能源地下結(jié)構(gòu)研究及應(yīng)用進(jìn)展

溫繼偉，侯珺瀧，劉星宏，曾現(xiàn)恩，項(xiàng) 天，陳昊天

(1.石家莊鐵道大學(xué) 土木工程學(xué)院，河北 石家莊 050043；2.成都理工大學(xué) 環(huán)境與土木工程學(xué)院，四川 成都 610059)

隨著我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展與城鎮(zhèn)化進(jìn)程不斷推進(jìn)，以及“一帶一路”“交通強(qiáng)國(guó)建設(shè)”等國(guó)家重大需求和發(fā)展戰(zhàn)略的相繼提出，地下軌道交通、地下綜合管廊、地下通道和停車(chē)場(chǎng)等地下結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)得到了高速發(fā)展。然而，在碳達(dá)峰碳中和目標(biāo)新形勢(shì)下，減少CO2排放、提升能效、緩解全球變暖也是當(dāng)前需要解決的重大社會(huì)和環(huán)境難題。目前，建筑能耗約占全國(guó)總能耗的1/3，而暖通空調(diào)(Heating,Ventilating and Air Conditioning，HVAC)能耗在建筑能耗中的占比高達(dá)2/3，因此，通過(guò)地?zé)崮艿惹鍧嵞茉吹拈_(kāi)發(fā)利用，降低建筑能耗，尤其是暖通空調(diào)能耗，顯得尤為必要和迫切[1]。

目前，地?zé)崮芡ㄟ^(guò)傳統(tǒng)地源熱泵技術(shù)的運(yùn)用得到一定程度的開(kāi)發(fā)利用，它是將一定深度內(nèi)的地層作為熱/冷源為地面建(構(gòu))筑物冬季供熱、夏季制冷的綠色、低碳、環(huán)保型建筑節(jié)能技術(shù)[2]。能源地下結(jié)構(gòu)是一種由傳統(tǒng)地源熱泵引申而來(lái)的建筑節(jié)能結(jié)構(gòu)新形式，本文系統(tǒng)總結(jié)了常見(jiàn)的 4 種能源地下結(jié)構(gòu)，闡述了能源地下結(jié)構(gòu)的研究現(xiàn)狀、應(yīng)用進(jìn)展、主要不足和發(fā)展前景，分析了在煤礦巷道中布設(shè)能源地下結(jié)構(gòu)的可行性，以期對(duì)綠色礦井建設(shè)中亟待解決的深部礦區(qū)作業(yè)時(shí)的高溫?zé)岷昂涞貐^(qū)煤礦巷道的凍害等難題提供新的解決思路。

1 能源地下結(jié)構(gòu)的概念及優(yōu)勢(shì)

能源地下結(jié)構(gòu)自1980 年首次提出以來(lái)，經(jīng)過(guò)40余年的發(fā)展，已在世界各地形成多種應(yīng)用形式。常見(jiàn)的能源地下結(jié)構(gòu)有能源隧道、能源樁(能源錨桿)、能源地下連續(xù)墻、能源綜合管廊等形式[3]。它是通過(guò)在建筑基礎(chǔ)構(gòu)件和地下結(jié)構(gòu)物中植入地下環(huán)路管系統(tǒng)，形成地下?lián)Q熱器，從地下結(jié)構(gòu)本身處于的一定深度且常年處于恒溫的地層中獲取或釋放能量。這種將地下?lián)Q熱器和地下結(jié)構(gòu)緊密結(jié)合的方式，既能有效確保建筑結(jié)構(gòu)及煤礦巷道等的穩(wěn)定和安全，也能保證其換熱性能的可靠和持久。

