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论文精选|热管技术在缓解土壤冻胀领域的研究进展
发布:2026-05-25
· 事件:2026-05-25 08:08:31
| 摘自 《煤气与热力》2026年5月刊 热管技术在缓解土壤冻胀领域的研究进展 白钰阳 1、 2 徐鹏 2 颜谨 1 ( 1. 北京市公用事业科学研究所有限公司, 北京 100011; 2. 北京建筑大学 供热、供燃气、通风及空调工程北京市重点实验室, 北京 100044 ) 摘 要 综述热管技术在缓解土壤冻胀领域的研究进展。阐述土壤冻胀现象及治理方法,系统分析热管技术工作原理及国内外研究现状,探讨热管技术在缓解土壤冻胀的应用实践。
光伏运维施工燃气输配地热环保供热天然气质量数据
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摘自
《煤气与热力》2026年5月刊
热管技术在缓解土壤冻胀领域的研究进展
白钰阳
1、
2
徐鹏
2
颜谨
1
(
1.
北京市公用事业科学研究所有限公司, 北京 100011;
2.
北京建筑大学 供热、供燃气、通风及空调工程北京市重点实验室, 北京 100044
)
摘 要
综述热管技术在缓解土壤冻胀领域的研究进展。阐述土壤冻胀现象及治理方法,系统分析热管技术工作原理及国内外研究现状,探讨热管技术在缓解土壤冻胀的应用实践。综合研究表明,热管技术在实际应用中仍面临成本控制与维护管理等现实挑战,但其在土壤冻胀防控领域的应用潜力巨大。
关键词
热管技术
;
土壤冻胀
;
地热能
;
太阳能
1.
概述
在能源领域,天然气凭借其绿色环保特性,逐渐成为备受瞩目的能源。数据显示
[
1
]
,2024年全球天然气消费量创下历史新高,同比增长2.8%,预计需求量将进一步攀升。在全球能源转型加速的背景下,近年来我国相继出台天然气相关政策,并通过“蓝天保卫战”等大气污染防治行动,推动天然气管道建设取得突破性进展。截至2023年底,全国长输天然气管道总里程已达到124 000 km,其中新建主干管道超过4 000 km
[
2
]
。
当高压燃气从上游管道输送至城市门站后,门站需进行多级调压处理才能让燃气进入城市燃气管网。在调压过程中,由于焦耳-汤姆逊效应
[
3
]
的影响,天然气温度急剧下降,部分调压站出口温度甚至低于土壤冻结温度,在管道附近区域很容易引起土壤冻胀。由于我国多数区域地下水位持续上涨,土壤含水量增加使土壤比热容及热导率改变,燃气管道周围土壤更易吸收冷量发生冻胀。
对于土壤冻胀给管道及周边环境带来破坏的问题,需要制定有效、科学、合理的防护措施和解决方案,目前解决土壤冻胀问题的方法主要有换填土壤法、绝热保温法、隔离法、预加热法等
[
4-8
]
。
2.
土壤冻胀研究
2.1
土壤冻胀现象
土壤是一种典型的多孔介质,其内部结构复杂且具有独特的物理特性。土壤的固相由土壤矿物质、有机质及生物质组成,这些成分构成了土壤的基本骨架,决定了土壤的力学性质及稳定性
[
9
]
。土壤的液相主要由土壤水分组成,即土壤溶液,其含量和流动特性主要影响土壤的水力传导和化学性质
[
10
]
。土壤的气相是指存在于土壤孔隙中的各种气体,主要为空气及水蒸气,这些气体的存在会影响土壤的透气性和热传导性能
[
11
]
。
当土壤温度降至0 ℃以下时,土壤内的液相转为固态冰,土壤转变为冻土。根据冻结时间冻土可分为短时冻土、季节性冻土、年冻土(又称永久冻土,指冻结时间持续2 a或2 a以上的冻结不融的土层)
[
12
]
,在我国,分布最为广泛的是季节性冻土
[
13
]
。
在季节性冻土中,土壤内的液相转为固态冰,结冰过程的体积膨胀导致土壤颗粒之间相对移动,破坏了原多孔结构的稳定,使土壤体积增大,这种现象被称为土壤冻胀
[
14
]
。土壤冻胀是一种自然现象,对建筑物、道路以及地下设施等造成严重的危害。
