采用围岩太阳能储能技术的隧道在跨季节条件下的防冻性能

《Renewable Energy》：Cross-season antifreeze performance of tunnels with surrounding rock solar storage technology

太阳能储存与两相闭式热管耦合的隧道抗冻系统研究及其优化参数分析

　　在寒冷地区，隧道工程面临着严重的冻害问题。由于极端气候条件，许多隧道在冬季会出现冻胀、积水、结冰等现象，这些现象不仅影响隧道的正常使用，还可能对结构安全造成威胁。例如，在新疆的某些隧道中，严重的冻害甚至导致了隧道的废弃。为了解决这一问题，研究者们不断探索各种防冻方法，包括被动和主动两类。被动方法如保温层、防冻门和防雪棚等，虽然具有成本低、无需维护等优点，但在高交通流量区域难以应用，且长期使用会因累积冻结效应而失效。主动方法如空气幕、电加热带和能量隧道技术等，虽然能够有效防止冻害，但通常存在高能耗和应用局限性。

在此背景下，研究团队提出了一种新型的跨季节防冻系统（SGTA系统），旨在通过高效利用太阳能来降低隧道的冻害风险。该系统的核心在于利用太阳能进行能量储存，并在寒冷季节通过热能释放来维持隧道的温度。太阳能的利用不仅能够减少对传统能源的依赖，还符合当前可持续发展的趋势。然而，如何高效地将太阳能储存并释放到需要的区域，仍然是一个技术难点。传统的太阳能储存方式多依赖于地表或浅层岩土体，但由于热能容易向隧道内部扩散，导致储存效率降低。因此，研究团队引入了两相闭式热虹吸管（TPCT）技术，以提高能量储存的深度和效率。

TPCT作为一种高效的跨距离传热组件，在寒冷地区的工程中已得到广泛应用。例如，在青藏铁路和公路的路基防冻研究中，Zhang的研究团队通过现场试验、模型试验和数值模拟，验证了TPCT在防冻方面的有效性。此外，Jiang的研究团队在深层地热能提取方面也进行了相关探索，发现TPCT在不同参数和地质条件下均表现出良好的性能。特别是在极地地区，TPCT被证明能够显著降低地层温度，从而有效防止冻害。然而，这些研究主要集中在单一的热能传输和储存方面，尚未形成一套完整的跨季节防冻系统。因此，本研究结合了太阳能收集、TPCT能量储存以及隧道内热能循环的三重机制，构建了一个跨季节防冻系统，以实现更高效的防冻效果。

SGTA系统的构建基于太阳能平板集热器、隧道衬砌地热换热器（GHEs）和TPCT三者之间的协同作用。太阳能平板集热器负责在温暖季节收集和储存太阳能，通过水泵将储存的热量输送到隧道衬砌地热换热器，再由TPCT将热量进一步传输至更深的围岩区域。这种设计不仅能够有效减少热能的散失，还能够确保在寒冷季节时，储存的热量能够及时释放，从而维持隧道内部的温度稳定。此外，TPCT的结构设计在本研究中也得到了优化，其蒸发器、绝热段和冷凝器的比例被设定为1:1:1，以确保最佳的传热效率。

为了评估SGTA系统的可行性，研究团队开发了一个三维数值模型，对系统的传热过程进行了模拟。该模型综合考虑了多种传热机制，包括固体材料中的热传导、空气与隧道内壁之间的对流传热、循环水与GHEs内壁之间的对流传热、工作流体与TPCT内壁之间的对流传热，以及太阳与太阳能集热器之间的辐射传热。通过这些模拟，研究团队能够更准确地预测系统在不同条件下的性能表现，并优化相关参数。

在系统优化过程中，研究团队重点分析了能量储存时机、TPCT长度和TPCT结构比例对防冻效果的影响。结果表明，能量储存的最佳时机是在隧道未安装SGTA系统时，围岩温度下降至0°C以下的时间点。这一时机能够确保储存的热量在寒冷季节到来时发挥最大作用。此外，TPCT长度对防冻效果具有显著影响，随着TPCT长度的增加，防冻效果先增强后减弱，最佳长度为2.5米。这一长度能够有效平衡热量储存与释放的需求，同时避免过度延长导致的系统复杂性和能耗增加。

TPCT结构比例的优化同样至关重要。研究团队发现，蒸发器、绝热段和冷凝器的比例为1:1:1时，系统的传热效率最高。这种结构设计能够确保热能在不同区域之间的有效分配，减少热损失并提高整体的防冻性能。通过调整这些参数，SGTA系统能够在不同气候条件下实现最佳的防冻效果，从而延长隧道的使用寿命并降低维护成本。

SGTA系统的优势在于其低能耗和高效性。与传统的地热换热系统（GHEs）相比，SGTA系统能够减少15%的最小能量储存时间，这意味着在寒冷季节到来之前，系统需要储存的能量更少，从而降低了整体的运行成本。此外，该系统能够有效减少热能的散失，提高热能的利用效率。通过将太阳能储存至更深的围岩区域，SGTA系统能够在寒冷季节中更长时间地维持隧道的温度，防止冻害的发生。

研究团队还通过数值模拟分析了不同参数对系统性能的影响。结果显示，能量储存时机、TPCT长度和结构比例的合理选择，能够显著提高系统的防冻效果。在寒冷季节，SGTA系统能够有效提升隧道围岩的温度，从而减少冻害的发生。同时，系统在运行过程中能够实现能量的循环利用，减少对额外能源的依赖。这种设计不仅符合可持续发展的理念，还能够降低长期运行成本，提高系统的经济性和实用性。

此外，SGTA系统的应用前景广阔。随着全球气候变化的加剧，许多高海拔和高纬度地区的隧道工程面临更大的冻害风险。传统的防冻方法在这些区域可能难以满足需求，而SGTA系统则提供了一种新的解决方案。该系统能够适应不同的气候条件，并通过合理的参数调整，实现最佳的防冻效果。同时，由于其结构简单、维护成本低，SGTA系统在实际工程中的推广和应用具有较高的可行性。

在实际应用中，SGTA系统需要结合当地的气候条件和地质特征进行优化设计。例如，在太阳能资源丰富的地区，系统可以更有效地储存和释放能量，而在光照不足的地区，可能需要调整太阳能集热器的布局或增加储能容量。此外，TPCT的安装位置和深度也需要根据具体的地质条件进行调整，以确保热能能够有效传输并储存。研究团队建议，在设计SGTA系统时，应综合考虑能量储存时机、TPCT长度和结构比例等因素，以实现最佳的防冻效果。

总之，SGTA系统作为一种新型的跨季节防冻技术，具有广阔的应用前景。通过合理利用太阳能和TPCT技术，该系统能够在寒冷季节有效维持隧道的温度，减少冻害的发生。同时，其低能耗和高效性的特点，使其成为未来隧道防冻工程的重要发展方向。随着相关技术的不断进步和优化，SGTA系统有望在更多寒冷地区的隧道工程中得到应用，为保障交通基础设施的安全运行提供有力支持。