基于能源地下結(jié)構(gòu)獨(dú)有的結(jié)構(gòu)形式，其具備以下主要優(yōu)勢(shì)[1-4]：(1) 與傳統(tǒng)的石油、天然氣和煤炭等以碳基為主的非再生化石能源不同，地?zé)崮苁且环N可再生、可持續(xù)安全利用的非碳基清潔能源。淺層地?zé)崮艿哪芰恐饕獊?lái)源于太陽(yáng)輻射和地球梯度增溫，中深層地?zé)崮艿哪芰恐饕獊?lái)自地球內(nèi)部的熔融巖漿和放射性物質(zhì)衰變。因此，相比于空氣源熱泵(常規(guī)暖通空調(diào))，地源熱泵能夠更有效地起到節(jié)能減排、生態(tài)環(huán)保的功效。(2) 能源地下結(jié)構(gòu)創(chuàng)新性地將地下?lián)Q熱構(gòu)件與地下結(jié)構(gòu)緊密結(jié)合在一起，節(jié)省了傳統(tǒng)埋管式地源熱泵所需的地下空間，有利于當(dāng)前我國(guó)大城市的地下空間開(kāi)發(fā)。(3) 相比于傳統(tǒng)地源熱泵技術(shù)，能源地下結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)效益更好。在建筑結(jié)構(gòu)施工時(shí)，可兼顧對(duì)地層的勘察，減少了傳統(tǒng)地源熱泵工程前期的地質(zhì)勘察成本；同時(shí)，由于能源地下結(jié)構(gòu)將地下?lián)Q熱器和地下結(jié)構(gòu)緊密結(jié)合，無(wú)需額外施工鉆孔，可有效降低初始投資費(fèi)用。(4) 能源地下結(jié)構(gòu)使用的換熱管埋設(shè)在混凝土等結(jié)構(gòu)構(gòu)件中，相比于傳統(tǒng)的地源熱泵，不會(huì)污染地下水，也不會(huì)影響地下水位。(5) 將能源地下結(jié)構(gòu)技術(shù)理念運(yùn)用于煤礦巷道等采礦作業(yè)及礦井建設(shè)中，在實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排、生態(tài)環(huán)保前提下，既能有效解決深部礦區(qū)作業(yè)時(shí)的高溫?zé)岷﹄y題，還可防止寒冷地區(qū)的煤礦巷道等發(fā)生凍害。

2 巖土熱物性參數(shù)及換熱材料

在對(duì)能源地下結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)選型時(shí)，獲得地層巖土熱物性參數(shù)十分重要，其決定了熱源的可靠性和持久性。與能源地下結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相關(guān)的巖土熱物性參數(shù)，主要包括熱傳導(dǎo)系數(shù)、比熱容和熱擴(kuò)散系數(shù)[5]。由于巖土復(fù)雜的物理化學(xué)結(jié)構(gòu)和分布地域的差異性，使得其熱物性參數(shù)既無(wú)法通過(guò)簡(jiǎn)單的理論計(jì)算，又難以利用資料查閱得到精確可靠的數(shù)據(jù)，因此，在工程實(shí)踐中主要通過(guò)巖土熱物性原位測(cè)試方法，即現(xiàn)場(chǎng)熱響應(yīng)實(shí)驗(yàn)法(Thermal Response Test，TRT) 來(lái)獲取[6-8]。此外，能源地下結(jié)構(gòu)的換熱性能受地下能源結(jié)構(gòu)材料(可理解為傳統(tǒng)地源熱泵中的回填料)的換熱性能影響較大。國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者通過(guò)在水泥或膨潤(rùn)土中添加粉煤灰、螢石、石墨、石英砂等添加劑的方式，制備出高導(dǎo)熱的結(jié)構(gòu)材料，能夠滿足不同工況下的換熱需求[9-15]。在工程實(shí)踐中，出于方便施工的考量，換熱管材料逐漸由高密度的聚乙烯或 PVC 管換作金屬材質(zhì)的換熱管；同時(shí)，為避免水在零度以下結(jié)冰體積膨脹，易造成換熱管道破裂，因此，在低溫環(huán)境下需向水中加入鹽、乙二醇、甲醇等抗凍處理劑或防凍液[16-17]。

3 常見(jiàn)的能源地下結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀

3.1 能源隧道

能源隧道是通過(guò)在隧道襯砌中埋設(shè)換熱管，提取隧道圍巖地?zé)崮芗?或)隧道內(nèi)部空氣熱能的一種結(jié)構(gòu)形式。其工作原理是將分、集水管與地源熱泵前端相連，形成換熱管封閉系統(tǒng)，如圖1 所示，通過(guò)水泵驅(qū)動(dòng)使系統(tǒng)內(nèi)的循環(huán)介質(zhì)在換熱管內(nèi)循環(huán)流動(dòng)，在此過(guò)程中吸收隧道圍巖地?zé)崮芗?或)隧道內(nèi)部空氣熱能，再將其用于相關(guān)建(構(gòu))筑物的供熱或制冷[18]。在地下隧道和地下車(chē)站中，車(chē)輛、機(jī)電設(shè)備和人群等產(chǎn)生的熱量(廢熱)不易排出，此時(shí)隧道內(nèi)溫度高于圍巖溫度，使用常規(guī)暖通空調(diào)系統(tǒng)會(huì)造成大量能耗，而能源隧道通過(guò)將換熱管埋設(shè)在隧道襯砌中，加速隧道內(nèi)廢熱的散出，達(dá)到制冷的效果，并能有效降低暖通空調(diào)系統(tǒng)能耗；同時(shí)，能源隧道也可在冬季圍巖溫度高于隧道內(nèi)溫度時(shí)提取圍巖熱量來(lái)為車(chē)站及周邊建(構(gòu))筑物供熱[20]。

