黃 俊， 董盛時(shí), *， 季紅玲， 張忠宇， 楊 奎， 陳 聰， 董 飛， 葛 棟

(1. 蘇交科集團(tuán)股份有限公司， 江蘇 南京 210019; 2. 江蘇省水下隧道綠色智慧技術(shù)工程研究中心， 江蘇 南京 210019)

0 引言

近幾年，我國城市隧道發(fā)展迅速，隧道交通形式越來越復(fù)雜，其中城市隧道敞開段縱坡最大可達(dá)5%[1]。相關(guān)研究表明，交通事故率隨著道路縱坡坡度的增加而上升[2]。同時(shí),隧道敞開段暴露在外部環(huán)境中，雨雪天氣給車輛在該段路面的駕駛安全提出了考驗(yàn)。以南京地區(qū)為例，根據(jù)相關(guān)研究統(tǒng)計(jì)[3]，南京地區(qū)在1960—2007年間路面積雪和結(jié)冰的平均天數(shù)分別為8 d和50 d，其中,2007年積雪深度達(dá)到36 mm。此外，南京地區(qū)在2008年和2018年都經(jīng)歷了較大程度的降雪，因此，隧道敞開段路面融雪除冰就顯得十分必要。

傳統(tǒng)融雪除冰方法效率低、后處理、融雪不徹底甚至存在污染[4]，有學(xué)者開始關(guān)注更加高效、節(jié)能、環(huán)保的道路路面防結(jié)冰技術(shù)。其中，采用地?zé)峁芊ㄟM(jìn)行路面防結(jié)冰的方法得到了國內(nèi)外學(xué)者們的關(guān)注。地?zé)峁芊ㄊ菍⒌叵聨r土體或者水體的熱能提取出來，用以實(shí)現(xiàn)路面防結(jié)冰。美國、北歐和日本等發(fā)達(dá)國家較早開展了相關(guān)的研究工作，并進(jìn)行了一些工程應(yīng)用。例如，美國華爾街道橋融雪化冰系統(tǒng)[5]、瑞士AS高速公路路橋工程[6]以及日本巖手縣建成的路面融雪化冰系統(tǒng)[7]等。目前，已有的大部分工程案例是通過鉆孔埋管的形式提取地下的淺層地?zé)崮埽抑饕獞?yīng)用于高速公路、橋梁以及機(jī)場停機(jī)坪[8-9]。

對于城市隧道，如果采用鉆孔埋管的形式提取淺層地?zé)崮?，將大量占用城市地下空間資源，不利于城市后期的開發(fā)。城市隧道擁有明挖隧道的樁基礎(chǔ)、連續(xù)墻等支護(hù)結(jié)構(gòu)，以及盾構(gòu)隧道的襯砌管片。已有研究成果表明這些地下結(jié)構(gòu)是淺層地?zé)崮芾玫牧己幂d體[10-13]，如果能夠?qū)⑦@些結(jié)構(gòu)利用起來，通過這些結(jié)構(gòu)提取淺層地?zé)崮?，不僅能提高地下?lián)Q熱器的換熱性能，而且能節(jié)省大量的鉆孔費(fèi)用和地下空間資源。然而，目前利用地下結(jié)構(gòu)提取淺層地?zé)崮苡糜谒淼缆访娣澜Y(jié)冰的研究鮮有報(bào)道，只開展了零星的試驗(yàn)研究[4]，對于其系統(tǒng)設(shè)計(jì)與運(yùn)行的可靠性、節(jié)能環(huán)保效果還缺乏足夠的認(rèn)識(shí)。

因此，本文提出利用隧道樁基礎(chǔ)提取淺層地?zé)崮苓M(jìn)行路面防結(jié)冰的系統(tǒng)原理及運(yùn)行理論，結(jié)合清涼門隧道工程進(jìn)行城市隧道地?zé)岱澜Y(jié)冰系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，論證設(shè)計(jì)方案及系統(tǒng)運(yùn)行的可行性，并探究系統(tǒng)運(yùn)行的節(jié)能環(huán)保效果。