2.2
土壤冻胀的治理方法
2.2.1
换填土壤法
换填土壤法是将易冻胀的细粒土壤替换为不易冻胀的粗粒土壤,如砂土或砾石土,可以显著降低土壤的冻胀敏感性。这种方法主要从降低土壤含水量、改变土壤颗粒组成及减少毛细水上升方面缓解土壤冻胀现象。换填土主要为含水量较少且颗粒较粗的土壤,换填土土壤孔隙较大,含水量较低,毛细管作用较弱,水分不易在冻结时迁移和聚集,从而减少了冻胀的可能性。换填土具有更好的透水性,能够快速排出土壤中的多余水分,在冻结过程中,良好的排水性能可以降低水分在土壤中的积累,从而降低土壤冻胀幅度。王娇娇等人
[
15
]
将冻胀土壤改换成回填砾石土有效地缓解了黑龙江漠河机场的土壤冻胀问题;白静等人
[
16
]
采用炉渣对管道周围的冻胀土进行换填和回填处理,能够显著抑制土壤冻胀现象,通过试验对比发现,炉渣作为换填材料相较于砂土,更能有效地缓解土壤冻胀。
2.2.2
绝热保温法
绝热保温法通过阻隔热量传递、改变水分迁移路径、稳定温度场以及调控耦合效应,能够有效缓解土壤冻胀现象。胡田飞等人
[
17
]
在新型保温材料的基础上提出多种新型路基保温方案,并从保温隔热性能、力学承载性、耐久性等方面分析不同方案的实用性。张红维
[
18
]
利用软件对采用聚苯乙烯泡沫材料保温的渠道中的土壤进行模拟,数据表明聚苯乙烯泡沫材料可有效缓解渠道中土壤的冻结。
2.2.3
隔离法
隔离法的核心在于通过隔热材料或隔热层的设计,减少土壤与外界环境之间的热量交换
[
19
]
。Hai等人
[
20
]
开发了一种基于MIDBO-KELM算法的粗粒土冻胀比创新预测模型,利用模型研究了哈尔滨地铁建设时设置隔离层对缓解土壤冻胀的影响。Liang等人
[
21
]
对冻胀土壤中未冻结水分含量进行量化,研究发现在青藏高原的公路建设中,通过在路基中铺设隔热材料,如聚苯乙烯泡沫板,可以有效隔离地表与下层土壤的热交换,减轻了冻胀对路基的破坏;Deng等人
[
22
]
通过实验分析了剑麻纤维对易冻胀土壤的加固效果,发现剑麻纤维能够显著提高土壤的无侧限抗压强度,并在冻融循环过程中有效降低冻胀变形,同时减少未冻结水含量的滞后效应,可有效缓解土壤冻胀。
2.2.4
预加热法
预加热法通过提高土壤的初始温度,延缓土壤达到冻结点的时间,使得土壤中的水分在冻结前有更多时间迁移和排出,减少了冻结过程中水分积聚,从而延缓冻结过程、降低冻结速率和冻结深度,减少冻胀变形。Zhang等人
[
23
]
对广州地铁某站采用人工地层冻结法进行加固,由于该区域地层浅埋、冻结时间长,容易产生较大的地面冻胀,故利用预加热技术通过逐渐降低制冷机组的负荷和减少盐水流量,提高冻结温度以控制地面冻胀。Hu等人
[
24
]
为了缓解季节性冻土冻融期间铁路路基冻胀问题,构建了一种地基分布式加热系统,主要由外加地源热泵和热管构成,通过研究发现该系统能够将轨道变形控制在维护标准范围内,显著减少了土壤冻融对环境和运营的影响。Li等人
[
25
]
建立了一个可用于不同应力水平下饱和冻土的热-水-应力耦合模型,通过引入热管传热元件模拟了冻胀土壤中水分分布、冻胀、吸收及热量传递的过程,利用COMSOL Multiphysics软件对控制方程进行数值求解,通过不同温度梯度下的冻胀实验验证了模型的有效性。Huang等人
[
26
]
采用超长重力热管(SLGHP)传递地热能使浅层土壤升温,通过实验和数值模拟验证了SLGHP的长期稳定性和供热能力,可高效提升土壤温度。Zhang等人
[
27
]
为了解决季节性冻土地区路基冻胀问题,通过实验研究了一种新型太阳能-热管循环加热路基系统,可有效减小土壤冻结深度,降低冻土引发的地面冻胀变形。
预加热法通过主动提升土壤初始温度,延长冻结前水分迁移与排出时间,有效减少冰透镜体形成,从而抑制冻胀变形。以上研究表明,该技术在工程实践中已形成多样化技术路径。因此,预加热法成为目前高效缓解土壤冻胀问题的重要方式之一。
3.
