能源地鐵站適應性分析

陳 智，湯 黎，肖衡林，王 志

能源地鐵站適應性分析

陳 智，湯 黎，肖衡林，王 志

（湖北工業大學土木建筑與環境學院，湖北武漢430068）

分析地源熱泵技術在地鐵工程中應用的優勢，研究埋管系統對地鐵的地下結構及周圍環境的影響，介紹能源地鐵站在國外的實際應用情況及設計過程中所面臨的挑戰，同時結合武漢地區地熱資源和以往地熱利用方式討論能源地鐵站在武漢地區的適應性，最后總結能源地鐵站的的應用前景。

地源熱泵；能源地鐵站；地下結構；綠色建筑

隨著人們居住的品質越來越高，建筑的空調系統（供熱和供冷）成為生活必需，這部分能耗占到社會總能耗的25%～30%。在我國，大部分地區主要以煤炭能源作為供熱資源，煤炭能源在燃燒的過程中會產生大量有毒有害氣體，給環境帶來一系列的問題。在各種新能源和可再生能源中，地源熱泵系統是一種可持續的，環境友好的能源系統，利用地熱能源供暖／制冷的建筑，符合綠色建筑設計要求［1］。

地表下包含存儲地熱能源的巨大潛力，地源熱泵技術就是充分利用這種能量加熱與冷卻的一種建筑節能技術［2］。從20世紀90年代至今，地源熱泵技術在世界各地得到了大力發展與廣泛應用。雖然地源熱泵具備經濟、節能、綠色環保等眾多優點，但并非完美，其不足主要表現在三個方面：1）項目開始投入資金偏高，2）不合理的布置方式占用了地下空間，3）錯誤的排放方式污染地下水。

本文將地鐵工程與傳統的地源熱泵相結合，提出能源地鐵站的概念，從而解決傳統地源熱泵在人口密集的大城市應用的缺陷。

1 能源地鐵站的概念

能源地鐵車站不僅繼承了地源熱泵的優點，同樣彌補傳統地源熱泵的不足。在我國，地鐵站大多建設在地表以下10～15m深處，土壤中溫度相對恒定，而作為地鐵站的結構構件（如樁、圍護結構等）同樣也保持在相對恒溫狀態［3］。文獻［3］將地鐵站自身優勢與傳統的地源熱泵相結合，提出“能源地鐵站”概念。能源地鐵站是一種將地鐵站周圍土層作為熱源，以自身的結構構件作為熱交換構件，通過熱泵實現土壤中地溫能與車站內能量轉換的新型建筑節能技術。在冬季為供暖模式，通過埋藏在結構構件（樁基、基礎底板、圍護結構）的熱交換管、進出口水管將儲存在土壤中的熱量轉移出來，并通過采暖空調末端釋放房間內，從而實現冬季采暖。在夏季為制冷模式，利用水在進出口水管中的流動實現與大地土壤的冷熱交換，從而使車站內風機盤管制冷。能源地鐵站在這兩種模式下有效的利用了低溫能，降低了礦物燃料對大氣的污染。

能源地鐵站將環保節能的理念應用在地下軌道交通中，不僅保證了地鐵站暖通系統的正常運行，同時節約了能源的消耗，是利用低溫能的全新領域，具有巨大的環保和經濟價值［4］。

2 能源地鐵站的優勢

能源地鐵站將傳統地源熱泵技術優點與自身的結構特點相結合，有以下優勢。

第一，能源地鐵站是將自身結構構件作為熱交換元件，因此換熱器在施工的過程中不需要對結構進行額外鉆孔，樁基、圍護結構、結構底板的完整性不會破壞，結構力學性能不會被破壞，從而不會影響構建的承載性。能源地鐵站通過將換熱管預埋的方式不僅降低了初期投資的費用，而且使經濟性更加突出。