1 城市隧道樁基礎(chǔ)地?zé)岱澜Y(jié)冰系統(tǒng)原理與理論分析

1.1 隧道樁基礎(chǔ)地?zé)岱澜Y(jié)冰技術(shù)原理

隧道樁基礎(chǔ)地?zé)岱澜Y(jié)冰系統(tǒng)包括隧道樁基礎(chǔ)內(nèi)熱交換器、水源熱泵機(jī)組和路面?zhèn)葻峤粨Q器3個(gè)主要部分,見圖1。隧道樁基礎(chǔ)內(nèi)熱交換器連接的是水源熱泵機(jī)組的蒸發(fā)器側(cè)，熱交換器內(nèi)循環(huán)的是低于地下巖土體的冷水，通過提取樁基礎(chǔ)以及周圍巖土體中的熱能,使得蒸發(fā)器中的液體介質(zhì)吸熱變成低溫低壓氣體進(jìn)入到壓縮機(jī)中。在壓縮機(jī)中，低溫低壓氣體通過壓縮機(jī)壓縮變成高溫高壓氣體進(jìn)入冷凝器，路面內(nèi)熱交換器在冷凝器發(fā)生換熱，溫度升高后通過路面內(nèi)循環(huán)將熱量傳輸?shù)铰访鎸?以達(dá)到防結(jié)冰的目的。

1—壓縮機(jī)； 2—油分離器； 3—冷凝器； 4—液體接收器； 5—過濾器； 6—電子膨脹閥； 7—蒸發(fā)器； 8—?dú)庖悍蛛x器； 9—循環(huán)泵； 10—閥門； 11—能源樁埋管； 12—路面下埋管；—壓力傳感器； —溫度傳感器； —流量計(jì)。

1.2 路面下埋管融雪熱負(fù)荷模型

路面下埋管與樁埋管都是將換熱管敷設(shè)在混凝土結(jié)構(gòu)層中。對于地面以下部分，兩者之間的傳熱機(jī)制類似，唯一不同的是樁基換熱管內(nèi)是低于周圍巖土體溫度的冷水，而路面下埋管內(nèi)是用于防結(jié)冰的熱水。路面下埋管上部要與外部環(huán)境接觸，情況更為復(fù)雜，因此，本文僅針對路面融雪過程的傳熱理論進(jìn)行分析。

路面融雪過程中，首先將雪由環(huán)境溫度提升至0 ℃融化，形成雪水，然后雪水在高于0 ℃的環(huán)境下升溫，從而蒸發(fā)或者流失。融雪時(shí)，路面和大氣、路面和天空之間還存在著對流換熱、輻射換熱。根據(jù)Chapman道路融雪化冰模型[14]，由融雪過程中能量平衡方程可得單位面積所需融雪熱負(fù)荷

q=qs+qm+Ar(qe+qh)。

(1)

式中：qs為顯熱負(fù)荷,W/m2；qm為融解熱負(fù)荷，W/m2；Ar為路面融雪面積比，根據(jù)ASHARE(美國采暖、制冷與空調(diào)工程師學(xué)會(huì))建議[15]，城市道路的融雪等級(jí)為Ⅱ級(jí)，其值宜取0.5；qe為蒸發(fā)熱負(fù)荷，W/m2；qh為對流輻射熱負(fù)荷，W/m2。

各負(fù)荷計(jì)算公式為：

qs=ρsci(tf-ta);

(2)

qm=ρshif;

(3)

qe=ρwhmhfg(100-φ);

(4)

qh=c(av+b)(tf-ta)。

(5)

