列验证了该设备的冷却效果

4 对液流单向导冷管的讨论

4.1 该设备的优点

风驱动冷能量收集装置与热虹吸装置在外观上相似，但它们有着不同的冷却机制。两者都是插入地面的圆柱形管，用于促进冷能沉积。不过，它们在热载体、安装角度、对流类型和检测方式上有所不同（表2）。与热虹吸装置相比，风驱动装置具有两大明显优势。

首先，该装置采用强制流体循环[6]，使得冷能沉积效果更佳， 远胜于热粒子所采用的自然空气对流方式（表2）。其次，装置集成了磁性浮选器 浮器的密度略低于冷却剂，当冷却剂在管内流动时，磁浮器会发 场变化，并将信号传送到实验室的远程监控系统。这种创新方法 监测。例如， 温度降至-10°C 以下且风速在 3-6m/s时，冷却剂应在管内循环。如果监 则表明设备可能出现故障，需要检修。相比之下，热虹吸管在外部空气温度低于地下土壤温度时， 难以确定蒸汽和凝结的流动情况。

最后，风驱动装置因能将液体循环热交换器拆分为两部分，并通过柔性管连接，从而具有更大的部署灵活性。这种设计便于将冷却剂轻松输送到所需位置。此外，将热交换器分离为收获端和沉积端，进一步增强了该装置的通用性。虽然热虹吸装置可以相对于垂直轴倾斜使用，但难以实现蒸发端（即冷沉积端）的水平或反向位置。

4.2 该设备的潜在应用前景

风驱动冷能量收集装置不仅可替代热虹吸技术，还能广泛应用于冷却多种结构，如道路路堤、桩基础、飞机跑道和石油管道。举例来说，在填筑路堤前，我们会在其下方预先布置U 型冷却管，以便有效冷却路堤[7]。同样地，该装置还可以插入路堤坡脚处，冷却周边土壤，发挥类似热传感器的作用。对于钻孔桩，此装置能防止周边土壤发生永久冻土退化。

在具体操作中，我们会先将液体循环热交换器拆分，把冷能沉积端置于钻孔桩的混凝土柱中心，确保入口和出口接头从钻孔中伸出。随后，这些接头会与冷能量收集端相连，再经由机械离合器和风车驱动。当新浇筑的混凝土凝固后，管道会与混凝土桩完全同心。此装置能有效降低半径为1.5 米的柱体温度，安装一年后，温度可下降0.6-1.0°C。值得一提的是，在岩土工程中，该装置适用的柱体尺寸远大于常规桩基础，从而确保钻井桩周边土壤保持冻结状态。相较之下，传统冷却钻孔桩的方法至少需要四个热桩。此外，通过适当调整液体循环热交换器，冷能沉积端还能作为路堤、机场跑道等基础设施下的冷却管道，有效保护底层永久冻土层。

5 结论

在青藏高原北麓河冻土站，我们进行了为期一年多的现场试验，成功验证了液流冻土冷却装置的有效性。该装置设计为 8 米高、1.5 米半径的圆柱体，实验数据显示它能使周边土壤温度下降 0.6-1.0^∘C 。对采集的温度数据进行深入分析后，我们发现冷却缸的影响半径会随时间逐渐增大。

此装置采用了强制液体对流技术，相较于传统的空气对流，能更有效地沉积冷能。其冷能沉积端可以预制为混凝土桩，便于与其他结构部件连接，非常适合在路堤、机场跑道等基础结构下部署。

尽管初步试验成果显著，我们仍需进一步验证该装置在不同天气条件下的长期冷却效果和耐久性。此外，该装置的潜在应用范围广泛，我们将通过更多实验来证实其在各种实际应用场景中的有效性[8]。本研究不仅是探索风驱动冷水收集技术的重要一步，更为永久冻土的长期保护提供了新的可能。

参考文献：

[1] 张旭， 李国栋， 王毅. （2023）. 风力驱动液流导冷系统在冻土保护中的设计与现场试验. 寒区工程学报，37（2）， 45-58.

[2] 刘华， 陈杰， 赵磊. （2022）. 机械离合器中相变材料用于冷能收集装置的实验研究. 能源转换与管理， 165，112-123.

[3] 王强， 孙志. （2021）. 冻土区热管热性能研究综述. 冻土与寒区环境， 32（3）， 234-247.

周洋， 等. （2020）. 青藏高原碎石路堤冷却效应的现场观测. 寒区科学与技术， 178， 103129.

[5] 李松， 等. （2023）. 基于Campbell 数据采集器的冻土温度远程监测——以北麓河为例. 传感器技术， 23（5）

2567.

[6] 陈瑞， 吴清. （2022）. 强制对流与自然对流在冻土冷却中的对比分析. 国际热能与质量传递， 185， 122435.

[7] 马伟， 等. （2021）. U 型冷却管在冻土路基中的应用研究. 工程地质， 291， 106234.

[8] 杨志， 等. （2023）. 极端气候下风力驱动冷却系统的长期耐久性. 可再生能源， 208， 567-578.