第二，能源地鐵站在施工前期將換熱器及換熱元件通過預埋的方式與樁基、結構底板等構件結合在一起，使土壤源熱泵系統在施工中需要占用大量的地下空間進行埋管的問題得到解決，節約了地下空間。因此，能源地鐵站技術可以在我國人口密集的大城市得到應用。

第三，能源地鐵站中的換熱系統與傳統的水源熱泵系統的運行方式不同，換熱系統之間采用閉合的回路方式，不會將系統中的有害水體排放到地下水中，而且換熱系統在施工時期就已經埋設在結構構件中。由此可見，能源地鐵站的運行方式解決了水源熱泵系統污染地下水的問題。

圖1 能源地鐵站三維示意圖

圖2 能源地鐵站斷面圖

3 能源地鐵站在設計中所面臨挑戰

雖然能源地鐵站正在越來越多的使用和研究，但是由于缺乏標準化的現場測試程序和長期的地鐵站案例運營研究，加之不同地區氣候與土壤條件的影響，都給能源地鐵站的設計帶來挑戰。在弗吉尼亞理工大學和深基礎研究所主辦的研討會上提出了能源地鐵站設計中所面臨的挑戰［5］。

3.1 多重循環溫度荷載對結構的影響

能源地鐵站的結構構件在正常使用應力荷載作用下，如果受到溫升或溫降的耦合作用（結構構件周圍的巖層溫度變化較小），則樁身有比周圍巖土體更大的沿樁長和樁徑方向熱脹或冷縮的趨勢。因此樁體的溫度變形受到樁側、樁尖巖土體以及樁頂端結構的制約，樁身會產生不可忽視的附加溫度壓應力（溫升）或附加溫度拉壓力（溫降）。周圍巖土體約束作用越明顯，這些附加應力則越大。而且在樁身受到非對稱熱膨脹或收縮時，這些附加溫度應力的大小沿樁長分布不均勻，峰值位置以及分布規律受到巖土層分布、樁兩端約束條件的影響，可能使樁基以上的建筑物發生傾斜，所以不同情況下的熱膨脹或收縮必須分別考慮（圖3、圖4）。同時，這些樁身附加溫度應力產生，是由于樁與土界面上正應力、摩擦力和樁端阻力的變化而導致的，而樁土界面與樁端阻力的變化，會引起樁的沉降或隆起。這些都是能源地鐵站樁結構設計中需要解決的問題［6］。

圖4 制冷情況下引起的樁土相互作用

3.2 群樁效應的影響

能源地鐵站地下結構樁基在熱膨脹與熱收縮的過程，會對相鄰的樁基產生熱干擾，影響熱交換元件的換熱效率［7］。這就是所謂群樁效應的影響，當樁或者熱交換構件緊密排布時，熱交換效率與系統效率受到影響，在地下空間稀缺的大城市，樁基的間距以及其幾何構造形式是設計人員需要考慮的。

3.3 能源地鐵站換熱量的影響

能源樁設計中的關鍵是能否實現熱交換量的平衡，即在夏季能否通過循環水降低室內溫度或在冬季通過循環水升高室內溫度。通過計算進出口的溫度差，前期的有限元數值模擬中，入口溫度為40℃、35℃、30℃、25℃、20℃、10℃、5℃，伴隨著入口溫度降低，入水口與出水口溫差降低，換熱能力下降。

圖5 溫度分布圖

4 能源地鐵站在武漢地區的適用性討論

4.1 能源地鐵站的優點

1）可再生能源：地熱能屬清潔能源，可持續使用。

2）高效節能：傳熱快效果好，比傳統的空調系統節約30%～50%。

3）運行費用低：地下空間溫度變化小，熱泵系統運行高效經濟。

4）環境效應：在運行的過程中不會產生環境污染。

5）穩定可靠：熱交換構件處于溫度恒定的土壤中，系統工作穩定。

6）施工方便：可以與樁基施工協同進行，工程量少，額外費用低。

4.2 武漢地區能源地鐵站適應性討論

武漢中心能源樁項目的成功應用，可以說明能源地鐵站在武漢地區是可行的。

第一，通過巖土勘察報告得知，武漢地區土質較軟，各類建筑均適合樁基礎。在樁基設計中，樁的沉降控制是最為重要的，隨著樁基的廣泛應用和巖土工程學科的快速發展，樁基沉降計算方法得到突破。由于武漢地區樁基礎的廣泛應用，積累了對樁基礎的設計、施工、監測、質量控制、糾偏以及應急處理的大量施工實例和經驗，能源地鐵站的推廣有了堅實的基礎。