热管技术研究
3.1
热管技术的工作原理
早在1944年,美国俄亥俄州通用发动机公司Gaugler提出了热管的基本原理。1963年,美国洛斯阿拉莫斯国家实验室的Grover重新独立发明了热管并进行性能测试实验。实验成功后,他正式将这种传热元件命名为热管
[
28
]
。热管由蒸发段、绝热段、冷凝段组成。蒸发段的液态工质通过吸收管外的热量相变为气态,向冷凝段流动,在与冷凝段外的物质进行换热后,气态工质放热相变为液态,液态工质依靠毛细力或者重力回到蒸发段,如此往复循环
[
29
]
。
热管技术特点是高热传导性、无需外部能源即可工作、温度自控、长期稳定性好、环境适应性强、结构紧凑、维护简便等,在航空航天、电子设备冷却、太阳能利用、地热能开发以及建筑节能等多个领域发挥着重要作用
[
30-33
]
。在热管发展过程中,出现了重力型热管、毛细力热管、脉动热管、分离式热管、环路热管等类型
[
34-38
]
。
3.2
热管技术的国内外现状
① 传热机理
热管的传热性能受充注率、工质物性及传热极限等多因素耦合影响。焦波
[
39
]
针对液氮温区重力热管建立了稳态数学模型,首次系统分析了充注率对流动形式与冷却性能的作用机制,揭示了临界充注率对传热稳定性的关键影响,并提出了干涸比例、气体雷诺数等准则,可同时预测干涸极限、携带极限和沸腾极限,为低温热管设计提供了理论依据。中国科学院力学研究所在35 K温区氖工质管内冷凝流动传热特性及重力水平影响方面取得进展,揭示了深低温工质冷凝传热过程在不同重力条件下传热强化、传热恶化、重力无关状态的形成机理。Chang等人
[
40
]
提出重力辅助低温环路热管(CLHP)的综合设计方法,该方法通过优化补偿腔的汽液分布,可使气体储罐体积缩减40%以上,验证了该热管在80~110 K温区具备可靠的热传输能力。
② 结构优化
结构优化是提升热管效率的核心路径。刘丽
[
41
]
结合干热岩增强型地热系统(EGS)需求,提出蒸发段近水平布置、内外螺纹强化采热及地下冷凝换热方案,单根热管传热量可达10.282 MW,突破了传统热管长度限制导致的传热衰减问题。赵凯
[
42
]
通过微细结构强化平板蒸发腔传热性能,实验表明,微柱体宽度0.2 mm、高度0.8 mm时,热管启动时间缩短57.1%,总热阻降低48.9%,蒸发段传热系数提升117.7%。Yokouchi等人
[
43
]
探究充压对CLHP运行特性的影响,发现热管填充压力增至3.4 MPa时,热传输能力提升至30 W,并首次观测到滞后效应。在工质选择方面,焦波
[
39
]
以氮为工质进行实验研究,结果表明充注率18.8%时系统压力稳定,而充注率超过62%后压力波动显著,揭示了低温工质相变特性对传热稳定性的复杂作用。
③ 工程应用
在工程实践中,超长重力热管开发利用地热能备受关注
[
44-49
]
。中国科学院广州能源研究所研制的4 149 m氨工质重力热管,在河北雄安地热井中实现连续热产出超1 MW,热通量达4×10⁷ W/m
2
,并集成蒸汽直驱发电系统,验证了取热不取水技术的可行性
[
44
]
。河北唐山现场测试中,3 000 m长SLGHP以去离子水为工质,从95.6 ℃干热岩中提取热量,产生90 ℃蒸汽,连续30 d热采矿平均热提取率达190 kW
[
46
]
。Chen等人
[
47
]
研究发现SLGHP热传递性能主要受蒸汽流动热阻控制,且理想工质须具备高气化潜热及饱和蒸汽压强敏感性特性。Gselman等人
[
48
]
通过数值分析探索新型重力热管设计提取低焓深地热能,基于废弃油气井案例模拟10 a热流,讨论可持续热提取与间歇操作提效。Li等人
[
49
]
提出新型增强型超长重力热管地热系统,通过高导热相变复合材料人工裂缝储层显著提升热传递性能。研究表明,重力热管技术在可再生能源的开发领域应用前景广阔。
国内外学者在热管研究方面的理论研究和实验验证均取得了重要成果,为后续的热管技术应用奠定了坚实基础。
4.
