能源地铁站适应性分析

陈 智，汤 黎，肖衡林，王 志

能源地铁站适应性分析

陈 智，汤 黎，肖衡林，王 志

（湖北工业大学土木建筑与环境学院，湖北武汉430068）

分析地源热泵技术在地铁工程中应用的优势，研究埋管系统对地铁的地下结构及周围环境的影响，介绍能源地铁站在国外的实际应用情况及设计过程中所面临的挑战，同时结合武汉地区地热资源和以往地热利用方式讨论能源地铁站在武汉地区的适应性，最后总结能源地铁站的的应用前景。

地源热泵；能源地铁站；地下结构；绿色建筑

随着人们居住的品质越来越高，建筑的空调系统（供热和供冷）成为生活必需，这部分能耗占到社会总能耗的25%～30%。在我国，大部分地区主要以煤炭能源作为供热资源，煤炭能源在燃烧的过程中会产生大量有毒有害气体，给环境带来一系列的问题。在各种新能源和可再生能源中，地源热泵系统是一种可持续的，环境友好的能源系统，利用地热能源供暖／制冷的建筑，符合绿色建筑设计要求［1］。

地表下包含存储地热能源的巨大潜力，地源热泵技术就是充分利用这种能量加热与冷却的一种建筑节能技术［2］。从20世纪90年代至今，地源热泵技术在世界各地得到了大力发展与广泛应用。虽然地源热泵具备经济、节能、绿色环保等众多优点，但并非完美，其不足主要表现在三个方面：1）项目开始投入资金偏高，2）不合理的布置方式占用了地下空间，3）错误的排放方式污染地下水。

本文将地铁工程与传统的地源热泵相结合，提出能源地铁站的概念，从而解决传统地源热泵在人口密集的大城市应用的缺陷。

1 能源地铁站的概念

能源地铁车站不仅继承了地源热泵的优点，同样弥补传统地源热泵的不足。在我国，地铁站大多建设在地表以下10～15m深处，土壤中温度相对恒定，而作为地铁站的结构构件（如桩、围护结构等）同样也保持在相对恒温状态［3］。文献［3］将地铁站自身优势与传统的地源热泵相结合，提出“能源地铁站”概念。能源地铁站是一种将地铁站周围土层作为热源，以自身的结构构件作为热交换构件，通过热泵实现土壤中地温能与车站内能量转换的新型建筑节能技术。在冬季为供暖模式，通过埋藏在结构构件（桩基、基础底板、围护结构）的热交换管、进出口水管将储存在土壤中的热量转移出来，并通过采暖空调末端释放房间内，从而实现冬季采暖。在夏季为制冷模式，利用水在进出口水管中的流动实现与大地土壤的冷热交换，从而使车站内风机盘管制冷。能源地铁站在这两种模式下有效的利用了低温能，降低了矿物燃料对大气的污染。

能源地铁站将环保节能的理念应用在地下轨道交通中，不仅保证了地铁站暖通系统的正常运行，同时节约了能源的消耗，是利用低温能的全新领域，具有巨大的环保和经济价值［4］。

2 能源地铁站的优势

能源地铁站将传统地源热泵技术优点与自身的结构特点相结合，有以下优势。

第一，能源地铁站是将自身结构构件作为热交换元件，因此换热器在施工的过程中不需要对结构进行额外钻孔，桩基、围护结构、结构底板的完整性不会破坏，结构力学性能不会被破坏，从而不会影响构建的承载性。能源地铁站通过将换热管预埋的方式不仅降低了初期投资的费用，而且使经济性更加突出。

第二，能源地铁站在施工前期将换热器及换热元件通过预埋的方式与桩基、结构底板等构件结合在一起，使土壤源热泵系统在施工中需要占用大量的地下空间进行埋管的问题得到解决，节约了地下空间。因此，能源地铁站技术可以在我国人口密集的大城市得到应用。

第三，能源地铁站中的换热系统与传统的水源热泵系统的运行方式不同，换热系统之间采用闭合的回路方式，不会将系统中的有害水体排放到地下水中，而且换热系统在施工时期就已经埋设在结构构件中。由此可见，能源地铁站的运行方式解决了水源热泵系统污染地下水的问题。

图1 能源地铁站三维示意图

图2 能源地铁站断面图

3 能源地铁站在设计中所面临挑战

虽然能源地铁站正在越来越多的使用和研究，但是由于缺乏标准化的现场测试程序和长期的地铁站案例运营研究，加之不同地区气候与土壤条件的影响，都给能源地铁站的设计带来挑战。在弗吉尼亚理工大学和深基础研究所主办的研讨会上提出了能源地铁站设计中所面临的挑战［5］。