式(2)—(5)中:ρ為雪的密度，取917 kg/m3；s為降雪量，mm/s，南京地區(qū)取0.000 3 mm/s；ci為雪的比熱，取2.1 kJ/(kg·℃)；tf為水的溫度，取0 ℃；ta為環(huán)境溫度，南京地區(qū)設(shè)計(jì)溫度取-5 ℃；hif為融化潛熱，取334 kJ/kg；ρw為0 ℃時(shí)飽和水蒸汽的密度，取0.004 85 kg/m3；hm為水蒸發(fā)時(shí)的傳質(zhì)速率，不同的流動(dòng)狀態(tài)采用不同的傳質(zhì)公式計(jì)算平均對流傳質(zhì)速率, m/s；hfg為水的蒸發(fā)潛熱，取2.5×106J/kg；φ為空氣相對濕度，南京地區(qū)冬季平均相對濕度為79 %；v為風(fēng)速，南京地區(qū)取3.2 m/s；a、b、c為常數(shù)，分別取530.84 s2/m2、649.61 s/m、 0.005 476 W/(m·s·K)。

根據(jù)《實(shí)用供熱空調(diào)設(shè)計(jì)手冊》[16]，對于南京地區(qū)，冬季室外設(shè)計(jì)溫度取-5 ℃，冬季室外最多風(fēng)向的平均風(fēng)速為3.2 m/s，冬季空氣調(diào)節(jié)室外計(jì)算相對濕度為79%。根據(jù)相關(guān)計(jì)算方法及研究成果[17-18]，南京地區(qū)的顯熱負(fù)荷qs為2.89 W/m2,融解熱負(fù)荷qm為91.88 W/m2,蒸發(fā)熱負(fù)荷qe為16.28 W/m2，對流輻射熱負(fù)荷qh為64.30 W/m2。將各負(fù)荷值帶入式(1)，則得南京地區(qū)路面所需融雪熱負(fù)荷q為135.06 W/m2。

2 城市隧道地?zé)岱澜Y(jié)冰系統(tǒng)運(yùn)行效果分析

2.1 工程概況

本次進(jìn)行隧道路面防結(jié)冰系統(tǒng)設(shè)計(jì)的區(qū)域位于揚(yáng)子江大道清涼門隧道段。清涼門隧道位于揚(yáng)子江大道與清涼門大街節(jié)點(diǎn)處，隧道總長865 m，最大縱坡4.5%。隧道縱坡較大，車輛易出現(xiàn)打滑事故，設(shè)計(jì)階段需充分考慮隧道路面防結(jié)冰，以保障居民的出行安全。

清涼門隧道縱橫斷面及其分段示意如圖2所示，該段隧道北敞開段設(shè)置有遮陽結(jié)構(gòu)，因此，考慮在南敞開段245 m路面布置防結(jié)冰系統(tǒng)。在暗埋段和北敞開段的樁基礎(chǔ)中布置換熱管，通過換熱管將地下穩(wěn)定的低品位熱能提取出來，然后通過熱泵機(jī)組轉(zhuǎn)化為高品位熱能供給路面下埋管，以達(dá)到南敞開段路面防結(jié)冰的目的。

(a) 縱斷面及其分段(單位： m)

清涼門隧道下的樁基礎(chǔ)分布如表1所示。大部分樁基礎(chǔ)的長度為30 m，暗埋段的主體結(jié)構(gòu)埋深可達(dá)12 m。根據(jù)南京地區(qū)的地溫監(jiān)測數(shù)據(jù)[19]，南京地區(qū)地表10 m以下地溫基本恒定。根據(jù)前文對隧道樁基礎(chǔ)地?zé)岱澜Y(jié)冰技術(shù)的分析，可考慮在隧道樁基礎(chǔ)中布置換熱管，以提取地下巖土體中的淺層地?zé)崮堋?/p>

表1 清涼門隧道下的樁基礎(chǔ)分布

2.2 系統(tǒng)換熱性能數(shù)值模擬分析

2.2.1 樁埋管設(shè)計(jì)及其物理模型

結(jié)合JGJ/T 438—2018《樁基地?zé)崮芾眉夹g(shù)標(biāo)準(zhǔn)》，隧道內(nèi)的埋管管材采用De32 HDPE管，埋管形式為三U型管并聯(lián)。為保證換熱管成品率，換熱管布置在鋼筋籠的外側(cè)，但是不沿主筋捆綁。同時(shí)，換熱管的綁扎不是一次成型，而是在下鋼筋籠的過程中隨下隨綁。