热管技术在缓解土壤冻胀的应用
热管技术以其独特的高效热传递能力,在缓解土壤冻胀问题方面展现出广阔前景。在严寒地区基础设施建设中,热管可以作为一种有效的冷热源,调节周围土壤温度,从而减少土壤中水分的冻结和融化过程
[
50
]
。此外,热管的热传递速率受环境温度变化影响,这表明热管可以在不同的气候条件下稳定工作,热管可以为土壤提供持续的温度控制
[
51
]
。在冬季,热管作为热源,将外界热量传递至土壤冻胀处,防止土壤温度下降到冰点及以下;在夏季,热管将冻土周围热量传递至外界,帮助土壤散热,减少因温度升高引起的冻土融化,起到冷源作用。
4.1
在青藏铁路的应用
青藏铁路是世界上海拔最高、线路最长的高原铁路,穿越约550 km多年冻土区。多年冻土的活动层随季节变化反复冻融,会导致土壤体积和强度变化,影响铁路路基稳定性和安全性。热管技术应用于青藏铁路建设中,取得了显著成效
[
52
]
。
工程应用中,热管与挤塑聚苯乙烯类保温材料构成的复合结构,通过保温层阻隔夏季热量下传、维持冻土上限于保温板底层、热管强化冬季散热的协同机制,可有效抵消全球变暖的不利影响
[
53
]
。据统计,青藏铁路上共使用了约1.5万 根热管,每根热管能传递600 W以上的热流量,足以抵消铁路运营对多年冻土层的热干扰,使冻土层温度保持在-5 ℃以下
[
52
]
。李永强等人
[
54
]
通过对青藏铁路沿线典型冻土路段热棒试验路基和对比路基的地温及变形现场的研究得出,热棒试验路基下部多年冻土上限最大平均抬升1.66 m,显著高于普通路基,同时热棒试验区段累计变形量较无热棒路段减小85%以上,斜插式布局使最大融化深度曲线更快趋于平缓。为进一步优化性能,近年研发的翼式热管结合太阳能集热单元,在冬季加热路基关键部位,实现冻胀的动态调控,拓展了热管的应用场景
[
52
]
。
热管技术在青藏铁路中的应用,其关键特性可从技术参数、功能机制、工程效果、应用约束方面阐述。
① 技术参数
热管通常采用单向传热(从地下至大气)的工作模式,其埋设深度一般超过5 m,地面暴露约2 m,并常以0°~5°的倾斜角度安装,以利于工质回流。
② 功能机制
热管的功能机制核心是气-液相变循环,通常以液氮等低温工质在密闭管内完成。在年平均气温低于0 ℃时,地下热量使管底工质吸热气化,蒸气上升至管顶暴露于大气部分后,因低温冷凝液化,在重力驱动下回流至管底,从而持续将地下热量传递至大气散发。
③ 工程效果
热管技术最直接的工程效果是有效降低了路基基底的地温,并促使冻土上限上升,从而在路基下方及周边形成一个稳定的永冻层。这从根本上抑制了冻土的融沉变形,极大地提升了铁路路基的长期稳定性与安全性。
④ 应用约束
热管工作效率高度依赖大气与冻土之间的温差,在低温环境下效率更高,而温差不足时效能会减弱。为应对当前强烈的气候变暖趋势,热管系统需配合使用绝热材料以增强其保护效果。此外,在高风速地区,地面暴露的管体部分必须进行专门的防风蚀设计,以保证长期运行的可靠性与耐久性。
⑤ 小结
综上,热管技术通过高效的热调控机制,成功解决了青藏铁路冻土路基的稳定性难题,其工程应用不仅体现了我国在寒区交通基础设施领域的创新能力,也为全球类似环境下的铁路建设提供了重要参考。热管在青藏铁路的应用标志着冻土工程从被动保温转向主动冷却的技术跨越。
4.2
与太阳能结合的应用
近年来,随着寒冷地区工程冻害防治需求的日益凸显,国内外学术界针对热管技术抑制土体冻胀的调控机理与工程适用性开展了系统性研究。基于热管技术的太阳能加热系统是一种通过提高路基温度缓解冻胀的方法。Zhang等人
[
55
]
通过实地试验评估了基于热管技术的太阳能加热系统在寒冷季节的加热性能。通过与其他太阳能加热系统进行传热效率和稳定性的比较,得出在0.5 m深的试验场地,利用基于热管技术的太阳能加热系统的土壤温度比对照场地高5 °C,最大冻结深度为0.4 m,比对照场地降低了56%。基于热管技术的太阳能加热系统总有效热传递为512 MJ,而对照组只有283 MJ。与其他太阳能加热系统相比,基于热管技术的太阳能加热系统具有良好的热收集性能和更优越的系统稳定性,该系统不仅能有效提高土壤温度,降低冻深,而且具有结构简单、维护成本低和系统稳定性高等优点。胡田飞等人
