地铁车站围护结构耦合式单 U 埋管系统换热研究

余元波，夏继豪，刘 俊，车轮飞，陈玉远

（中铁第四勘察设计院集团有限公司，湖北武汉 430063）

1 背景

目前，全世界正面临能源和环境这两大问题，地源热泵系统具有可再生、储存量大、安全可靠等优点，在学校、医院、住宅等各类建筑中都得到应用。地源热泵系统主要分为地埋管地源热泵系统、地表水地源热泵系统和地下水地源热泵系统3种形式，国内外对各类形式的地源热泵系统进行了大量研究。

地埋管地源热泵系统属于封闭式系统，使水或其他介质在封闭回路中循环达到换热目的，可以克服其他2类系统的缺点，因此环境保护性和适用性较好[1]。Liang Pu对直列和交错的水平埋管布置进行比较评估，并研究了交错管道相对位移、弯曲次数、管间距和埋深对水平地埋式换热器热工性能的综合影响[2]。G. Liu提出了一种基于表面热源的毛细管换热器一维简化板式传热计算方法，并分析了进水温度、衬砌导热系数、围岩导热系数和围岩热扩散率等因素对换热器性能的影响[3]。J. Gao通过对现场上海地源热泵系统进行传热性能试验，讨论了桩型、介质流量和入口温度对热工性能的影响，找出了最高效的能源桩基类型[4]。C. Xia通过对上海自然博物馆进行实地实验，研究了连续墙换热器的传热性能及其影响因素，包括换热器类型、水速、进水温度和运行方式[5]。M. Sun研究了连续墙地热换热器的传热模型和设计方法，建立了连续墙换热器的二维传热模型，进一步提出其设计方法[6]。

地铁车站作为城市区域中最常见的地下工程之一，其地下结构众多，具有作为地下换热结构的先天优势。因此，可考虑将地源热泵系统的地埋管与地铁车站的基坑围护墙、工程桩等地下结构进行耦合，使得地埋管与地下结构共同成为地下换热器，从而为上部建筑供热或供冷。该技术不仅可解决传统地埋管地源热泵系统初始成本高、占地面积大的缺点，还具有传热效果好、安全稳定、使用寿命长、不占用额外空间等优点。由于地源热泵系统尚未有在地铁车站应用的案例，因此很有必要开展地铁车站围护结构耦合式埋管系统的研究。

2 围护结构耦合埋管模型

2.1 模型建立

对于地铁车站围护结构而言，围护结构耦合埋管系统中的换热埋管其毫米级别的尺寸过小，若使用计算流体动力学（CFD）仿真软件模拟，需在围护结构模型中建立完整的换热埋管模型，这不仅会给初期的建模工作增加难度，还会在网格划分阶段使换热埋管附近的网格密度过高，从而大大增加模拟计算时间。多物理场直接耦合分析软件（COMSOL Multiphysics）可以将围护结构中的换热埋管简化为一条线，并将这条线定义为非等温管道流进行换热模拟，这样既简化了物理模型，又避免了网格局部过密过大以适当缩短模拟计算时间，便于后期模拟更多工况。

本文选取某城市典型地铁车站为例，采用COMSOL Multiphysics建立车站的地下连续墙、底板和顶板的耦合式单U埋管模型进行换热研究。其中，地下连续墙较为特殊，在竖向方向上存在2个换热过程差异较大的区域，因此将其分为顶部连续墙和底部连续墙2 个部分（顶部连续墙为连续墙底板以上部分，其仅存在一面与土壤层接触换热；底部连续墙部为连续墙底板以下部分，其连续墙结构两侧均与土层接触换热），各部分围护结构耦合式埋管模型如图1所示。

车站地下连续墙厚度按800 mm计算，土壤层部分理论上应是无限大区域，但是考虑到模型大小有限，只建立总厚度约10 m的土壤层（顶板以上土层除外）模型，并假设其与埋管能进行充分换热，初步研究单U埋管的换热性能，各部分的模型特征如表1所示。

