路面下水平地埋管熱響應試驗與數值模擬研究*

朱敦銘 Foong Shen Yang 李云安

(①中國地質大學(武漢)工程學院，武漢 430074，中國)(②墨爾本大學工程學院，墨爾本 3000，澳大利亞)

0 引 言

地熱能憑借其環境友好、儲量大、分布廣等特點，被廣泛用于替代傳統化石能源(劉凱等，2018)。此外，與其他可再生能源(如太陽能和風能)相比，地熱能受氣象條件影響較小且其成本效益較高(Congedo et al.，2012; Narsilio et al.，2014)。我國淺層地熱能資源量等同于約95×108it標準煤，開發前景廣闊(李建明等，2018)，其高效利用對于推進我國經濟社會可持續發展，緩解我國特別是北方地區霧霾情況具有重大意義(劉東林等，2019)。

淺層地熱能的主要利用方式之一是地源熱泵系統通過地埋管換熱器(GHE)與土壤進行熱交換從而實現空間加熱或冷卻(Self et al.，2013)。目前，水平式地埋管換熱器面臨的主要挑戰是溝槽開挖費用占前期安裝成本的絕大部分且需要大面積的土地進行安裝。為此，部分學者開始研究道路下或隧道襯砌等結構內地埋管換熱器熱響應特性及換熱性能。與傳統方案相比，該方案可節約溝槽開挖或鉆孔成本、土地使用面積以及安裝時間。Brandl(2006)設計了一套地源熱泵系統，將地埋管換熱器安裝在隧道襯砌結構內，并對該系統換熱性能進行了研究，結果表明：該系統可有效防止隧道霜凍破壞并可為附近的學校提供有效的空間加熱和冷卻。Lai et al.(2018)在中國某寒冷地區隧道襯砌結構內和路面下安裝了地埋管換熱器，通過熱響應試驗(TRT)對地源熱泵系統換熱性能進行探究，結果表明：相較于傳統的寒冷地區隧道加熱/保溫措施(隔熱層/門，電加熱系統)，地源熱泵系統具有加熱效果良好、成本較低和節約能源的優勢。……