第二，武漢地區作為我國一線城市，人口眾多，對能源消耗大，且地下空間已經開發過度，武漢地區的地下空間的使用受到了一定的限制。由于能源樁需要在一定的深度以下才能利用地熱進行換熱，而地鐵站中的換熱構件本身就在地面以下十幾米甚至幾十米的范圍內，無需額外開發地下空間。

5 結束語

能源地鐵站常年保持在一定埋深的恒定溫度地層中，將換熱管系統設立在地下工程基坑圍護墻內、基礎底板下和樁基內，與地下工程部分結構一起形成地下換熱器，從地層中獲得地熱能，不僅繼承傳統地源熱泵技術優點，而且解決了在城市中推廣地源熱泵技術中占地和成本高兩個主要障礙。在我國，地鐵建設在大中型城市中蓬勃興起，必須抓住時機，加快推廣這項新型的節能技術。

［1］ 徐偉.中國地源熱泵發展研究報告（2008）［M］.北京：中國建筑工業出版社，2008.

［2］ 張佩芳.地源熱泵在國外的發展概況及其在我國應用前景初探［J］.制冷與空調，2003，3（3）：12－15.

［3］ 夏才初，曹詩定，王偉.能源地下工程的概念、應用與前景展望［J］.地下空間與工程學報，2009，5（3）：419.

［4］ Brandl，H.Energy foundations and other thermoac2tive ground structures［J］.Geotechnique，2006，56（2）：81－122.

［5］ Ground Source Heat Pump Association（GSHPA）.Thermal pile design，installation ＆materials standards［M］.Milton Keynes，UK：National Energy Centre，2013.

［6］ Bourne－Webb P J.Amatya B，Soga K，et al.Energy piletest at Lambeth College，London：geotechnical and thermodynamic aspects of pile response to heat cycles［J］.Géotechnique，2009，59（3）：237－248.

［7］ Amis T，Bourne－Webb P J，Davidson Chris，et al.Theeffects of heating and cooling energy piles under working load at Lambeth College，UK［C］∥New York：33rd Annual ＆11th International Conference Proceedings－2008Conference Proceedings DFI Conference－2008，2008.

An Analysis of the Adaptability of Energy Subway Station

CHEN Zhi，TANG Li，XIAO Henglin，WANG Zhi
（School of Civil Engineering，Architecture and Environment，Hubei Univ.of Tech.，Wuhan 430068，China）

This paper puts forward the concept of energy station，and analyzes the advantages of applying ground source heat pump technology into metro engineering.It studies the influence of buried pipe system on the underground structure and surrounding environment of the subway，and introduces the actual application situation of the energy station abroad and the challenges faced in the process of design.Combined with the ways of using geothermal resources in Wuhan and those in the past，the paper discusses the adaptability of energy subway station in Wuhan.It finally summarizes the application prospect of power station.

ground source heat pump；energy station；underground structures；the green building

TK123

A

［責任編校：張巖芳］

1003－4684（2017）04－0104－03

2016－06－13

教育部新世紀優秀人才支持計劃（NCET－11－0962）；湖北省科技廳重點項目（2012FFB00606）；國家自然科學基金項目（51178166）

陳 智（1988－），男，湖北黃岡人，工學博士，研究方向為巖土工程

肖衡林（1977－），男，湖南衡陽人，湖北工業大學教授，研究方向為環境巖土工程，光纖監測