圖1 地下能源隧道與地上建筑物連接方式[19]Fig.1 Connection mode of underground energy tunnel and s urface buil ding[19]

在使用新奧法(New Austrian Tunnelling Method，NATM)等傳統(tǒng)工法施工隧道時(shí)，換熱管可在場(chǎng)外預(yù)先連接到無(wú)紡?fù)凉ず铣刹牧仙?，再將其放置在一次和二次襯砌之間[21]，這種預(yù)制式的能源隧道施工方式，使現(xiàn)場(chǎng)安裝換熱管相對(duì)方便。當(dāng)采用機(jī)械化掘進(jìn)時(shí)，隧道襯砌管片可在工廠預(yù)制，再由隧道掘進(jìn)機(jī)在現(xiàn)場(chǎng)鋪設(shè)；在裝配能源隧道襯砌時(shí)，每個(gè)襯砌管片里的回路通過(guò)液體管路與相鄰部分的回路相連，由6～7 個(gè)襯砌管片形成襯環(huán)回路，2 個(gè)或2 個(gè)以上的環(huán)組成一個(gè)子回路，然后再通過(guò)主管道與熱泵連通[22]，如圖2 所示。

圖2 能源隧道襯砌結(jié)構(gòu)形式[19]Fig.2 Liningstructuralmodeofenergy tunnel[19]

能源隧道及其換熱能力、溫度應(yīng)力的測(cè)試研究已有不少成果，主要集中在能源隧道換熱系統(tǒng)的換熱影響因素、換熱效率，以及換熱過(guò)程中溫度應(yīng)力的變化對(duì)能源隧道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響等方面。M.Barla 等[23]通過(guò)三維數(shù)值模型預(yù)測(cè)了意大利都靈地鐵一號(hào)線埋設(shè)換熱系統(tǒng)后夏季與冬季的換熱量分別為74、53 W/m2。夏才初等[20]通過(guò)恒定進(jìn)口溫度法開(kāi)展了熱性能測(cè)試(Thermal Performance Test，TPT)，在內(nèi)蒙古林場(chǎng)隧道的一個(gè)能源隧道試驗(yàn)段分析了熱交換管入口溫度、流量及管間距對(duì)換熱量的影響。郭紅仙等[24]利用COMSOL 軟件對(duì)新八達(dá)嶺長(zhǎng)城站能源隧道試驗(yàn)段熱響應(yīng)試驗(yàn)進(jìn)行了數(shù)值分析與適用性評(píng)價(jià)。馬康等[25]基于ABAQUS 通用有限元軟件與清華巖土熱力學(xué)模型有限元分元程序(Tsinghua Thermo-soil Model Finite Element Program，TTS-FEP)，分析了能源隧道換熱過(guò)程中產(chǎn)生的溫度應(yīng)力，其中的環(huán)向應(yīng)力變化較為明顯，徑向應(yīng)力在襯砌與圍巖界面處會(huì)產(chǎn)生明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象。

此外，近些年來(lái)，能源隧道也已被成功應(yīng)用于寒區(qū)隧道的防凍保暖中[26-30]，如圖3 所示。張國(guó)柱等[27]通過(guò)開(kāi)展寒區(qū)隧道地源熱泵的巖土熱響應(yīng)實(shí)驗(yàn)，進(jìn)行了一系列熱交換管內(nèi)循環(huán)介質(zhì)溫度對(duì)襯砌和周邊圍巖溫度場(chǎng)的影響分析。陳明全[28]通過(guò)設(shè)計(jì)2 種不同的太陽(yáng)能與地源熱泵復(fù)合寒區(qū)隧道防凍系統(tǒng)，通過(guò)補(bǔ)償寒區(qū)隧道過(guò)度的熱能提取，以期有效避免能源隧道在冬季從地下提取的熱量大于夏季釋放到地下的熱量而造成地面凍結(jié)現(xiàn)象，運(yùn)用TRNSYS 軟件對(duì)其可行性進(jìn)行了分析，并通過(guò)傳統(tǒng)地源熱泵系統(tǒng)進(jìn)行了數(shù)值模擬對(duì)比研究。

