陳 智，湯 黎，肖衡林，王 志

能源地鐵站適應(yīng)性分析

陳 智，湯 黎，肖衡林，王 志

（湖北工業(yè)大學(xué)土木建筑與環(huán)境學(xué)院，湖北武漢430068）

分析地源熱泵技術(shù)在地鐵工程中應(yīng)用的優(yōu)勢(shì)，研究埋管系統(tǒng)對(duì)地鐵的地下結(jié)構(gòu)及周?chē)h(huán)境的影響，介紹能源地鐵站在國(guó)外的實(shí)際應(yīng)用情況及設(shè)計(jì)過(guò)程中所面臨的挑戰(zhàn)，同時(shí)結(jié)合武漢地區(qū)地?zé)豳Y源和以往地?zé)崂梅绞接懻撃茉吹罔F站在武漢地區(qū)的適應(yīng)性，最后總結(jié)能源地鐵站的的應(yīng)用前景。

地源熱泵；能源地鐵站；地下結(jié)構(gòu)；綠色建筑

隨著人們居住的品質(zhì)越來(lái)越高，建筑的空調(diào)系統(tǒng)（供熱和供冷）成為生活必需，這部分能耗占到社會(huì)總能耗的25%～30%。在我國(guó)，大部分地區(qū)主要以煤炭能源作為供熱資源，煤炭能源在燃燒的過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量有毒有害氣體，給環(huán)境帶來(lái)一系列的問(wèn)題。在各種新能源和可再生能源中，地源熱泵系統(tǒng)是一種可持續(xù)的，環(huán)境友好的能源系統(tǒng)，利用地?zé)崮茉垂┡评涞慕ㄖ暇G色建筑設(shè)計(jì)要求［1］。

地表下包含存儲(chǔ)地?zé)崮茉吹木薮鬂摿?，地源熱泵技術(shù)就是充分利用這種能量加熱與冷卻的一種建筑節(jié)能技術(shù)［2］。從20世紀(jì)90年代至今，地源熱泵技術(shù)在世界各地得到了大力發(fā)展與廣泛應(yīng)用。雖然地源熱泵具備經(jīng)濟(jì)、節(jié)能、綠色環(huán)保等眾多優(yōu)點(diǎn)，但并非完美，其不足主要表現(xiàn)在三個(gè)方面：1）項(xiàng)目開(kāi)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(cuò)誤的排放方式污染地下水。

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

1 能源地鐵站的概念

能源地鐵車(chē)站不僅繼承了地源熱泵的優(yōu)點(diǎn)，同樣彌補(bǔ)傳統(tǒng)地源熱泵的不足。在我國(guó)，地鐵站大多建設(shè)在地表以下10～15m深處，土壤中溫度相對(duì)恒定，而作為地鐵站的結(jié)構(gòu)構(gòu)件（如樁、圍護(hù)結(jié)構(gòu)等）同樣也保持在相對(duì)恒溫狀態(tài)［3］。文獻(xiàn)［3］將地鐵站自身優(yōu)勢(shì)與傳統(tǒng)的地源熱泵相結(jié)合，提出“能源地鐵站”概念。能源地鐵站是一種將地鐵站周?chē)翆幼鳛闊嵩矗宰陨淼慕Y(jié)構(gòu)構(gòu)件作為熱交換構(gòu)件，通過(guò)熱泵實(shí)現(xiàn)土壤中地溫能與車(chē)站內(nèi)能量轉(zhuǎn)換的新型建筑節(jié)能技術(shù)。在冬季為供暖模式，通過(guò)埋藏在結(jié)構(gòu)構(gòu)件（樁基、基礎(chǔ)底板、圍護(hù)結(jié)構(gòu)）的熱交換管、進(jìn)出口水管將儲(chǔ)存在土壤中的熱量轉(zhuǎn)移出來(lái)，并通過(guò)采暖空調(diào)末端釋放房間內(nèi)，從而實(shí)現(xiàn)冬季采暖。在夏季為制冷模式，利用水在進(jìn)出口水管中的流動(dòng)實(shí)現(xiàn)與大地土壤的冷熱交換，從而使車(chē)站內(nèi)風(fēng)機(jī)盤(pán)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(duì)大氣的污染。

能源地鐵站將環(huán)保節(jié)能的理念應(yīng)用在地下軌道交通中，不僅保證了地鐵站暖通系統(tǒng)的正常運(yùn)行，同時(shí)節(jié)約了能源的消耗，是利用低溫能的全新領(lǐng)域，具有巨大的環(huán)保和經(jīng)濟(jì)價(jià)值［4］。

