导热系数可变装置及其应用 【技术领域】
本发明涉及一种在多年冻土地区工程建筑中，有效保护下部多年冻土，确保工程建筑基础稳定性的降温装置，尤指一种导热系数可变装置。背景技术
随着国民生产和地区经济的发展，国家西部大开发战略的实施和进程的不断深入，我国现已在占据国土面积22％的多年冻土地区不断进行铁路、公路、输油管线、光缆、水利等重大工程设施的建设。
冻土是指温度在0℃或0℃以下，并含有冰的各种岩土和土壤。多年冻土是指冻土不间断地保持多年、若干世纪以至数千年。在多年冻土形成和发展过程中，由于冻融循环所导致的水分迁移往往会在地下的一定的深度上形成一定或是很厚的冰层(称为地下冰)。
由于人为工程措施的影响，改变了地表换热条件，特别是在青藏高原太阳高辐射地区，由于人为工程使实施后工程建筑吸热面、吸热量大为增加，使得各种工程措施基础下部的多年冻土的热量总体平衡遭到破坏，总体热量收入大于支出，使得多年冻土的温度不断升高，多年冻土中的厚层地下冰不断融化，由此导致工程建筑的基础不断下沉、失稳，严重影响各种相关工程的稳定性和正常运营。例如俄罗斯1994年调查表明，70年代建成的第二条西伯利亚铁路，线路病害率达27.5％。运营近百年第一条西伯利亚铁路1996年调查的线路病害率为45％。我国1990年调查表明，青藏公路当时病害率达31.7％，东北多年冻土区铁路病害率达40％。同时随着全球气候转暖，多年冻土的年平均地温也在不断地转暖，并对外界温度变化变的更加敏感，许多多年冻土稳定区域逐渐转变成不稳定区或极不稳定区。现存多年冻土往往厚达几十米甚至上百米，如果多年冻土一旦失稳便会进入到一系列的恶性循环中，地下冰不断融化，地表不断下沉。因此，是否能采取和使用有效、实用的工程保护措施和技术，保护工程基础下部的多年冻土少受或免受上部工程建筑的影响，就成为青藏铁路和各种冻土工程建设成败所在。目前就工程与冻土的相互作用的研究较多，但如何切实有效地解决其相互作用问题的成功措施不多。中国科学院“西部之光——冻土工程中保护冻土温控关键技术研究”，中国科学院知识创新工程的重大项目“青藏铁路工程与多年冻土相互作用及其环境效应”(No.KZCX1-SW-04)，中国科学院寒区旱区环境与工程研究所创新项目(CACX2002406)，国家自然科学基金重大项目(90102006)，“973”国家重点基础研究发展规划项目(2002CB412704)等课题就是针对上述关键实际工程问题而开展了专题研究。
目前，用于保护铁路、公路等线性工程下部多年冻土的工程措施主要有：提高路堤高度，在路堤表面铺设抛石护坡、遮阳板，在路堤中加装通风管，在路堤中铺设保温材料、抛石基础，埋设热桩等措施达到保护路基下部多年冻土的目的。但由于我国多年冻土地区独特条件的限制上述方法均存在一些不足或缺点。在我国多年冻土地区，尤其是青藏高原，很多多年冻土的年平均地温接近零度(称为高温多年冻土)，致使这些在工程措施的要么功效不高，要么造价太高，要么仅在点上降温，而难以满足工程实际要求的线上、面上降温的要求，难以在线性工程中大量使用。因此，在工程实践中急切需要新颖、功效更高、在实践中可行的工程技术措施。
在全球气候不断转暖的今天，开展稳定多年冻土温度场工程措施的研究，稳定或减缓多年冻土的退化，将对该类地区工程建设的顺利进行，确保工程建筑物稳定性和正常运营具有重要意义。有关应用于寒区工程中导热系数可变材料或装置的研究，是目前世界相关国家在相关领域进行研究的重要方向之一，如能对我国开展相关研究的科研成果和自主知识产权内容积极加以保护，将对今后的相关研究和在工程实践中的正确应用具有积极的重要意义。发明内容