清涼門隧道暗埋段樁基礎(chǔ)換熱影響范圍內(nèi)典型地質(zhì)分層示意如圖3所示。暗埋段工程樁為灌注樁，樁徑1.0 m，樁長30 m，樁頂連接隧道主體結(jié)構(gòu)底板，底板以下部分分別為20 cm厚的早強(qiáng)混凝土墊層和50 cm厚的碎石回填。根據(jù)工程勘察鉆孔資料，樁基礎(chǔ)埋深范圍內(nèi)主要為淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土和含淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土夾粉土，樁深以下為粉砂夾粉土。

圖3 清涼門隧道暗埋段樁基礎(chǔ)換熱影響范圍內(nèi)典型地質(zhì)分層示意圖

基于樁基礎(chǔ)內(nèi)埋管設(shè)計(jì)和隧道樁基礎(chǔ)周圍的典型地層分布，建立樁埋管換熱物理模型,如圖4所示。模型根據(jù)工程實(shí)際設(shè)置6 m的樁間距，模型長寬各為6 m、深為34 m，樁周圍的土層根據(jù)圖3分為3層，模型四周采用對稱邊界條件，樁內(nèi)為三U型管并聯(lián)埋管，單個(gè)U型管進(jìn)出水口夾角為24°

(a) 能源樁模型立面圖(單位： m)

2.2.2 路面下埋管設(shè)計(jì)及其物理模型

隧道敞開段路面橫斷面圖如圖5所示。

圖5 隧道內(nèi)瀝青路面橫斷面圖

路面下埋管選用DN25的不銹鋼管，根據(jù)隧道路面結(jié)構(gòu)層分布情況，換熱管布置在混凝土鋪裝層中。換熱管埋深較淺時(shí)，道路上部的車輛在運(yùn)行過程中易使管路發(fā)生損壞；換熱管埋深較深時(shí)，防結(jié)冰效果難以滿足要求。因此，考慮將換熱管布置在瀝青路面以下20 cm 處，換熱管與路面坡度平行敷設(shè)并垂直于道路走向。路面下采用單U型管并聯(lián)布置，各U型管進(jìn)出水口間距為10 cm，相鄰U型管之間的距離為35 cm，在換熱管下方鋪設(shè)1層5 cm厚的保溫層，保溫材料需滿足0.7 MPa的抗壓強(qiáng)度。路面下埋管設(shè)計(jì)見圖6。

(a) 路面下埋管橫斷面圖

基于隧道敞開段橫斷面結(jié)構(gòu)分層以及路面下埋管設(shè)計(jì)，路面下埋管換熱物理模型如圖7所示。由于換熱管在路面下的布置是對稱的，因此路面下埋管的物理模型只建立其中一段長度，兩邊采用對稱邊界條件。在模型深度方向上，將混凝土鋪裝層、土體結(jié)構(gòu)層以及混凝土墊層視為1層結(jié)構(gòu)，模型下邊界為巖土層下方4 m。

(a) 橫斷面圖

2.2.3 系統(tǒng)換熱性能數(shù)值模擬分析

根據(jù)隧道樁埋管和路面下埋管的物理模型，建立數(shù)值模型及其網(wǎng)格劃分如圖8所示。為了方便模型的建立和計(jì)算，在對模擬結(jié)果不會(huì)產(chǎn)生較大影響的前提下，對路面和能源樁模型進(jìn)行如下簡化： 1)假設(shè)土體初始溫度均勻且為各向均一性材料，地下流體、固體物體熱物性參數(shù)均不隨溫度的改變而改變； 2)在系統(tǒng)運(yùn)行過程中，忽略巖土體產(chǎn)生的熱輻射、滲流等現(xiàn)象； 3)巖土體傳熱過程為純熱傳導(dǎo)過程。