2 能源地鐵站的優(yōu)勢(shì)

能源地鐵站將傳統(tǒng)地源熱泵技術(shù)優(yōu)點(diǎn)與自身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)相結(jié)合，有以下優(yōu)勢(shì)。

第一，能源地鐵站是將自身結(jié)構(gòu)構(gòu)件作為熱交換元件，因此換熱器在施工的過(guò)程中不需要對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行額外鉆孔，樁基、圍護(hù)結(jié)構(gòu)、結(jié)構(gòu)底板的完整性不會(huì)破壞，結(jié)構(gòu)力學(xué)性能不會(huì)被破壞，從而不會(huì)影響構(gòu)建的承載性。能源地鐵站通過(guò)將換熱管預(yù)埋的方式不僅降低了初期投資的費(fèi)用，而且使經(jīng)濟(jì)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(guò)預(yù)埋的方式與樁基、結(jié)構(gòu)底板等構(gòu)件結(jié)合在一起，使土壤源熱泵系統(tǒng)在施工中需要占用大量的地下空間進(jìn)行埋管的問(wèn)題得到解決，節(jié)約了地下空間。因此，能源地鐵站技術(shù)可以在我國(guó)人口密集的大城市得到應(yīng)用。

第三，能源地鐵站中的換熱系統(tǒng)與傳統(tǒng)的水源熱泵系統(tǒng)的運(yùn)行方式不同，換熱系統(tǒng)之間采用閉合的回路方式，不會(huì)將系統(tǒng)中的有害水體排放到地下水中，而且換熱系統(tǒng)在施工時(shí)期就已經(jīng)埋設(shè)在結(jié)構(gòu)構(gòu)件中。由此可見(jiàn)，能源地鐵站的運(yùn)行方式解決了水源熱泵系統(tǒng)污染地下水的問(wèn)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(shè)計(jì)中所面臨挑戰(zhàn)

雖然能源地鐵站正在越來(lái)越多的使用和研究，但是由于缺乏標(biāo)準(zhǔn)化的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試程序和長(zhǎng)期的地鐵站案例運(yùn)營(yíng)研究，加之不同地區(qū)氣候與土壤條件的影響，都給能源地鐵站的設(shè)計(jì)帶來(lái)挑戰(zhàn)。在弗吉尼亞理工大學(xué)和深基礎(chǔ)研究所主辦的研討會(huì)上提出了能源地鐵站設(shè)計(jì)中所面臨的挑戰(zhàn)［5］。

3.1 多重循環(huán)溫度荷載對(duì)結(jié)構(gòu)的影響

能源地鐵站的結(jié)構(gòu)構(gòu)件在正常使用應(yīng)力荷載作用下，如果受到溫升或溫降的耦合作用（結(jié)構(gòu)構(gòu)件周?chē)膸r層溫度變化較小），則樁身有比周?chē)鷰r土體更大的沿樁長(zhǎng)和樁徑方向熱脹或冷縮的趨勢(shì)。因此樁體的溫度變形受到樁側(cè)、樁尖巖土體以及樁頂端結(jié)構(gòu)的制約，樁身會(huì)產(chǎn)生不可忽視的附加溫度壓應(yīng)力（溫升）或附加溫度拉壓力（溫降）。周?chē)鷰r土體約束作用越明顯，這些附加應(yīng)力則越大。而且在樁身受到非對(duì)稱(chēng)熱膨脹或收縮時(shí)，這些附加溫度應(yīng)力的大小沿樁長(zhǎng)分布不均勻，峰值位置以及分布規(guī)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(fā)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(shí)，這些樁身附加溫度應(yīng)力產(chǎn)生，是由于樁與土界面上正應(yīng)力、摩擦力和樁端阻力的變化而導(dǎo)致的，而樁土界面與樁端阻力的變化，會(huì)引起樁的沉降或隆起。這些都是能源地鐵站樁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中需要解決的問(wèn)題［6］。

圖4 制冷情況下引起的樁土相互作用

3.2 群樁效應(yīng)的影響

能源地鐵站地下結(jié)構(gòu)樁基在熱膨脹與熱收縮的過(guò)程，會(huì)對(duì)相鄰的樁基產(chǎn)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(yīng)的影響，當(dāng)樁或者熱交換構(gòu)件緊密排布時(shí)，熱交換效率與系統(tǒng)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(gòu)造形式是設(shè)計(jì)人員需要考慮的。