[
56
]
根据季节性冻土路基工程的冻胀问题,提出一种太阳能光热利用技术,主要利用集热管上的选择性吸收涂层(光热转换材料)将太阳能转换成热能,再由热管将热能传递到路基冻害处,从而缓解冻胀问题。经分析得出,在平均太阳辐照度为331.6 W/m
2
条件下,蒸发段出口温度与大气温度平均值的温差为13.2 ℃。随着冷凝段深度增大,管壁温度逐渐减小,平均温度约为3 ℃。竖直方向距冷凝段管壁0.15 m的土体温度在48 h内上升了约1 ℃,水平方向距冷凝段管壁0.15 m的土体温度在48 h内上升了约0.75 ℃,整体呈升温趋势。除此之外,Hu等人
[
57
]
将采用太阳能光热技术的路堤太阳能加热器运用在我国季节性冻土区的路堤。研究表明,在20~40 ℃的加热温度范围内,太阳能光热转换率为55%~70%,将太阳能传递到地基的有效利用率约为26%。因此得出太阳能热管可以起到显著的热源作用。
钟国强等人
[
58
]
为了融化桥面融雪,建立了以太阳能集热器为热源的循环热流体加热热管融化桥面积雪的试验系统,包括1个2.4 m
2
的U形真空管集热器、2个2 m
2
的平板型集热器、储热水箱及6根间距为0.4 m、长为3.75 m的热管。为对比热管不同埋深条件下的融雪效果,试验设置1.2 m长空白段、2.4 m长浅埋管排段和2.4 m长埋深变化管排段(包括中埋管和深埋管)。数值模拟分析得出,在冬季晴天光照条件下,热管系统可以使桥面温度维持在0 ℃以上,且在环境温度为-6.0~-4.2 ℃无预热的情况下,系统5 h可完成厚度5 cm的融雪。这种利用太阳能热管进行路面融雪的方案,也为热管传递地热能缓解土壤冻胀问题提供了借鉴。
4.3
与地热能结合的应用
在缓解土壤冻胀方面,地热能利用一直是被提及的方向。在热管技术结合地热能缓解土壤冻胀问题领域,应重点考虑热管的几何结构、放置深度、热管间距等
[
59-60
]
。战洪仁等人
[
61
]
采用管长12 m、管径76 mm、液氨作为工质的低温热管,发现其传热半径200 mm 范围内土壤未冻结,距热管30 mm 和330 mm处土壤温度分别升高约10 ℃和5 ℃,数值模拟表明相邻热管间距400 mm时防冻效果较好。这种试验系统直接舍弃地源热泵,利用低温热管将浅层地热能传递到冻土区,提高冻土区土壤温度,缓解冻胀问题。为了对比未放置热管、单侧放置热管、双侧放置热管情况下土壤的温度分布,Pei等人
[
62
]
将低温重力热管布置在路基,发现双侧放置热管能使地下温度对称且防止地基土退化。为了解决冬季葡萄根部冻害的实际问题,邓改革等人
[
63
]
设计了一款利用热管技术传递地下水热能的系统,通过数值模拟分析了热管在不同间距下对土壤温度分布的影响。数据表明,埋地10 cm的热管水平方向影响半径为15 cm,竖直方向影响半径为16 cm。这项研究为利用热管技术传递地下水热能缓解土壤冻胀问题的实际应用提供了理论依据和技术支撑。为了更好地利用热管优良的导热性,徐丽霞
[
64
]
提出了路基分布式供热优化方案,利用地源热泵结合热管技术来缓解土壤冻胀问题,得出了热管分布间距的最佳值为1.5 m。在徐丽霞等人的研究基础上,胡田飞等人
[
65
]
继续优化,设计了直接膨胀式地源热泵供热装置,改进了间接换热式地源热泵的热管与地源热泵分离的技术,利用地热能的稳定性和储量大的优势来缓解路基土壤冻胀的问题。
除此以外,韩尚天
[
66
]
将融雪技术分为自应力弹性路面铺装技术、改变路面材料凝固点的防冻结技术、导电路面融冰雪技术以及能量转化型融冰雪技术。其中常见的有土壤源热管融冰雪技术,主要是运用热管将地热能传递到路面,融化积雪,这种方法相较于其他融雪技术更节能环保。李冠峰
[
67
]
