太阳能制冷装置及多年冻土保护方法

本发明属于多年冻土保护，特别涉及一种太阳能制冷装置及多年冻土保护方法。

背景技术：

1、冻土是指0℃以下，并含有冰的各种岩石和土壤。从工程建设与运营角度，冻土是一种不良特殊土类型。多年冻土指持续2年或2年以上的冻结不融的土层。多年冻土是一种脆弱的地质体，在全球气候变暖背景下，天然多年冻土呈现出温度升高、孔隙冰融化、厚度和分布范围的缩小或消失的现象，即多年冻土退化。多年冻土退化会出现沉融、融冻泥流、沼泽湿地等不良地质现象。我国青藏高原是世界上面积最大的低纬度、高海拔多年冻土区，目前分布着多条铁路交通干线。大量的路基、隧道、桥梁桩基础等交通基础设施直接建设在多年冻土地层上，稳定性、耐久性等服役状态与多年冻土息息相关。交通基础设施建设与运营过程会加剧多年冻土的退化，多年冻土退化后地基承载力降低、融化沉降变形又引起路基、隧道、桥梁桩基础的变形甚至破坏。统计表明，青藏公路80%以上病害由冻土融沉引起，运营至今多年冻土退化融沉引起路基沉降、桥梁桩基倾斜与梁端伸缩缝顶死等一系列问题，已成为全线运营维护的瓶颈。因此，如何有效保护多年冻土是关键。

2、多年冻土保护方法包括保温层、热屏障等被动保温型结构，以及通风管、块石层、热管等主动冷却型结构。目前青藏铁路、青藏公路上的上述多年冻土保护措施仅能适应气候变暖1℃的情况，未来气候变暖1.5℃情况下，则需要谋划多年冻土补强措施。有必要尽快发展出更为有效的多年冻土保护方法。

3、目前，既有多年冻土保护措施的不足在于主要通过增大冬季冷储量来抵消暖季热侵蚀，而在暖季无法输出稳定的冷量，时效性差。而多年冻土制冷保护技术的困难在于：制冷是逆向传热过程，需要外部能量（电能）的驱动，青藏高原等多年冻土区交通沿线供电困难，受制于电力供应不足。如果采用建筑与工业领域常规的集中制冷和分散输配方式，投资大，能耗高，但目前还缺乏适用的制冷装备和供能方案。因此，制冷技术面向交通基础设施场景的装备专业化和运行节能化是实现多年冻土制冷保护的关键。

技术实现思路

1、为了解决以上问题，本发明提供了一种太阳能制冷装置及多年冻土保护方法。

2、为实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：

3、一种太阳能制冷装置，所述制冷装置包括太阳能驱动单元、吸收式制冷单元和冷量传输单元，所述吸收式制冷单元包括储冷组件及依次相连且内部充注冷媒的气泡发生器、气泡泵、气液分离器、冷凝器、节流器、蒸发器、吸收器和储液罐，所述储液罐再通过主连通管与气泡发生器相连形成闭合的循环回路，作为冷媒的主循环流道，所述储冷组件用于储蓄蒸发器产生的冷量；所述太阳能驱动单元的电热组件设置于气泡发生器的外壁上，用于为冷媒挥发提供热源；所述冷量传输单元的冷凝段设置于储冷组件中，所述冷量传输单元的制冷段能够置于退化的多年冻土地层内。

4、进一步的，所述冷媒的成分包括制冷剂、吸收剂和扩散剂，所述制冷剂与吸收剂的质量比为1：1～1：3，所述扩散剂为惰性气体；所述电热组件的加热温度介于制冷剂和吸收剂的沸点温度之间。

5、进一步的，所述冷媒的制冷剂为氨，吸收剂为蒸馏水，所述扩散剂为氦气，氦气的充注压强为18bar。

6、进一步的，还包括辅连通管，所述辅连通管包括第一连通管、第二连通管及第三连通管，所述吸收器通过第一连通管与发生器次入口相连，防止吸收器内部液位过高导致冷媒逆向流动；所述冷凝器通过第二连通管与吸收器次入口相连，使气液分离器中未完全分离的液态吸收剂进入吸收器；所述蒸发器通过第三连通管与储液罐次入口相连，使在蒸发器中未完全气化的制冷剂流入储液罐；所述辅连通管作为冷媒的辅助循环流道。