3.1 多重循环温度荷载对结构的影响

能源地铁站的结构构件在正常使用应力荷载作用下，如果受到温升或温降的耦合作用（结构构件周围的岩层温度变化较小），则桩身有比周围岩土体更大的沿桩长和桩径方向热胀或冷缩的趋势。因此桩体的温度变形受到桩侧、桩尖岩土体以及桩顶端结构的制约，桩身会产生不可忽视的附加温度压应力（温升）或附加温度拉压力（温降）。周围岩土体约束作用越明显，这些附加应力则越大。而且在桩身受到非对称热膨胀或收缩时，这些附加温度应力的大小沿桩长分布不均匀，峰值位置以及分布规律受到岩土层分布、桩两端约束条件的影响，可能使桩基以上的建筑物发生倾斜，所以不同情况下的热膨胀或收缩必须分别考虑（图3、图4）。同时，这些桩身附加温度应力产生，是由于桩与土界面上正应力、摩擦力和桩端阻力的变化而导致的，而桩土界面与桩端阻力的变化，会引起桩的沉降或隆起。这些都是能源地铁站桩结构设计中需要解决的问题［6］。

图4 制冷情况下引起的桩土相互作用

3.2 群桩效应的影响

能源地铁站地下结构桩基在热膨胀与热收缩的过程，会对相邻的桩基产生热干扰，影响热交换元件的换热效率［7］。这就是所谓群桩效应的影响，当桩或者热交换构件紧密排布时，热交换效率与系统效率受到影响，在地下空间稀缺的大城市，桩基的间距以及其几何构造形式是设计人员需要考虑的。

3.3 能源地铁站换热量的影响

能源桩设计中的关键是能否实现热交换量的平衡，即在夏季能否通过循环水降低室内温度或在冬季通过循环水升高室内温度。通过计算进出口的温度差，前期的有限元数值模拟中，入口温度为40℃、35℃、30℃、25℃、20℃、10℃、5℃，伴随着入口温度降低，入水口与出水口温差降低，换热能力下降。

图5 温度分布图

4 能源地铁站在武汉地区的适用性讨论

4.1 能源地铁站的优点

1）可再生能源：地热能属清洁能源，可持续使用。

2）高效节能：传热快效果好，比传统的空调系统节约30%～50%。

3）运行费用低：地下空间温度变化小，热泵系统运行高效经济。

4）环境效应：在运行的过程中不会产生环境污染。

5）稳定可靠：热交换构件处于温度恒定的土壤中，系统工作稳定。

6）施工方便：可以与桩基施工协同进行，工程量少，额外费用低。

4.2 武汉地区能源地铁站适应性讨论

武汉中心能源桩项目的成功应用，可以说明能源地铁站在武汉地区是可行的。

第一，通过岩土勘察报告得知，武汉地区土质较软，各类建筑均适合桩基础。在桩基设计中，桩的沉降控制是最为重要的，随着桩基的广泛应用和岩土工程学科的快速发展，桩基沉降计算方法得到突破。由于武汉地区桩基础的广泛应用，积累了对桩基础的设计、施工、监测、质量控制、纠偏以及应急处理的大量施工实例和经验，能源地铁站的推广有了坚实的基础。

第二，武汉地区作为我国一线城市，人口众多，对能源消耗大，且地下空间已经开发过度，武汉地区的地下空间的使用受到了一定的限制。由于能源桩需要在一定的深度以下才能利用地热进行换热，而地铁站中的换热构件本身就在地面以下十几米甚至几十米的范围内，无需额外开发地下空间。

5 结束语

能源地铁站常年保持在一定埋深的恒定温度地层中，将换热管系统设立在地下工程基坑围护墙内、基础底板下和桩基内，与地下工程部分结构一起形成地下换热器，从地层中获得地热能，不仅继承传统地源热泵技术优点，而且解决了在城市中推广地源热泵技术中占地和成本高两个主要障碍。在我国，地铁建设在大中型城市中蓬勃兴起，必须抓住时机，加快推广这项新型的节能技术。

［1］ 徐伟.中国地源热泵发展研究报告（2008）［M］.北京：中国建筑工业出版社，2008.

［2］ 张佩芳.地源热泵在国外的发展概况及其在我国应用前景初探［J］.制冷与空调，2003，3（3）：12－15.

［3］ 夏才初，曹诗定，王伟.能源地下工程的概念、应用与前景展望［J］.地下空间与工程学报，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

［责任编校：张岩芳］

1003－4684（2017）04－0104－03

2016－06－13

教育部新世纪优秀人才支持计划（NCET－11－0962）；湖北省科技厅重点项目（2012FFB00606）；国家自然科学基金项目（51178166）

陈 智（1988－），男，湖北黄冈人，工学博士，研究方向为岩土工程

肖衡林（1977－），男，湖南衡阳人，湖北工业大学教授，研究方向为环境岩土工程，光纤监测