将除冰融雪技术更细分化,将其分为9种,其中包括土壤蓄热除冰融雪法及太阳能热管融雪法,这两种方法都利用了热管技术,将地热能及太阳能通过热管传递到指定地点,融化道路表面的积雪。陈千寻等人
[
68
]
研究表明,为了融化路面冰雪,利用热管加热法,将地热能通过热管的工质相变循环,由地下土壤传递至路面面层。
这些研究表明,热管技术在缓解土壤冻胀问题上具有巨大的潜力,能有效改善土壤的冻结状态,减少结构损坏。然而,实际应用中仍需考虑热管的设计、材料选择、环境适应性以及长期运行的稳定性等因素。
5.
展望
① 在利用地热能结合热管技术缓解土壤冻胀问题领域,对于较深地热能,仅凭热管很难实现高效提升冻胀土壤的温度。目前对于在地下30 m及以上深度的地热能,需要依靠地源热泵和热管技术的结合才能高效传递以缓解土壤冻胀。
② 尽管热管技术对于土壤冻胀有一定防护作用,但在实际运用中,环境的稳定性与长期的维护成本都是需要考虑的因素。要确保热管在各种可能的环境下仍能稳定长期地运行。
③ 热管技术在实际应用中可能面临较高的成本问题,包括材料成本、制造成本和安装成本,这可能限制热管大规模普及应用。
④ 随着热管技术在多年冻土区路基工程中的深化应用,热管蒸发段的埋深、埋设间距、阴阳坡的差异化设计还需进行优化,缺少相应的实验或数值模拟等系统研究。
⑤ 虽然热管技术在缓解土壤冻胀问题的实际应用中仍需考虑设计、材料选择、环境适应性以及长期运行的稳定性等因素,但对其发展方向研究仍处于成长上升期,具有巨大的潜力。
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1,
2
XU Peng
2
YAN Jin
1
Abstract
The research progress on utilizing heat pipe technology to mitigate soil frost heave is reviewed. The phenomenon of soil frost heave and its management methods are explained. The working principle of heat pipe technology and its research status both domestically and internationally are systematically analyzed. The application practice of heat pipe technology in alleviating soil frost heave is discussed. Research shows that while heat pipe technology still faces practical challenges such as cost control and maintenance management in actual applications,its potential in the field of soil frost heave prevention and control is immense.
Keywords
heat pipe technology
;
soil frost heave
;
geothermal energy
;
solar energy
引用本文:
白钰阳,徐鹏,颜谨.热管技术在缓解土壤冻胀领域的研究进展[J].煤气与热力,2026,46(05):43-50.
第一作者:
白钰阳,女,工程师,硕士,主要从事燃气气质检测技术及热管技术在缓解土壤冻胀中的应用研究。
通讯作者:
徐鹏,男,教授,博士,主要从事城镇燃气管网系统和建筑能源高效利用研究。
中图分类号:
TU996.7
文章编号:
1000-4416(2026)05-0043-08
文献标识码:
A
责任编辑:
刘灵芝
声明:
本文著作权归《煤气与热力》杂志社有限公司所有。