(a) 路面下埋管

根據(jù)南京地區(qū)近10年的氣溫?cái)?shù)據(jù)，冬季室外設(shè)計(jì)溫度可按照-5 ℃來考慮，因此，系統(tǒng)運(yùn)行10 h后路面最不利點(diǎn)熱通量需滿足135.06 W/m2。在計(jì)算過程中，路面下單U型管設(shè)計(jì)流速取0.15 m/s，根據(jù)計(jì)算在入口水溫為40 ℃條件下可滿足要求，且此時(shí)整個(gè)路面下埋管系統(tǒng)的換熱量約為1 764 kW。對于樁基礎(chǔ)側(cè)，樁內(nèi)單U型管流速取0.4 m/s，入口水溫取水源熱泵機(jī)組標(biāo)準(zhǔn)蒸發(fā)器出口水溫。換熱量數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果見表2。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，單個(gè)U型管10 h換熱量約為2 489 W，如果U型管數(shù)量為244根，則總換熱量為1 822 kW。此時(shí)，樁基礎(chǔ)所能提供的換熱量能夠滿足系統(tǒng)運(yùn)行條件，計(jì)算結(jié)果說明該系統(tǒng)在理論上是可行的。

表2 換熱量數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果

2.3 路面下埋管力學(xué)特性分析

對于路面下埋管，由于換熱管敷設(shè)在混凝土鋪裝層中，在換熱過程中鋼管中的熱水會(huì)使鋼管發(fā)生熱膨脹，這種膨脹會(huì)受到周圍混凝土的限制而導(dǎo)致?lián)Q熱管周圍產(chǎn)生較大的溫度應(yīng)力。為了探究系統(tǒng)運(yùn)行過程中是否會(huì)對道路結(jié)構(gòu)的安全性產(chǎn)生影響，建立道路埋管換熱的二維模型，并運(yùn)用ANSYS進(jìn)行換熱條件下的力學(xué)計(jì)算。

2.3.1 模型的建立

路面下埋管換熱二維數(shù)值模型及網(wǎng)格劃分如圖9所示。模型假設(shè)道路及混凝土結(jié)構(gòu)層的初始溫度為0 ℃，換熱管內(nèi)壁為40 ℃的恒溫邊界條件，道路上方為對流換熱邊界條件，空氣溫度為-5 ℃，對流換熱系數(shù)為25 W/(m2·℃)。模型兩側(cè)為對稱邊界條件，同時(shí)約束X方向上的變形；模型下方為恒溫邊界條件，同時(shí)約束X、Y方向上的位移。

根據(jù)地勘報(bào)告及文獻(xiàn)[20]，模型相關(guān)的計(jì)算參數(shù)如表3所示。計(jì)算過程采用瞬態(tài)分析，先計(jì)算出系統(tǒng)在運(yùn)行10 h后的溫度場變化，然后將每一步的溫度場數(shù)據(jù)作為溫度荷載寫入結(jié)構(gòu)計(jì)算，得出每一步的力學(xué)計(jì)算結(jié)果。

表3 路面下埋管熱力學(xué)模擬計(jì)算參數(shù)

2.3.2 路面下埋管熱力學(xué)計(jì)算結(jié)果

不同運(yùn)行時(shí)間換熱管周圍溫度場分布如圖10所示。模型初始溫度恒定為0 ℃，經(jīng)過1 h的換熱后，換熱管熱源的溫度逐漸向外傳遞，而路面由于空氣對流換熱產(chǎn)生了溫度低于0 ℃的區(qū)域。隨著換熱的進(jìn)行，熱量逐漸向路面以及地下傳遞，最終使得路面的溫度維持在0 ℃以上。由于熱源與空氣溫度有較大的換熱溫差，導(dǎo)致瀝青層有較大的溫度梯度。

