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内容概要
由于全球变暖，保护永久冻土路基是一项挑战，但被动冷却技术的成功案例比较有限。本文提出了一种新型风力驱动装置，可以通过在环境空气和路基之间循环冷却剂来冷却永久冻土路基。它由风车、带有相变材料的机械离合器和流体循环热交换器组成。离合器通过冻结和熔化相变材料来接合和分离，而当外部气温超过一定阈值时该装置关闭，从而防止热量渗透路基。两年的观测表明，该装置有效地将高8.0 m、半径1.5 m的多年冻土冷却0.6~1.0℃，平均功率为68.03 W。该装置可用于冷却路堤、飞机跑道基地、管道基础、及其他结构。需要进一步的实验来评估其在各种条件下的冷却能力和长期耐用性。
图1. 说明性原理图突出显示了该设备的不同应用; a–c 使用霍尔效应传感器远程检测管内冷却剂循环; 设备应用包括: d、e 道路路堤、f 桩基、g 机场基地和 h 管道基础设施
图2. 一种用于冷却多年冻土层的风驱动冷却装置; a: 酒精溶液旨在将溶液的冰点温度降至零以下一定程度; b-e: 在温暖的天气下，设备会休眠; f–i: 收集风来驱动冷却剂在永久冻土层和外部大气之间循环
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关键方法
引进风力驱动多年冻土冷却装置：
介绍一种旨在保护永久冻土路基的新型装置。天气温暖时设备会休眠；在寒冷的天气里，收集风来使设备中的冷却剂循环，从而将热量从永久冻土层排出到外部寒冷的大气中。该装置由三个主要部件组成：风车、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(PCM)制成的关键部件。流体循环热交换器具有双管结构，由同心封闭的大环形空间和小内管组成。交换器充满冷却剂并配备泵。内管底部有开口，允许冷却剂从外管和内管之间的环形空间向上循环，然后返回内管顶部。装有泵的管式交换器的一端连接到离合器并暴露在外界空气几米处，而另一端则埋在地下。
在温暖的天气中，当气温高于固液相变材料的冰点温度时，材料就会熔化，从而使离合器分离并停止流体循环。在寒冷天气中，当气温低于机械离合器中使用的固液相变材料的冰点温度时，材料就会凝固，从而接合离合器，并允许利用风力并将其传输到顶部的泵。
实验装置：
该风驱动降温装置安装在中国青藏高原北麓河多年冻土站（34.8°N，92.9°E）。为了监测设备内部和外部的温度，安装了温度计。在流体循环换热器内，以1.0 米的间隔放置温度计，记录内管和外环空的流体温度，管内共放置20支温度计。在装置外部，温度计以0.5~2.0m的间隔安装在装置的外皮上。为了最大限度地减少太阳辐射对设备内固-液相变材料冻结的影响，在其表面均匀涂覆了低反射涂层。在安装风力冷却装置之前，在距自然地表8.1m深的地方钻了一个直径12 cm的钻孔。将装置置于钻孔中心，使其下端埋在地下 8.0m处。然后用干细砂填充钻孔和装置之间的环空并分层压实。为了测量不同深度的温度，在主钻孔周围另外钻了四个钻孔，距离分别为0.6、1.5、3.0 和 5.7 m。将装有温度计的PVC管插入这些钻孔中，然后用干燥的细沙填充。
图3. 实验装置; a 实验装置示意图，详细说明了温度计的放置位置; b 在青藏铁路附近的北陆河冻土站安装风力冷却装置
Qin, Y., Wang, T. & Yuan, W. Wind-driven device for cooling permafrost. Nature Communications. 14, 7558 (2023).
https://doi.org/10.1038/s41467-023-43375-z.
*第一作者：覃英宏
*第一作者单位：广西民族大学建筑工程学院
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撰稿丨GeoDuo
审核丨Geoffery, & DoraGeomon
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