圖3 寒區(qū)能源隧道結(jié)構(gòu)形式[30]Fig.3 Structural modeofenergy tunnelinthecold zone[30]

事實(shí)上，能源隧道的應(yīng)用范圍十分廣泛，城市地區(qū)是其最好的應(yīng)用地點(diǎn)，在城市交換的熱量可以直接被鄰近的建(構(gòu))筑物所利用，還可集成到地區(qū)的供暖和制冷系統(tǒng)中。斯圖加特薩南霍夫隧道、奧地利維也納2 號(hào)線地鐵、意大利都靈地鐵隧道、日本的Nanaoritoge 隧道以及我國(guó)的新京張鐵路清華園隧道都成功應(yīng)用了該技術(shù)[29]。在寒冷地區(qū)，能源隧道還可以達(dá)到防凍保暖的效果，內(nèi)蒙古博牙高速扎敦河隧道就是一個(gè)典型的成功案例[30]。

能源隧道的技術(shù)理念還可以運(yùn)用到煤礦巷道工程實(shí)踐中，由于煤礦鉆掘的巷道大多處于地下200 m 以深，形成的硐室既可作為寶貴的地下空間資源加以利用，同時(shí)還可利用煤礦巷道充足的換熱條件。首先，大部分煤礦巷道處于中深層地?zé)崮芾脦?，具有豐富的地?zé)崮苜Y源；其次，由于巷道較長(zhǎng)、與圍巖接觸面積較大，換熱表面積大，因此，煤礦巷道是一個(gè)極為理想的天然蓄熱器和恒溫器[31]。此外，煤礦深部巷道開(kāi)挖過(guò)程中幾乎不可避免地存在高溫?zé)岷﹄y題，會(huì)導(dǎo)致井下人員和設(shè)備長(zhǎng)期處于高溫、濕熱的作業(yè)環(huán)境中，不僅造成采礦效率大幅衰減，還會(huì)嚴(yán)重影響著人員健康和設(shè)備使用壽命[32]。

為有效解決深部礦產(chǎn)資源開(kāi)采所遇到的高溫難題，降低深部地?zé)衢_(kāi)采成本，高效利用中深層地?zé)崮?，蔡美峰院士等[33] 開(kāi)創(chuàng)性地提出深部礦產(chǎn)資源開(kāi)采系統(tǒng)和地?zé)衢_(kāi)發(fā)系統(tǒng)“共建-共存-共用”的理論體系，為深部礦產(chǎn)和地?zé)豳Y源共采戰(zhàn)略提出了地質(zhì)勘查、科技創(chuàng)新、扶持政策、頂層規(guī)劃與科研示范基地等方面的發(fā)展建議?？悍匠萚34] 基于開(kāi)挖、爆破、崩落等采礦技術(shù)提出的開(kāi)挖式增強(qiáng)型地?zé)嵯到y(tǒng)( Enhanced GeothermalSystems Based on Excavation Technology,EGS-E)，為突破傳統(tǒng)基于鉆孔和水力壓裂技術(shù)的干熱巖型地?zé)豳Y源開(kāi)采方法-增強(qiáng)型地?zé)嵯到y(tǒng)(Enhanced Geothermal Systems，EGS) 的瓶頸，實(shí)現(xiàn)干熱巖型地?zé)豳Y源大規(guī)模商業(yè)開(kāi)發(fā)提供了一種全新的解決方案。

在煤礦巷道中布設(shè)地埋管換熱系統(tǒng)與能源隧道施工類似，將U 型管布置在垂直于巷道壁的鉆孔中，并對(duì)鉆孔進(jìn)行封堵充填，使其與地下煤礦巷道周?chē)鷰r體形成統(tǒng)一整體。多根U型管連接形成換熱管網(wǎng)，通過(guò)管內(nèi)換熱流體的循環(huán)流動(dòng)，便可實(shí)現(xiàn)將地下熱量與地面熱量進(jìn)行熱交換[35]。相較于目前常見(jiàn)的淺層地埋管系統(tǒng)，礦山地埋管系統(tǒng)埋深較大，受地溫梯度影響，隨深度的增加采暖效果逐漸增強(qiáng)，因此，對(duì)取熱需求較大的北方寒冷地區(qū)具有明顯優(yōu)勢(shì)。