(a) 0 h

不同運(yùn)行時(shí)間換熱管周圍應(yīng)力分布如圖11所示。由圖11可以看出: 隨著換熱的進(jìn)行，換熱管周圍會(huì)產(chǎn)生較大的壓應(yīng)力，該壓應(yīng)力最大值出現(xiàn)在換熱開始的幾小時(shí)內(nèi)，其值大約為8 MPa，該壓應(yīng)力的產(chǎn)生是由于換熱管膨脹變形受到了周圍混凝土的約束而產(chǎn)生的;同時(shí)，相鄰U型管之間也會(huì)產(chǎn)生大范圍的拉應(yīng)力區(qū)域，最大拉應(yīng)力值約為2.5 MPa，出現(xiàn)在路面開始換熱的幾小時(shí)內(nèi),隨著換熱的繼續(xù)進(jìn)行，最大拉應(yīng)力逐漸減小。通過與溫度場變化情況(見圖10)進(jìn)行對比，該拉應(yīng)力的變化趨勢與溫度場的變化有著密切的聯(lián)系。溫度梯度與拉應(yīng)力絕對值的大小呈正相關(guān)，隨著隧道溫度梯度的降低，拉應(yīng)力值降低，在運(yùn)行10 h后降低為1.5 MPa。

(a) 0 h

通過分析可以看出，換熱過程中換熱管周圍會(huì)產(chǎn)生較大的拉壓應(yīng)力，壓應(yīng)力值的大小遠(yuǎn)小于混凝土的抗壓強(qiáng)度值，但是拉應(yīng)力值超出了規(guī)定的混凝土抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。本文考慮采取2種方式消除這一問題： 一種是采取分級(jí)加熱的方式減小換熱溫差，另一種是在換熱管下半圈敷設(shè)隔溫塑性材料。

2.3.3 結(jié)構(gòu)內(nèi)力計(jì)算結(jié)果

對于分級(jí)加熱的方式，在本項(xiàng)目模型中先進(jìn)行20 ℃加熱5 h，再進(jìn)行40 ℃加熱5 h，計(jì)算得到的換熱管周圍應(yīng)力分布如圖12所示。由圖12可以看出，雖然分級(jí)加熱能夠使換熱管周圍的最大拉應(yīng)力值在系統(tǒng)運(yùn)行5 h內(nèi)就降低到1.5 MPa，但這一拉應(yīng)力值仍大于C30混凝土的抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，所以采取該方法難以徹底解決系統(tǒng)換熱過程中導(dǎo)致的較大拉應(yīng)力的情況。

(a) 運(yùn)行5 h

對于第2種解決措施，敷設(shè)隔溫材料和無隔溫材料運(yùn)行10 h后換熱管周圍溫度和應(yīng)力分布如圖13所示。由圖13可以看出，隔溫材料能很好地限制溫度向下和向水平方向傳遞，最終較大幅度地降低了周圍混凝土由于溫度變化產(chǎn)生的拉應(yīng)力。

(a) 無隔溫材料溫度(單位： ℃)

由此可見，在換熱管下方表面敷設(shè)1層塑性隔溫材料，在減小換熱管周圍混凝土對其約束的同時(shí)，也能限制溫度在相鄰U型管之間的熱傳遞，最終達(dá)到有效降低路面下的拉壓應(yīng)力。同時(shí),從理論上來講，這種措施還能夠降低熱量向路基下方的熱損失，提高能源利用效率。

2.4 系統(tǒng)運(yùn)行節(jié)能效果分析

對于城市隧道，也可采用其他形式的路面防結(jié)冰系統(tǒng)進(jìn)行路面融雪除冰，例如采用碳纖維電纜加熱法防結(jié)冰系統(tǒng)[21-23]。本節(jié)主要針對碳纖維電纜加熱法防結(jié)冰和能源樁地?zé)岱澜Y(jié)冰這2種主要的路面主動(dòng)防結(jié)冰系統(tǒng)進(jìn)行分析。