表1 各部分单元块模型特征

2.2 模型参数设定

埋管在围护结构中与土壤层进行换热是一个非常复杂的过程，涉及到诸多不确定变量，因此为了简化理论分析及模拟计算，现做如下假定[7]：①除了顶板上面覆盖的土壤层以外，其他围护结构接触土壤层的初始温度均为原始地温，不随深度变化而变化；②各个材料的热物性参数不随温度变化发生变化；③将埋管简化为沿着流动方向的一维非稳态流动，简化计算；④忽略沿着埋管管长方向的传热，将三维传热模型简化为二维不稳定导热问题；⑤围护结构与空气接触面一侧，为对流边界条件；⑥不与墙体接触的土壤层边界假定为无限远，其温度不受埋管运行影响。

根据假定，围护结构耦合埋管系统传热模型的具体设置如表2所示。

表2 传热模型边界条件设置

除了必要的模型尺寸以及土壤热物性参数之外，还需设置埋管直径、循环水流速、进水温度、原始地温、运行时长、计算步长等各项参数才能进行换热模拟。其中，围护结构耦合埋管系统的换热性能主要受埋管间距、循环水流速、进水温度、原始地温等因素影响，因此本文将这些因素作为变量，通过变工况模拟方法探究各个因素对围护结构耦合埋管系统换热性能的影响规律。本文数值模拟中换热系统运行时间为72 h，计算步长为5 min，埋管直径按20 mm计算，其余的参数设置如表3所示。

表3 模拟参数设置表

3 耦合式埋管换热能力及影响因素分析

3.1 换热能力分析

地铁车站顶板相对于地下连续墙和底板的埋深较浅，其上的土壤层存在一个较大的温度梯度，会对埋管的换热能力产生很大影响。根据对该地铁车站周围土壤层的地温测试汇总分析，得到土壤层温度随深度的变化趋势如图2所示。由图可知，在深度小于5 m时，土壤层的温度梯度较大，基本呈线性衰减；在深度从5 m变化为6 m时，土壤层温度呈较大衰减；在6 m及以下深度时土壤层温度已基本稳定在17～18℃之间。因此，对地下连续墙和底板所接触的土壤层设置成不随深度变化的恒定温度值是合理的，而顶板则需考虑实际温度梯度。

图2 土壤层温度随深度变化曲线图

顶部连续墙、底部连续墙、底板和顶板的埋管系统在运行72 h后，各处埋管的延米换热量如图3所示，顶部连续墙、底部连续墙、底板的埋管延米换热量均在40 ～50 W/m之间，而顶板的埋管延米换热量只有10 W/m左右。由此可以判断，顶板耦合埋管系统的换热能力相对较差，不适合作为耦合式换热结构，下面的研究只考虑顶部连续墙、底部连续墙和底板这3类围护结构耦合埋管系统。

图3 不同围护结构内埋管延米换热量对比

3.2 换热影响因素分析

3.2.1 进水温度对延米换热量的影响

不同进水温度下，分析顶部连续墙、底部连续墙及底板3类围护结构耦合式单U埋管系统的换热量，运行72 h后埋管的延米换热量如图4所示，由图可知埋管系统的延米换热量均随着进水温度的增加而增加，且底部连续墙的埋管延米换热量均最大。说明埋管延米换热量受进水温度变化影响，当原始地温不变时，进水温度越高，循环水与土壤层之间的温差越大，换热量就越大。

图4 不同进水温度下埋管延米换热量对比

3.2.2 原始地温对延米换热量的影响

不同原始地温下，分析顶部连续墙、底部连续墙及底板3类围护结构耦合式单U埋管系统的换热量，运行72 h后埋管的延米换热量如图5所示，由图可知埋管系统的延米换热量均随着原始地温的减小而增加。说明原始地温是影响埋管换热的显著因素，原始地温越小，循环水与土壤层之间的温差越大，换热量就越大。