礦山地埋管換熱系統(tǒng)不僅可以通過(guò)采取地?zé)崮軐?shí)現(xiàn)清潔能源高效利用，還能有效解決礦山作業(yè)時(shí)的高溫?zé)岷氨胤纼鲭y題。隨著我國(guó)礦產(chǎn)資源，特別是煤炭、金屬等固體礦產(chǎn)資源開(kāi)發(fā)逐步向深部推進(jìn)，以及地?zé)崮苓@一非碳基清潔能源的廣泛使用，我國(guó)礦山地?zé)衢_(kāi)發(fā)的發(fā)展空間和前景將是十分廣闊的。

3.2 能源樁(能源錨桿)

能源樁是在樁基礎(chǔ)中埋設(shè)換熱管，在滿足樁基礎(chǔ)力學(xué)性能的基礎(chǔ)上，通過(guò)樁體實(shí)現(xiàn)埋管與地層的熱交換[36]。常見(jiàn)的能源樁類型包括預(yù)制樁、鋼筋混凝土樁及鋼管樁等，其中鋼筋混凝土樁的應(yīng)用最廣，這得益于其良好的儲(chǔ)熱和傳熱性能[37]。圖4 是能源樁的結(jié)構(gòu)形式。

圖4 能源樁的結(jié)構(gòu)形式[16]Fig.4 Structuralmodeof energypile[16]

圖5 是能源樁換熱管常用的埋設(shè)方式，主要有單U 型、串聯(lián)雙 U 型(W 型)、并聯(lián)雙 U 型、并聯(lián)三 U 型和螺旋型等[38]。

圖5 能源樁埋管形式Fig.5 Buried pipe modes in the energy pile

圖6 為能源樁冬夏季工況的熱交換行為示意圖。其中，夏季制冷工況時(shí)，地上室內(nèi)溫度高于地下土壤溫度，換熱介質(zhì)將室內(nèi)的熱能提取出來(lái)，通過(guò)熱泵循環(huán)流動(dòng)釋放到土壤中，從而降低室內(nèi)溫度，達(dá)到制冷的效果[39]；冬季供熱工況時(shí)系統(tǒng)工作過(guò)程則相反。在能源樁傳熱模型研究方面，對(duì)于不同結(jié)構(gòu)的能源樁，其傳熱模型也有所不同，如在直徑較小的樁基中多用空心圓柱熱源模型，螺旋管換熱器適于用實(shí)心圓柱熱源模型，而線圈熱源模型與螺旋線熱源模型適合所有樁埋管形式[41]，但上述傳熱模型研究成果對(duì)于微觀層面的樁-土接觸狀態(tài)、土顆粒接觸形式對(duì)能源樁換熱效率影響方面的考慮有所欠缺。

圖6 能源樁冬夏季工況的熱交換行為[40]Fig.6 Heat exchange behaviorof energy pile in winterand summer[40]

在能源樁力學(xué)特性研究方面，桂樹(shù)強(qiáng)等[42]研究了在溫度荷載、結(jié)構(gòu)荷載，以及樁側(cè)和樁端約束的多種工況條件下，樁身的應(yīng)力-應(yīng)變特性和樁周側(cè)摩阻力變化的一般規(guī)律，并建立了相關(guān)簡(jiǎn)化分析模型。張琦等[43]通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)，測(cè)試了樁身-巖土體接觸界面在溫度循環(huán)條件下的變形特征。程曉輝等[44]基于清華熱力學(xué)巖土本構(gòu)模型(Tsinghua Thermodynamical Soil Model，TTS 模型)，開(kāi)展了飽和高嶺土升溫排水試驗(yàn)和能源樁的有限元分析?？梢园l(fā)現(xiàn)，對(duì)于能源樁的力學(xué)特性研究主要通過(guò)建立簡(jiǎn)化力學(xué)分析模型，而對(duì)于復(fù)雜條件下能源樁的熱力耦合性能研究仍較少。

