热管在沥青混凝土内部传热效率的影响因素分析

热管由管壳、吸液芯和端盖组成，内部被抽成负压状态，充入适当低沸点的液体，管壁有吸液芯，由毛细多孔材料构成。热管一端为蒸发端，另一端为冷凝端，当热管一端受热时，毛细管中的液体迅速汽化，蒸气在微小的压力差下流向另一端，并且释放出热量，重新凝结成液体，液体再沿多孔材料靠毛细作用流回蒸发端，如此循环不止，热量快速由热管一端传至另一端。目前热管的应用朝着两个方向发展，一个是大型化，另一个是微型化。在热管大型化和微型化研究及应用中，美国和日本一直处在世界领先的水平。目前世界上最大的热管直径大约300mm，长度达100m。这种大型化的热管在美国和日本均有实际应用，被用来冷却地下的电力电缆。日本还将大量的热管应用于地热能的开发以及太阳能集热设备。在热管发展史上值得一提的是：美国在横穿阿拉斯加输油管线工程中，应用热管作为管线的支撑，保证地面的永冻层，以满足工程需要；19世纪80年代美国将热管应用于阿拉斯加的机场道面；21世纪初中国在青藏铁路中应用热管冷却地基保持冻土的稳定。

热管在地下的应用主要是辅助建筑物供暖或路面的融雪化冰，以改善埋管换热器的换热效果。主要应用的国家有美国、日本、荷兰、瑞士、加拿大、阿根廷等。尽管如此，热管在路面的应用极少，尤其是在沥青混凝土层。研究表明热管直径的大小对管间距的影响很小，这是因为相对于沥青混凝土而言，热管的传热能力很大，再增大热管的直径、提高热管的传热能力对整体传热效果的改善并没有明显作用。工程中应选用较小直径的热管，这样可以减少埋管换热器的初投资，提高系统的经济性。

尽管热管传热快，但在沥青混凝土内部传热的效率仍受沥青混合料结构、石料种类、热管埋深和热管类型等因素的影响。其影响规律可通过室内模拟试验进行测定。

试验方案

试验模型

利用红外灯模拟太阳光照射。本次试验采用4个150W的红外灯以缩短升温时间，并在沥青混凝土试块（由室内车辙板成型，尺寸300mm×300mm×100mm）上钻测温孔。温度由数显式热电偶温度计测定。环境箱由木箱加工而成。热管热端埋入混凝土内部，冷端接入水箱内的冷水中，与空气接触的部位用海绵包裹。

不同影响因素试验结果

不同混合料类型

不同的沥青混合料由于沥青用量、矿料级配和空隙率的差异，其热物理参数如导热系数、比热等存在一定的差异。为对比不同的级配对沥青混凝土温度场的影响，成型两种类型的试块AC-13C和SMA-13，分别测定沥青混凝土内部相同位置的温度。当沥青混凝土内部未埋热管时。

在每一个深度点的温度变化曲线上，AC-13C总是位于SMA-13的下方，但相差不大，表明AC-13C的内部传热能力略逊色于SMA-13，或者说SMA的吸热能力大于AC类沥青混凝土。这点可以从二者的结构类型差别进行分析。SMA的沥青用量较AC类大，内部结构相对也更密实，空隙率更低。而沥青的辐射吸收系数大，沥青用量变大，则沥青混凝土整体对辐射的吸收也增强。因此，SMA的总热量摄入量增大。此外，SMA的内部结构相对密实，空隙率小，内部的导热系数相对于AC类的要大，所以内部各点的温升也就相对快些。

同样，对比了不同类型沥青混凝土在埋设热管后的温度变化。

埋热管后沥青混凝土内部的温度始终要低于未埋管的情形，此特征在降温过程体现的更加明显。在降温过程中，对比同一时刻同一位置的温度，埋热管试块较未埋管试块低10℃左右。而且随着时间的延长，温度差值有拉大的趋势。

不同类型石料

不同岩石成分的晶体结构各不相同，导热能力亦有所差别。导热系数是岩石重要的热学性质指标，其大小取决于岩石的矿物组成、结构及含水状态。常温下岩石的导热系数在1.61~6.07W/(m·K)之间。选取凝灰岩和砂岩两种石料分别成型沥青混凝土试块，测定其在埋热管和未埋的情况下的温度变化。

发现在未埋热管的情况下，凝灰岩和砂岩沥青混凝土的温度变化曲线基本重合。砂岩在升温过程中温度较凝灰岩的稍大，这主要是由于砂岩的导热系数较凝灰岩大，内部传热速率大。而降温曲线二者几乎重叠。二者的温度梯度变化曲线也清晰地反映了这个特点。