7、进一步的，所述太阳能驱动单元包括光伏组件、储电组件、电热组件和plc控制器，所述光伏组件、储电组件、plc控制器和电热组件通讯线路顺次连接，所述光伏组件用于将太阳能转化为电能，所述储电组件用于储存光伏组件产生的电能，所述储电组件与电热组件相连，为电热组件提供电源；所述plc控制器用于控制储电组件的过充过放及电热组件的启停。

8、进一步的，所述吸收式制冷单元、储电组件、电热组件和plc控制器均设置于机柜内，所述光伏组件设置于机柜的外部，所述机柜的柜门内侧设有遮板，所述plc控制器设置于遮板上；所述机柜的内部自上至下间隔设置上层托板、中层托板和下层托板，所述气液分离器和冷凝器设置于上层托板上，所述节流器、蒸发器和储冷组件设置于中层托板上，所述气泡发生器、气泡泵、吸收器、储液罐和储电组件设置于下层托板上；所述上层托板上方的内壁上设有排风扇，所述排风扇与plc控制器相连，用于排出冷凝器散发的热量；所述排风扇与电热组件并联与储电组件相连；所述上层托板、中层托板和下层托板上均设有通孔，用于贯穿辅连通管及储液罐进出口的主连通管。

9、进一步的，所述plc控制器内嵌2个阈值和2个命令，2个阈值为多年冻土地层温度的上限阈值和下限阈值；2个命令分别为第1类命令和第2类命令，第1类命令：控制电热组件和排风扇通电运行，第2类命令：控制电热组件和排风扇断电停机；2个命令的执行依据如下：

10、当多年冻土地层埋设的温度传感器的监测值高于上限阈值时，执行第1类命令；当多年冻土地层埋设的温度传感器的监测值低于下限阈值时，执行第2类命令。

11、进一步的，所述冷量传输单元为分离式热管，所述分离式热管包括冷凝段、绝热连接段和制冷段，所述绝热连接段设置于冷凝段与制冷段之间，所述绝热连接段为柔性管，所述冷凝段和制冷段均为刚性管，所述制冷段的尺寸与多年冻土地层的保护深度相匹配；所述分离式热管的内部充注传热工质，所述传热工质的沸点温度低于多年冻土保护的目标温度。

12、本发明还提供一种多年冻土保护方法，应用上述太阳能制冷装置，包括如下步骤：

13、步骤s01、选择交通基础设施多年冻土退化病害工点场景，开展现场温度与变形监测，确定多年冻土地层的退化深度范围和退化程度；

14、步骤s02、结合多年冻土地层构造特征、含水率和多年冻土稳定类型，确定病害工点多年冻土保护的目标温度；

15、步骤s03、基于热储量理论，计算沿交通线路单位长度的多年冻土地基的冷负荷的动态时序变化值，及所需峰值供冷量；

16、步骤s04、根据多年冻土保护时效性要求，确定多个制冷装置的布置间距；

17、步骤s05、根据单位长度多年冻土地基所需峰值供冷量和制冷装置的纵向间距，确定制冷装置的制冷容量和冷量传输单元的启动温度；

18、步骤s06、根据制冷装置的制冷容量，进行设计选型并制备；

19、步骤s07、制冷装置的现场安装；

20、步骤s08、制冷装置的动态运行控制。

21、进一步的，在步骤s08中，根据步骤s02中确定的多年冻土保护的目标温度，在plc控制器预先设置上限阈值和下限阈值，分别为多年冻土保护目标温度值＋1℃和－2℃。根据温度传感器的监测值，对制冷装置进行动态控制。

22、本发明与现有技术相比，所取得的技术进步在于：

23、（1）本发明将绿色制冷技术从建筑环境领域引入到交通基础设施领域，制冷装置采用机柜型式，设计创新，利用冷量传输单元进行冷量的二次传输，可以根据应用场景将制冷装置与冷量传输单元的冷凝段和制冷段分开布置，起到保护多年冻土的功能，场景适应性强。

24、（2）本发明中的制冷装置以太阳能为驱动源，主要应用区域在青藏高原多年冻土区，青藏高原太阳能资源丰富，制冷装置不需要外部供电，自驱运行，绿色节能。

25、（3）本发明中的制冷装置智能化程度高，可以根据实际多年冻土退化程度，通过plc控制器动态调整装置运行模式，节能性好。

26、（4）本发明中的制冷装置没有机械运动部件，使用寿命长；同时，制冷装置装设便捷，可无人值守自动运行，可靠性高。