3.3 能源地鐵站換熱量的影響

能源樁設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵是能否實(shí)現(xiàn)熱交換量的平衡，即在夏季能否通過(guò)循環(huán)水降低室內(nèi)溫度或在冬季通過(guò)循環(huán)水升高室內(nèi)溫度。通過(guò)計(jì)算進(jìn)出口的溫度差，前期的有限元數(shù)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(qū)的適用性討論

4.1 能源地鐵站的優(yōu)點(diǎn)

1）可再生能源：地?zé)崮軐偾鍧嵞茉矗沙掷m(xù)使用。

2）高效節(jié)能：傳熱快效果好，比傳統(tǒng)的空調(diào)系統(tǒng)節(jié)約30%～50%。

3）運(yùn)行費(fèi)用低：地下空間溫度變化小，熱泵系統(tǒng)運(yùn)行高效經(jīng)濟(jì)。

4）環(huán)境效應(yīng)：在運(yùn)行的過(guò)程中不會(huì)產(chǎn)生環(huán)境污染。

5）穩(wěn)定可靠：熱交換構(gòu)件處于溫度恒定的土壤中，系統(tǒng)工作穩(wěn)定。

6）施工方便：可以與樁基施工協(xié)同進(jìn)行，工程量少，額外費(fèi)用低。

4.2 武漢地區(qū)能源地鐵站適應(yīng)性討論

武漢中心能源樁項(xiàng)目的成功應(yīng)用，可以說(shuō)明能源地鐵站在武漢地區(qū)是可行的。

第一，通過(guò)巖土勘察報(bào)告得知，武漢地區(qū)土質(zhì)較軟，各類(lèi)建筑均適合樁基礎(chǔ)。在樁基設(shè)計(jì)中，樁的沉降控制是最為重要的，隨著樁基的廣泛應(yīng)用和巖土工程學(xué)科的快速發(fā)展，樁基沉降計(jì)算方法得到突破。由于武漢地區(qū)樁基礎(chǔ)的廣泛應(yīng)用，積累了對(duì)樁基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)、施工、監(jiān)測(cè)、質(zhì)量控制、糾偏以及應(yīng)急處理的大量施工實(shí)例和經(jīng)驗(yàn)，能源地鐵站的推廣有了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

第二，武漢地區(qū)作為我國(guó)一線城市，人口眾多，對(duì)能源消耗大，且地下空間已經(jīng)開(kāi)發(fā)過(guò)度，武漢地區(qū)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?zé)徇M(jìn)行換熱，而地鐵站中的換熱構(gòu)件本身就在地面以下十幾米甚至幾十米的范圍內(nèi)，無(wú)需額外開(kāi)發(fā)地下空間。

5 結(jié)束語(yǔ)

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(tǒng)設(shè)立在地下工程基坑圍護(hù)墻內(nèi)、基礎(chǔ)底板下和樁基內(nèi)，與地下工程部分結(jié)構(gòu)一起形成地下?lián)Q熱器，從地層中獲得地?zé)崮埽粌H繼承傳統(tǒng)地源熱泵技術(shù)優(yōu)點(diǎn)，而且解決了在城市中推廣地源熱泵技術(shù)中占地和成本高兩個(gè)主要障礙。在我國(guó)，地鐵建設(shè)在大中型城市中蓬勃興起，必須抓住時(shí)機(jī)，加快推廣這項(xiàng)新型的節(jié)能技術(shù)。

［1］ 徐偉.中國(guó)地源熱泵發(fā)展研究報(bào)告（2008）［M］.北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2008.

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

［3］ 夏才初，曹詩(shī)定，王偉.能源地下工程的概念、應(yīng)用與前景展望［J］.地下空間與工程學(xué)報(bào)，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(zé)任編校：張巖芳］

1003－4684（2017）04－0104－03

2016－06－13

教育部新世紀(jì)優(yōu)秀人才支持計(jì)劃（NCET－11－0962）；湖北省科技廳重點(diǎn)項(xiàng)目（2012FFB00606）；國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51178166）

陳 智（1988－），男，湖北黃岡人，工學(xué)博士，研究方向?yàn)閹r土工程

肖衡林（1977－），男，湖南衡陽(yáng)人，湖北工業(yè)大學(xué)教授，研究方向?yàn)榄h(huán)境巖土工程，光纖監(jiān)測(cè)