系統(tǒng)運(yùn)行能耗與系統(tǒng)設(shè)計(jì)發(fā)熱量、系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間以及系統(tǒng)本身的能效系數(shù)有關(guān)。根據(jù)相關(guān)規(guī)范以及本文的計(jì)算，可以得出系統(tǒng)設(shè)計(jì)發(fā)熱量。先對不同環(huán)境工況下的系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間進(jìn)行分析，結(jié)合氣溫資料得出系統(tǒng)冬季運(yùn)行時(shí)間，進(jìn)而結(jié)合不同類型系統(tǒng)運(yùn)行的能效系數(shù)得出系統(tǒng)運(yùn)營能耗。

2.4.1 系統(tǒng)冬季運(yùn)行時(shí)間分析

不同環(huán)境溫度下，路面最不利點(diǎn)熱通量隨時(shí)間變化曲線如圖14所示。由圖14可以看出： 剛開始1 h內(nèi)溫度的熱通量下降是由于環(huán)境溫度低于路面溫度造成的，隨著加熱的進(jìn)行，路面溫度上升，熱通量增加;當(dāng)最不利點(diǎn)熱通量滿足需求值時(shí)或者繼續(xù)運(yùn)行2 h后關(guān)閉機(jī)組，熱通量先有一段時(shí)間的增加，隨后降低。

(a) 滿足需求后關(guān)機(jī)

觀察最不利點(diǎn)恢復(fù)到需求值的時(shí)間，表4列出了不同運(yùn)行條件下的具體計(jì)算結(jié)果。對表4計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析，對于環(huán)境溫度為0、-1、-2、-3、-4、-5、-6 ℃條件下(假設(shè)環(huán)境溫度在1 d內(nèi)不發(fā)生變化)，系統(tǒng)在標(biāo)準(zhǔn)工況下(入口水溫45 ℃)，每天所需運(yùn)行的時(shí)間分別約為4、5、6、8、10、12、15 h。考慮到晝夜溫差，在南京地區(qū)冬季夜間溫度較高(>-4 ℃)的情況下，白天溫度都大于0 ℃，融雪時(shí)間可適當(dāng)降低。因此，在本例中系統(tǒng)相應(yīng)運(yùn)行時(shí)間分別設(shè)置為2、3、4、7、9、12、15 h。

表4 不同環(huán)境溫度運(yùn)行時(shí)間數(shù)值模擬結(jié)果

為了計(jì)算南京地區(qū)路面防結(jié)冰系統(tǒng)所需運(yùn)行的天數(shù)，以2017年和2018年冬季氣溫?cái)?shù)據(jù)為例，將夜間氣溫≤0 ℃的天氣列入表5，根據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果，南京地區(qū)防結(jié)冰系統(tǒng)冬季需要運(yùn)行的天數(shù)約為50 d。同時(shí)根據(jù)表4的計(jì)算結(jié)果,將每天系統(tǒng)所需運(yùn)行的時(shí)間列入表5,最終得出能源樁地?zé)岱澜Y(jié)冰系統(tǒng)冬季所需運(yùn)行時(shí)間為362 h。

表5 2017年和2018年冬季防結(jié)冰系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間

2.4.2 系統(tǒng)運(yùn)行節(jié)能效果分析

系統(tǒng)每年運(yùn)行電費(fèi)

M年=Q總hm。

(6)

式中：Q總為系統(tǒng)每小時(shí)運(yùn)行所需總電能;h為每年運(yùn)行小時(shí)數(shù)；m為南京地區(qū)用電單價(jià)。

系統(tǒng)每小時(shí)運(yùn)行所需總電能

(7)