能源樁不僅可用于礦區(qū)建(構(gòu))筑物施工中，對(duì)于地下煤礦巷道支護(hù)工程同樣適用，運(yùn)用相似的原理將換熱構(gòu)件與支護(hù)錨桿結(jié)合可形成能源錨桿。目前，少數(shù)國(guó)外地鐵站臺(tái)已將其運(yùn)用于站臺(tái)的溫度調(diào)節(jié)[16,45]，但國(guó)內(nèi)部分學(xué)者對(duì)能源錨桿僅進(jìn)行了探索性研究，還未見(jiàn)工程應(yīng)用實(shí)例報(bào)道。韓建飛[46]通過(guò)有限元分析軟件ADINA 建立了流-固耦合的 PE 管-錨桿-土壤三維溫度場(chǎng)模型，分析了不同工況、進(jìn)水速度、流體速度、供水溫度和導(dǎo)熱系數(shù)條件下能源錨桿的換熱性能及傳熱機(jī)理，并進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，對(duì)能源錨桿的施工工藝進(jìn)行了研究；李志毅等[47]基于有限元分析軟件ADINA，模擬冬季工況下能源錨桿熱泵系統(tǒng)運(yùn)行狀況，探究了土壤熱物性參數(shù)、供水溫度、埋管流體速度及鉆孔填充材料等關(guān)鍵參數(shù)對(duì)能源錨桿換熱效率的影響。總之，不論是能源樁還是能源錨桿，在煤礦巷道等礦區(qū)建設(shè)中都有廣闊的應(yīng)用前景，這種綠色低碳、環(huán)保節(jié)能的結(jié)構(gòu)形式應(yīng)在未來(lái)的礦區(qū)建設(shè)和運(yùn)營(yíng)維護(hù)中得到運(yùn)用推廣。

能源樁作為最早應(yīng)用的能源地下結(jié)構(gòu)，在世界范圍都有大量的工程應(yīng)用實(shí)例。瑞典PAGO 公司的辦公大樓、日本札幌市立大學(xué)教職工公寓、德國(guó)圖賓根Kreissparkasse Tuebingen 銀行、波鴻市Stadtwerke 公司及法蘭克福某塔等都在其建筑內(nèi)采用了能源樁結(jié)構(gòu)。德國(guó)法蘭克福某塔使用213 根直徑1.5 m、長(zhǎng)30 m 的鉆孔樁支撐，其中112 根鉆孔樁應(yīng)用了能源樁技術(shù)，滿足了20% 的供熱和100% 的制冷需求[48]。英國(guó)建筑面積達(dá)50 000 m2的One New Change 大廈辦公樓的能源樁系統(tǒng)能夠滿足2 MW 的供熱和制冷需求，每年可節(jié)省花費(fèi)超6 萬(wàn)英鎊，減少CO2排放近300 t。國(guó)內(nèi)對(duì)能源樁應(yīng)用最早的是2004 年位于天津的一個(gè)能源樁工程，2006 年同濟(jì)大學(xué)修建的旭日樓能源樁深達(dá)28 m，運(yùn)行效果良好[49]。2007 年南京朗詩(shī)·國(guó)際街區(qū)項(xiàng)目在1 200 根樁基礎(chǔ)中埋設(shè)了U 型或W 型傳熱管，樁長(zhǎng)約30 m，并在建筑物外圍加設(shè)了302 口深60 m 的換熱井，使項(xiàng)目整體能耗減少40% 以上[50]。2010 年，上海世博會(huì)的世博軸采用直接式江水源熱泵系統(tǒng)和能源樁復(fù)合熱泵形式，樁長(zhǎng)采用25、40 m 兩種尺寸、樁間距4～6 m，共計(jì)6 000 根工程樁構(gòu)成樁基埋管換熱器，是目前世界上單體能源樁用量最大的工程，均埋設(shè)W 型換熱管，每年可減少CO2排放量5 629 t，全年節(jié)能率可達(dá)61.40%。此外，在天津、寧波、吳江、溫州等地的辦公樓、小區(qū)等，也均有應(yīng)用能源樁的實(shí)例[51]。

3.3 能源地下連續(xù)墻

能源地下連續(xù)墻是將地下埋管直接綁扎在地下連續(xù)墻的主筋上，與地下連續(xù)墻一起形成換熱構(gòu)件的結(jié)構(gòu)形式[52]，如圖7 所示。與能源樁的軸對(duì)稱屬性相比，能源地下連續(xù)墻幾何結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜且可能存在地下臨空面(圖8)，會(huì)造成能源地下連續(xù)墻的熱邊界條件受外界環(huán)境的季節(jié)性變化影響而不確定，因此，目前國(guó)內(nèi)外更多聚焦在能源地下連續(xù)墻的換熱模型、換熱計(jì)算等理論和數(shù)值模擬研究，實(shí)地測(cè)試數(shù)據(jù)較少。

圖7 能源地下連續(xù)墻結(jié)構(gòu)形式[16]Fig.7 Struct uralmodeofenergyundergrounddiaphragm wall[16]