图5 不同原始地温下埋管延米换热量对比

3.2.3 埋管间距对延米换热量的影响

不同埋管间距下，分析顶部连续墙、底部连续墙及底板3类围护结构耦合式单U埋管系统的换热量，运行 72 h后埋管的延米换热量如图6所示，由图可知埋管系统的延米换热量随着埋管间距从0.5 m增加到1 m时有所增加， 1m之后各埋管延米换热量基本保持稳定。说明适当增大换热埋管间距，相邻埋管间的影响会减小，换热效果会增加。当车站可用于布置埋管的围护结构面积不变时，增大换热埋管间距会导致可布置的埋管总长度减少，因此应根据车站负荷大小选择适宜的埋管间距。

图6 不同埋管间距埋管延米换热量对比

3.2.4 循环水流速对延米换热量的影响

不同循环水流速下，分析顶部连续墙、底部连续墙及底板3类围护结构耦合式单U埋管系统的换热量，运行72 h后埋管的延米换热量如图7所示，由图可知埋管系统的延米换热量随着循环水流速的增加基本保持不变，说明埋管内循环水流速对换热量的影响很小。

图7 不同循环水流速下埋管延米换热量对比

4 耦合式埋管循环水出口温度分析

循环水出口温度是围护结构耦合埋管系统换热性能的评价指标之一，在进行了前文单U埋管换热模拟之后发现，在与土壤层进行了72 h换热之后得到的循环水出口温度普遍较高，将大大降低围护结构耦合埋管系统的运行效率。考虑到循环水流速的变化虽然对埋管延米换热量影响很小，但是其对埋管流量影响很大，从而影响埋管的循环水出水温度。下面以底部连续墙为例，循环水流速作为变量，对5个工况下循环水出口温度及延米换热量进行模拟分析，结果如图8所示。

图8 不同循环水流速下埋管循环水出口温度变化

由图可知，循环水出口温度随着流速的增加而增加，而循环水流速对于埋管延米换热量影响有限。同时，随着循环水流速的增加，在埋管换热量一定的情况下，循环水换热温差会减小，导致埋管出水温度提升。由仿真结果可以看出，经过72 h换热之后，5个工况下的埋管循环水出口温度均高于34℃，冷凝换热温差较小（进水温度为35℃），冷却水平均水温较高。以机组制冷工况为例，较高的冷却水温度会导致机组运行于低能耗区间，运行能效优势不明显，且难以满足机组冷凝器所需的冷凝换热温差。相较于一般垂直地埋管地源热泵几十米到几百米之间的埋管深度，本研究的围护结构耦合式换热器受限于地铁车站围护结构尺寸，难以采用提升单U型换热埋管管长的方法来强化换热，即常规单U型围护结构耦合埋管换热器的换热量存在瓶颈，因此在实际应用过程中需要通过串联多组单U换热单元等措施提升该换热器的换热能力及冷凝水温差，并根据地铁车站负荷的大小合理配置耦合式埋管系统。

5 结论

本文以地铁车站围护结构耦合式单U埋管系统为研究对象，建立了车站底部连续墙、顶部连续墙、底板和顶板4个部位的换热模型，通过连续72 h的换热计算分析了耦合式埋管系统的换热能力、影响因素以及出水温度，主要得到以下研究结果。

（1）车站顶部连续墙、底部连续墙、底板的埋管延米换热量均在40～50 W/m之间，而顶板的埋管延米换热量只有10 W/m左右，顶板不适合作为耦合式埋管换热结构。

（2）进水温度和原始地温均是影响埋管换热能力的显著因素，进水温度越高、原始地温越低，则埋管延米换热量越大。循环水流速对埋管换热能力影响很小，但是随着循环水流速的增加，埋管的出水温度逐渐升高。埋管间距对埋管换热能力的影响相对较小，随着埋管间距的增加，埋管延米换热量呈现先增加后保持稳定状态。

（3）地铁车站围护结构耦合式埋管系统不同于传统地源热泵系统，其埋管长度、深度均受围护结构尺寸的限制，应根据地铁车站负荷大小合理配置耦合式埋管系统。