通过全尺寸实验和模拟，深入了解含地下水的能量隧道的热机械行为

《Renewable Energy》：Insights into thermal-mechanical behaviors of energy tunnels with groundwater through full-scale experiments and simulations

能量隧道热交换效率受地下水渗流及管内流速影响，通过全尺实验与三维数值模拟分析发现：流速提升可减小热边界层厚度，使热交换率线性增加；地下水渗流通过对流增强热传递效率达36.7%，同时降低热应力22.8%。基于相似理论推导通用无量纲拟合公式。

　　

张庆昭|陈逊|赵永志|江宏|毕金凤

中国上海同济大学岩土工程系，教育部岩土与地下工程重点实验室，土木工程灾害防治国家重点实验室

摘要：

作为一种可持续的地热结构，能源隧道因其作为低碳能源供应的潜力而受到关注。它们的热性能和力学性能受到地下水的影响显著，尤其是在地下水位较高的土壤中。本研究通过全尺寸实验和数值模拟来研究能源隧道的热-水-力学性能。实验设置使用了嵌入热交换管的混凝土原型段，在沙质土壤中进行测试。研究了水温和流速以及地下水渗流对能源段热交换效率的影响。此外，建立了一个三维数值模型，再现了能源段的热传递过程，并进行了参数研究。结果表明，增加管道内的流速可以减小热边界层厚度，从而提高热交换率。地下水渗流具有双重有益效果：它作为热传递的主要驱动力，使热交换率提高了36.7%，同时通过对流冷却作用将热应力降低了22.8%。基于实验和数值数据，推导出一个通用无量纲拟合公式。这些发现为能源隧道在饱和地层中的应用提供了支持和设计依据。

引言

地热能是一种可再生且可持续的清洁能源，由于其在全球范围内的广泛分布和低环境影响，已成为许多国家能源战略的重要组成部分[1]。能源桩、隧道、锚杆等地下能源结构通过结合结构支撑和地热能收集，提供了一种常见的地热能采集方式。与其他地热开发方法相比，能源隧道在城市地区能够更高效地利用地热能，降低成本、减少对特定地质条件的依赖，因此越来越受到研究人员的关注[2]、[3]、[4]。

对能源隧道技术可行性和原型系统的早期探索始于21世纪初[5]。Brandl在2004年率先在奥地利的Lainzer隧道中应用了“能源土工织物”，开展了一个能源隧道技术的试点项目[6]。该项目实现了每年214 MWh的热供应量，成功展示了隧道结构的地热采集潜力。2010年，Frodl等人在奥地利的高速铁路Jenbach隧道中应用了一种新型能源段，首次实现了盾构隧道和地热系统的有效集成[7]。2011年，在德国斯图加特-Fasanenhof隧道的两个10米长的段落中安装了地热测试设备和温度探头[8]，该段落的热交换效率达到了5-30 W/m²，进一步推动了这一技术的工程应用。这一时期的研究主要基于现场监测数据，揭示了能源隧道在地热开发中的巨大潜力，但尚未系统地研究各种因素对热交换效率的影响机制。