圖8 能源地下連續(xù)墻埋管形式Fig.8 Form of buried pipe in energy diaphragm wall

夏才初[53]、孫猛[54]等通過(guò)建立開(kāi)挖面上下兩部分的能源地下連續(xù)墻傳熱模型，并采用格林函數(shù)法推導(dǎo)其解析解，找到可優(yōu)化分析能源地下連續(xù)墻埋管布置工藝及間歇運(yùn)行時(shí)間等參數(shù)的方法，又通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)測(cè)試了埋管布置形式、循環(huán)水流速、進(jìn)水溫度和運(yùn)行模式對(duì)能源地下連續(xù)墻換熱效果的影響。董盛時(shí)[55]分析了換熱條件下能源地下連續(xù)墻的力學(xué)響應(yīng)問(wèn)題，通過(guò)大尺寸模型試驗(yàn)及數(shù)值模擬方法得到了換熱條件下的溫度場(chǎng)、墻內(nèi)應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)與墻土接觸面法向應(yīng)力的變化規(guī)律。上述研究均發(fā)現(xiàn)，地下連續(xù)墻在不同工況條件造成溫度變化的情況下會(huì)產(chǎn)生分布不均的溫度應(yīng)力，且換熱管附近會(huì)有應(yīng)力集中現(xiàn)象。此外，P.J.Bourne-Webb 等[56]通過(guò)設(shè)置不同的埋管布置方式、隧道墻體臨空面邊界條件及墻和土的熱膨脹系數(shù)比值，分析了對(duì)能源地下連續(xù)墻體彎矩的影響。K.Soga 等[57]通過(guò)二維有限元數(shù)值模擬方法，對(duì)比分析了無(wú)換熱和換熱過(guò)程中墻側(cè)土體孔隙水壓力、墻體的水平位移及墻體的彎矩變化。

在礦區(qū)，防滲墻、連續(xù)墻、水閘墻等墻體結(jié)構(gòu)大量存在于地下煤礦井巷系統(tǒng)中，將換熱構(gòu)件埋設(shè)在墻體中的結(jié)構(gòu)形式同樣具有廣闊的應(yīng)用前景。如將換熱系統(tǒng)布設(shè)在水閘墻或連續(xù)墻等墻體結(jié)構(gòu)中，既可以提取地下高溫?zé)崴案邷貒鷰r中的熱量為需要的建(構(gòu))筑物供熱，又能以此方式通過(guò)循環(huán)換熱介質(zhì)將地面的低溫流體輸送到地下，降低煤礦巷道高溫，有效緩解煤礦巷道采掘作業(yè)時(shí)的熱害難題，將使深部資源開(kāi)采時(shí)遇到的高水溫、高地溫難題變害為利[58]。

1996 年，奧地利和瑞士率先將地埋管換熱系統(tǒng)應(yīng)用于地下連續(xù)墻中，維也納U2 地鐵線將大量地下連續(xù)墻當(dāng)作熱交換元件[16]。2009 年建成的上海自然博物館地下連續(xù)墻內(nèi)埋有452 組W 型埋管，運(yùn)行效果良好[54]。由于能源地下連續(xù)墻較為復(fù)雜，導(dǎo)致對(duì)能源地下連續(xù)墻在換熱條件下的力學(xué)及變形特性尚缺乏統(tǒng)一的認(rèn)識(shí)，其內(nèi)在的變形特征及機(jī)理尚不明確，在工程設(shè)計(jì)中也缺乏相應(yīng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)計(jì)算方法，同樣影響了能源地下連續(xù)墻的應(yīng)用與推廣[55]。

3.4 能源綜合管廊

與能源隧道結(jié)構(gòu)相似，能源綜合管廊是將地埋管換熱系統(tǒng)設(shè)置在地下管廊混凝土結(jié)構(gòu)中的一種兼具承載及換熱功效的新型結(jié)構(gòu)工程。能源綜合管廊系統(tǒng)原理如圖9 所示[59]。該結(jié)構(gòu)冬季從綜合管廊周?chē)貙又形諢崃?，通過(guò)能源站中的熱泵機(jī)組輸送至用戶終端，實(shí)現(xiàn)建筑空間的供熱，夏季則利用地層低溫為建筑空間制冷。這種方式既有效實(shí)現(xiàn)了對(duì)不同管線的集中敷設(shè)和管理，節(jié)省寶貴的城市地下空間資源，又能達(dá)到節(jié)能減排的效果。

圖9 能源綜合管廊原理[59]Fig.9 Energyintegratedpipegallery[59]