发现在埋有热管的情况下，砂岩沥青混凝土的降温速率远大于凝灰岩沥青混凝土。与未埋热管相比，砂岩沥青混凝土在90min的降温时间内，内部整体温度从52℃降到了38℃，约降低了14℃；而凝灰岩沥青混凝土从52℃降到了46℃，只降低了约6℃。降温过程中，同一深度处砂岩沥青混凝土的曲线始终位于凝灰岩的下方，表明其降温速度相对较快。

热管不同埋深

热管的埋设位置对混凝土内部的温度分布具有一定的影响。前述热管的热端埋深为8cm、倾角为7°。改变热管热端埋深为3cm、倾角为2.3°，埋入混凝土内部的长度保持不变，仍为25cm。按照同样的测温方法测定不同深度处的温度，对比不同热管埋深情况下沥青混凝土内部的温度测定结果。

不同热管埋深时沥青混凝土同一深度处的温度曲线基本重合，表明改变热管的埋深对测点温度的变化影响不大。

不同类型热管

本次试验中，热管是将沥青混凝土内的热量转移的重要途径，对内部温度的分布具有决定性的影响。其他工况相同的情况下，热管的工作温度、传热效率的差异将使得温度场发生改变。对常温热管，可选择的工质主要有水、甲苯、甲醇、乙醇、丙酮和乙烷。此次试验选取两种热管—水热管和丙酮热管，外加一种普通中空铜管。

采用相同的材料和混合料类型，成型沥青混凝土试块，并分别埋入两种热管和铜管。热管和铜管热端埋深为3cm，倾角2.3°，埋入长度25cm，分别测定3者内部点的温度变化。同时计算其温度梯度的变化。

使用丙酮热管时，沥青混凝土内部的温度变化更加缓和，升温过程中内部点的温度始终低于使用水热管的情况；降温过程中二者温度变化曲线基本一致。原因在于丙酮热管的启动温度和工作温度比水热管低，传热作用先于水启动，因此，使用丙酮热管时混凝土内部的温度相对于水热管有一定的滞后。另外，使用普通铜管也可以起到热量转移的作用，但使用效果较热管差，路面内同一点的温度较使用热管时高，尤其是在降温过程中，路面内部的温度降低缓慢，如8cm深度处在降温1h后温度较使用热管时高约4℃。

同一深度不同位置

对水热管沥青混凝土，测孔深9cm，分别进行温度测试，记录同一深度不同时刻的温度值。

同一时刻、同一深度位置Ｂ点的温度总要低于A点，且随着深度的降低和光照时间的增加，温度差值呈增大的趋势。

平衡温度

以上多种工况下的试验和温度测定结果具有相近的规律，就是随着光照时间的延长，沥青混凝土内部的温度变化逐渐平稳，可预测经过一定的时间后其内部温度将趋于一个平衡点。

试验使用前节的埋管以及未埋管试块，测温时将红外灯一直打开，观测沥青混凝土温度场达到近似稳态平衡时的温度分布。

是否埋置热管对沥青混凝土平衡时的温度场产生较大的影响。内部点温度最大能相差20~30℃。因此，热管在传热和降低沥青混凝土内部温度、提升其稳定性方面具有显著的作用。

结语

通过室内模拟试验，对普通沥青混凝土试块和埋热管的沥青混凝土试块进行了温度场测试，根据试验结果和理论分析，得出主要结论如下。

（1）光照过程中，埋热管沥青混凝土内部温度的上升速度小于未埋热管的情况；光照结束后，降温速度大于后者。90min后，埋热管试块的降温幅度整体高出未埋件约10℃。

（2）对于同样是密实型的AC类和SMA类沥青混凝土，二者对沥青混凝土内部传热效果的影响相差不大。

（3）砂岩沥青混凝土的传热效果优于凝灰岩沥青混凝土，尤其是在沥青混凝土降温过程中。90min后砂岩沥青混凝土埋热管试块的降温幅度整体高出凝灰岩沥青混凝土约10℃。

（4）对于水热管、丙酮热管和普通铜管，３者在沥青混凝土内部发挥的传热效果是丙酮热管＞水热管＞普通铜管。

（5）是否埋置热管对沥青混凝土平衡时的温度场产生较大的影响，内部点温度最大能相差20~30℃。

欢迎访问公众号官方网站——中国沥青路面网，中国最大、最权威的行业交流网站。网站定位决策者浏览的网站，为相关决策提供前瞻技术与信息支撑。我们愿意通过“中国沥青路面网”分享行业决策经验与相关资讯，共同提升行业水平。域名如下：www.asphaltpavement.cn；中文域名：沥青路面.中国，沥青路面.cn。行业QQ群号：193697702。