在对能源隧道原型系统的研究之后，人们对隧道内热交换的热水力学特性进行了广泛的研究[9]、[10]、[11]、[12]、[13]。张等人针对寒冷地区隧道中的冻害问题，在内蒙古的林场隧道和扎敦河隧道进行了地热能开发实验[14]、[15]、[16]。他们利用理论计算模型和现场监测数据分析了地下水渗流、通风和隧道空气等因素对能源隧道温度场的影响。Lee等人通过调整热交换管的布局和流速显著提高了热传递性能[17]、[18]。Barla等人基于意大利都灵地铁隧道的现场实验和数值模拟指出，地下水可以通过对流热传递加速地面温度的恢复[10]。随后，Insana和Barla分析了管道尺寸和地下水流动方向对能源地铁隧道热效率的影响，发现特定的地下水流动角度可以有效改善热性能[19]。此外，最近的研究开始关注热交换过程中能源隧道的热应力和结构变形。通过一系列数值模拟，Barla和Di Donna发现当温差为10°C时，隧道段的热应力低于1 MPa，从结构风险的角度来看可以忽略不计[2]。Rotta-Loria等人指出，在热交换过程中隧道段的变形明显大于地面沉降[20]。Ma等人通过长期运行模拟表明，在一年的热运行周期内，隧道的热应力和变形在可接受范围内[21]。Kong等人通过现场测试和数值模拟研究了新型能源利用隧道的行为，并指出间歇性运行显著影响热性能[22]。所有这些研究都是通过现场实验和数值模拟进行的，为能源隧道的热交换理论提供了重要支持。然而，现场热响应测试受到工程项目和地质条件的限制，无法在受控环境中进行。很难控制现场地下水渗流参数以进行多组设计条件的比较，从而限制了对其热力学行为影响的研究。

模型测试以其可控性和成本效益而在研究复杂系统行为方面具有显著优势。与能源隧道相关的模型测试研究仍然有限。张等人进行了1:20比例的能源盾构隧道缩比测试，证明了地下水流速对热交换性能的显著影响[16]、[23]。然而，当涉及流体力学和热力学时，缩比测试结果往往无法完全反映实际全尺寸情况[24]、[25]。值得注意的是，尚未有全尺寸的能源隧道模型测试报告。

为了解决当前能源隧道研究中的不足，本研究采用了一个1:1比例的原型段进行全尺寸实验室实验。这种设置创建了一个受控环境，保持了真实的几何形状和边界条件，能够真实模拟段-地层-地下水系统内的热交换过程。因此，系统地量化了流体温度、管道流速和地下水渗流对热效率的影响。基于实验数据，提出了一个通用拟合公式，为能源隧道的优化应用提供了坚实的理论支持。

部分摘录

能源段

能源隧道的工作原理如图1所示。该系统由三个热传递回路组成：地源回路、热泵单元和建筑终端使用回路。集成在段中的热交换管作为主要的热交换器，促进隧道结构与周围地层之间的热能传递。该系统在两个不同的季节模式下运行。在冬季（供暖模式），管道内的流体吸收地热能

数据处理和数值分析方法

在本研究中，进行了不确定性分析以估计热交换管的误差。如果一个测量参数$$的平均值为$$，其已知的标准不确定性为$$，则可以表示为$$

实验结果Y可以用一组测量参数表示：$$

结果的标准不确定性可以使用Moffat提出的平方根和法计算：$$

实验结果的相对不确定性$$

热交换管中流速的影响

图9比较了一个周期后的实验和数值温度增量。虽然实验数据由于钢筋笼的存在而显示出局部不均匀性，但模拟准确捕捉到了流速和温度升高之间的正线性关系。具体来说，对于最靠近管道的测量点G2-1-2，温度增量从0.5 m/s时的7.6 °C上升到0.9 m/s时的9.4 °C。相比之下，在较低流速（0.5和0.6 m/s）下，这种不均匀性可以忽略不计

考虑地下水渗流的热交换拟合公式

为了建立热交换率的一般预测关系，本研究采用相似性和基于Buckingham π定理的量纲分析来使关键独立变量无量纲化。采用物理约束的幂律回归来确定指数参数。该模型同时考虑了管道内的强制对流以及周围岩石和地下水中的对流-导热传输

结论

本研究提出了一种全尺寸模型测试方法，用于多因素分析，以研究能源隧道的热-水-力学行为，特别关注地下水的作用。结果表明，热交换管内的流速和入口温差显著影响热交换效率。具体来说，效率随这两个参数线性增加。较高的流速促进了更稳定的热交换

CRediT作者贡献声明

张庆昭：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，调查，资金获取，概念构思。陈逊：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，调查，形式分析，概念构思。赵永志：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，监督，调查，资金获取。江宏：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，可视化。毕金凤：撰写 – 原稿，调查，数据

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利益冲突声明

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