本发明的目的是提供一种装置，该种装置无需任何动力，利用自然界一年四季温度的变化，该装置通过整体在夏季正温下导热系数相对较低、冬季负温下导热系数相对较高的特点，即导热系数可变装置，实现环境与被保护物体之间的热流控制，最终实现对被保护物体的降温作用。同时该装置由于内部水的存在，具有热容量很高的特点，利用多年冻土区冷季的时间大于暖季时间的特征，还具有储存冬季冷能的功能，达到对下部被保护物体的进一步降温。由于该装置充分利用自然界温度的变化和冷能，不需要任何动力，不对大气排放任何有害物质，同时由于其埋设于地表以下，对环境保护同样具有积极作用。
本发明的目的还在于通过其应用不仅可以对多年冻土区的铁路、公路路堤或建筑物底部多年冻土的温度场起到很好的稳定作用，同时可以降低路堤要求的最低高度，大大减少工程造价，缩短建设周期。
本发明的目的还在于通过其在寒区的应用，可以对设置于地下用于保存水果或蔬菜的天然冷窖的降温保墒作用。
本发明的目的可通过如下措施来实现：
一种导热系数可变装置，包括外壳；在外壳内设有吸水材料、空气层和水体，其中吸水材料将空气层和水体分隔。
所述的吸水材料将空气层分隔成多层。
所述的吸水材料将水体分隔成多层。
所述的吸水材料选自吸水海绵、聚丙烯酸和聚丙烯酰胺组合的高吸水聚合物体系、花泥、无纺织布中的至少一种。
所述的外壳为密封外壳，选自金属、非金属、塑料或混凝土、建材等具有一定强度的材料中的至少一种。其作用在于阻止内部水分的散发，保护内部结构的完整。
一种导热系数可变装置的应用，其中将导热系数可变装置用于多年冻土区铁路、公路路堤，及其他线性工程或建筑物底部，或地下用于保存水果或蔬菜的天然冷窖的地表，在铁路、公路路堤及其他线性工程或建筑物底部，或在铁路、公路路堤的表面两侧，或在地下用于保存水果或蔬菜的天然冷窖的地表，铺设10-30厘米厚的导热系数可变装置即可实现在环境温度为正温下的相对隔热和在负温下相对导热的热流控制和对被保护物体的降温作用。
一种导热系数可变装置的应用，其中在建筑物或构筑物的四周铺设导热系数可变装置可实现其与环境的热流控制和对建筑物或构筑物的降温作用。
一种导热系数可变装置的应用，其中将导热系数可变装置用于需热流控制和降温的物体上。
本发明的工作原理为在密闭的容器中添加一层一层的吸水材料，每层相间一定的距离，形成结构为空气层与吸水材料互层的结构，并添加一定数量水体。水体在重力作用下汇集于装置底部的储水部位。由于空气的导热系数很低为0.024W/m·K，在正温的条件下，该种结构中上部的空气层可以起到很好的阻热作用，致使整个装置的导热系数相对较低，阻止外部热量的进入下部被保护的冻土。在进入冷季的时候，埋置于路基表面或路基中的该种装置在单向冻结的条件下，首先最上层的吸水材料开始降温。由于吸水材料良好的吸水特性在冷壁表面冷却降温时，当温度下降到空气露点，冷壁表面上吸附着一极薄的水层。当温度进一步下降至水的三相点或更低时，水层凝固为冰层。在冷壁表面温度下降至0℃以下而稳定时，空气中的水蒸气在这薄冰层上凝华形成冰的结晶胚胎，并由此开始水蒸气在结晶胚胎上不断凝华，形成针状或柱状的霜的晶体，由此不断发展，在经历结晶生长期、霜层生长期和霜层充分生长期后霜层充满整个第一层空气层。在此过程中由于空气中水蒸气的减少，下部吸水材料中的水分会不断向空气中释放，达到一种水气平衡。由于下部吸水材料内部水分的减少，吸水材料又会从底部储水部分抽吸水分补充内部水分的散失。在第一层空气层中充满霜层后，利用冰的导热系数为2.21～2.236W/m·K的特点，很快使第二层吸水材料由成为冷壁表面又开始上述过程的循环。由此不断循环，最终使底部储水部分储藏的水体全部转化为在空气层中形成的霜层。因为冰的导热系数相对较高，在这种情况下装置整体的导热系数也会随之增加，有利于外部冷量进入下部冻土和下部热量的向外的散出。根据上述在发展过程，在一年四季正负温变化的条件下，该种装置的导热系数在正温和负温两种状态下能有一个较大的差值，从而实现环境与被保护物体之间进行热流控制，最终达到对多年冻土的稳定和保护的作用。同时该装置由于内部水体的存在，由于水的热容量很高和多年冻土区冷季的时间大于暖季时间，该种装置还具有储存冬季冷能的功能，进一步达到对下部多年冻土保护的目的。密闭容器的作用在于阻止内部水分的散失，同时由于密闭容器具有一定的强度可以有效保护内部层叠结构在外在荷载作用下免受破坏。