式中：qsj為每平方米設(shè)計(jì)發(fā)熱量；A為防結(jié)冰面積； COP為系統(tǒng)運(yùn)行。

對于碳纖維電纜加熱法防結(jié)冰系統(tǒng)，根據(jù)文獻(xiàn)[24]，其系統(tǒng)設(shè)計(jì)發(fā)熱量qsj約為250 W/m2，系統(tǒng)運(yùn)行COP為1。對于地?zé)岱澜Y(jié)冰系統(tǒng)，根據(jù)前面的計(jì)算分析，設(shè)計(jì)發(fā)熱量qsj為342 W/m2，根據(jù)機(jī)組選型數(shù)據(jù)，系統(tǒng)運(yùn)行COP約為4.9。路面設(shè)計(jì)除冰長度為245 m，設(shè)計(jì)除冰平均寬度為27 m，計(jì)算得設(shè)計(jì)防結(jié)冰面積為6 615 m2。根據(jù)這些計(jì)算參數(shù)，得到2種類型系統(tǒng)運(yùn)營能耗，如表6所示。理論計(jì)算結(jié)果表明，對于該項(xiàng)目應(yīng)用地?zé)岱澜Y(jié)冰系統(tǒng)每年能夠節(jié)省60%的運(yùn)營電費(fèi)。由此可見，能源樁地?zé)岱澜Y(jié)冰系統(tǒng)在城市隧道運(yùn)營期間有著十分顯著的節(jié)能效果。

表6 2種類型系統(tǒng)運(yùn)營能耗對比

3 結(jié)論與討論

本文對城市隧道能源樁地?zé)岱澜Y(jié)冰技術(shù)原理以及換熱理論進(jìn)行分析，以此為基礎(chǔ)，依托清涼門隧道工程進(jìn)行城市隧道地?zé)岱澜Y(jié)冰系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，利用數(shù)值模擬對系統(tǒng)的熱力學(xué)行為進(jìn)行分析，并與目前應(yīng)用較多的碳纖維電纜加熱法防結(jié)冰系統(tǒng)進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性對比，得出以下結(jié)論。

1)對于城市隧道工程，采用隧道樁埋管換熱系統(tǒng)可滿足敞開段路面冬季的防結(jié)冰需求。樁基礎(chǔ)內(nèi)采取三U型管并聯(lián)、路面下采取單U型管敷設(shè)形式。

2)路面下埋管換熱過程中，換熱管周圍會(huì)產(chǎn)生較大的拉壓應(yīng)力，這種拉壓應(yīng)力與溫度的不均勻分布密切相關(guān)；尤其是在系統(tǒng)剛開始運(yùn)行的幾小時(shí)內(nèi)，由于較大的溫度梯度，相鄰U型管之間會(huì)產(chǎn)生最大約2.5 MPa的拉應(yīng)力區(qū)域，影響路面結(jié)構(gòu)的安全。

3)在換熱管下部采取相應(yīng)的隔溫措施，能夠很好地降低路面下的拉壓應(yīng)力，同時(shí)還能降低熱量向路基下方的熱損失，提高能源利用效率。

4)在南京地區(qū)，相比于碳纖維電纜加熱法防結(jié)冰系統(tǒng)，城市隧道樁基礎(chǔ)地?zé)岱澜Y(jié)冰系統(tǒng)每年能夠節(jié)省約60%的運(yùn)營電費(fèi)，節(jié)能效果顯著。

利用地下結(jié)構(gòu)提取淺層地?zé)崮苡糜谒淼缆访娣澜Y(jié)冰有著較好的應(yīng)用前景，但隧道結(jié)構(gòu)復(fù)雜，銜接點(diǎn)多，隧道周圍的可用空間十分受限，該系統(tǒng)需要在城市隧道結(jié)構(gòu)及其周圍敷設(shè)管路系統(tǒng)，而目前尚未有隧道內(nèi)敷設(shè)換熱管的相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。如何確保換熱管在受限及復(fù)雜空間內(nèi)的正常施工，以確保系統(tǒng)的正常安裝與運(yùn)行，需要進(jìn)一步研究與探討。本文給出了樁基礎(chǔ)以及路面下埋管設(shè)計(jì)方案，但是該方案的給出只是基于類似工程實(shí)際及經(jīng)驗(yàn)，仍需通過研究提出更加優(yōu)化的埋管設(shè)計(jì)方案。同時(shí)，取熱段以及加熱段范圍的合理性仍需通過分析計(jì)算進(jìn)行驗(yàn)證。