由于结霜多发生在空调制冷系统、货物冷藏系统、气体凝固净化、低温液体储藏等过程中，以及在起飞或飞行中的飞机机体表面，机车、船舶驾驶室的玻璃窗镜面上，被认为是有百害而无一利，有关结霜的研究和相关专利也是围绕如何消除这种影响而开展得。本专利从一个全新的角度，在如何利用、改善和增进霜层在有限空间的发育，改变上述空气层导热系数变化开展结霜过程研究，并结合研究结果申报专利。
本发明相比现有技术具有如下优点：
本专利紧密围绕工程实践中对成本、功效、可操作性等具体要求而进行，该种装置可在室内或工厂加工成形，在现场直接布设或安装。通过成本计算和比较，其成本略低于保温材料、抛石路基、高路基、通风路基等工程措施的成本。更重要的是通过室内试验和计算比较，在种工程措施的在保护多年冻土的效果方面要优于其它工程措施。因此具有简单易行、性价比高、在工程实践中强操作性强、稳定多年冻土地温场效果明显等诸多优点。
路堤在建设完成后主要由三个外表面进行吸热，其中又由于路堤两侧表面面积要远大于顶表面，为主要吸热面，阳坡以其接收太阳辐射是阴坡的约1.5倍，为最主要的吸热面。所吸收的热量通过路基底面向下伏多年冻土进行传热。因此，在阳坡浅表面、或两侧边坡浅表面、或靠近路基底面铺设该种装置，就可以在关键部位对热流进行控制，对稳定下部多年冻土温度场、稳定冻土基础起到事半功倍的作用。因此，具有可在关键部位进行热流控制和降温的作用的优点。
本发明通过工厂加工后的成品可按工程实际需要制成1～2m2的单元，可按保温材料的施工方法施工，沿线路的轴向水平铺设，进行冻土工程的整体热流控制和稳定多年冻土温度场。因此具有对工程建筑整体基础，尤其是线性工程整体基础，进行热流控制和促进其稳定性的作用的优点。附图说明
图1A为本发明的导热系数可变装置安装在路基底部的装配示意图
图1B为本发明的导热系数可变装置安装在路基侧面的装配示意图
图2为本发明的导热系数可变装置的内部结构示意图
图3A为本发明的正温条件下原理性室内试验结果照片
图3B为本发明的负温条件下原理性室内试验结果照片
图4为本发明的原理性室内试验温度测试结果
图中标号说明如下：
1-路基 2-导热系数可变装置 3-密闭容器
4-吸水材料 5-空气层 6-水体具体的实施方式
本发明还将结合附图对实施例作进一步详述：
参照图1A、B、图2，为一种导热系数可变式冻土基础，包括设在路基1中铺设的导热系数可变装置2；其中所述的导热系数可变装置2包括：密闭外壳3，吸水材料4，空气层5和水体6。其中在水体6上设吸水材料4，并由吸水材料4将空气层5分隔成多层。所述的密闭容器由金属、非金属、塑料或混凝土、建材任何材料中的一种制成；所述的吸水材料选自吸水海绵、聚丙烯酸和聚丙烯酰胺组合的高吸水聚合物体系、花泥、无纺织布中的至少一种。
在实验室内应用比较法对该种装置进行了导热系数的测试。试验吸水材料选用花泥(图3中的绿色材料)，在花泥的周边局部地方用少部分花泥将每层架空，形成所需要的层叠结构，并注入一定的水量。在测试中该种装置下端面保持在0℃左右，上端面分别为15℃、-15℃；并模拟在上端面每日降低1℃单向冻结条件下内部冰晶霜层的生长情况。经过测试该装置的导热系数在正温条件下的导热系数为0.21W/m·K，负温条件下的导热系数为1.2W/m·K，导热系数比值为5.71。同时通过图3可以看到在空气层中生长有非常好的冰晶霜层。
通过室内对这种装置的30年仿真分析计算，在所有相同条件下，在加铺10cm这种材料的特定条件下，可以使在年平均地温为-0.5℃的高温多年冻土区路提下部多年冻土上界由原有的不断下移，融化圈不断扩大，最大下移量达到10.5m，多年冻土不断失稳，改变为多年冻土的上界最大下移量不大于1m，多年冻土基本处于稳定状态。