目前對(duì)于能源綜合管廊的研究較少，李思茹等[60-61]建立了管內(nèi)流體、管廊內(nèi)空氣及混凝土結(jié)構(gòu)和土壤的耦合換熱數(shù)理模型，對(duì)能源綜合管廊的換熱特性、一定工況下的最優(yōu)布置方式及全年周期的運(yùn)行特性等能源綜合管廊的可行性展開(kāi)了分析，認(rèn)為地埋管在管廊混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)的最優(yōu)埋設(shè)位置是在距離管廊內(nèi)壁200 mm 處，且能源綜合管廊只有在嚴(yán)寒地區(qū)(如新疆烏魯木齊等)的冬季時(shí)無(wú)法運(yùn)行，而在我國(guó)另外4 個(gè)氣候分區(qū)內(nèi)冬夏季均可正常運(yùn)行。

由于能源綜合管廊的概念提出時(shí)間比其他能源地下結(jié)構(gòu)晚，且由于綜合管廊大多位于地下淺層土壤內(nèi)，存在明顯的溫度分層現(xiàn)象，溫度值并非恒定，目前對(duì)此研究較少，尚未見(jiàn)有實(shí)際工程應(yīng)用報(bào)道。

在煤炭行業(yè)，為保障煤礦作業(yè)區(qū)正常的生活及生產(chǎn)需求，敷設(shè)了大量輸氣、供水、電纜及通信等多種管線，若這些管線直接裸埋在地下，必定會(huì)造成難以維護(hù)、易損壞等問(wèn)題，因此，將能源綜合管廊應(yīng)用于礦區(qū)，既可有效保護(hù)各種管線，也可有效利用礦區(qū)地下的地?zé)崮埽瑢?shí)現(xiàn)煤礦的低碳綠色采掘。

4 能源地下結(jié)構(gòu)的防災(zāi)減災(zāi)設(shè)計(jì)研究

由于地下空間開(kāi)發(fā)的不可逆性及對(duì)工程安全的日益重視，在能源地下結(jié)構(gòu)規(guī)劃中對(duì)防災(zāi)減災(zāi)設(shè)計(jì)必不可少。結(jié)合已有的實(shí)際工程及相關(guān)研究，地下結(jié)構(gòu)的防災(zāi)重點(diǎn)主要集中于隧道和綜合管廊的抗震、抗爆和防火設(shè)計(jì)等方面。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者主要通過(guò)原位觀測(cè)(現(xiàn)場(chǎng)災(zāi)害調(diào)查)、模型試驗(yàn)及建立數(shù)理模型對(duì)地下結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)、變形破壞特征和抗震可靠性等進(jìn)行計(jì)算來(lái)分析地下結(jié)構(gòu)的抗震減震性能[62-64]。地下結(jié)構(gòu)內(nèi)的爆炸破壞力大、沖擊力強(qiáng)，對(duì)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、人員人身安全都會(huì)造成較大危害，因此，受到普遍重視。研究人員主要通過(guò)有限元軟件建立爆炸荷載作用下地下結(jié)構(gòu)的數(shù)值模型，分析其襯砌結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)及損傷機(jī)理，發(fā)現(xiàn)地下結(jié)構(gòu)襯砌的損傷破壞具有局部性和弱傳遞性，并探查出不同地下結(jié)構(gòu)的抗爆薄弱區(qū)[65-67]。

火災(zāi)作為地下結(jié)構(gòu)最常見(jiàn)、危害最大的災(zāi)害之一，除了對(duì)身處地下結(jié)構(gòu)內(nèi)的人員造成巨大傷害外，還會(huì)對(duì)地下結(jié)構(gòu)的四周襯砌結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大破壞，因此，對(duì)地下結(jié)構(gòu)火災(zāi)的發(fā)展規(guī)律、人員逃生、襯砌結(jié)構(gòu)高溫力學(xué)性能等方面的研究至關(guān)重要。相關(guān)學(xué)者主要通過(guò)數(shù)值模擬或與工程實(shí)例結(jié)合的方法，對(duì)地下結(jié)構(gòu)火場(chǎng)發(fā)展規(guī)律、人員逃生設(shè)計(jì)，以及高溫火災(zāi)作用下襯砌結(jié)構(gòu)的溫度場(chǎng)分布和破損規(guī)律進(jìn)行了研究[68-70]。

地震、爆炸及火災(zāi)等災(zāi)害都會(huì)不可避免地對(duì)能源地下結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性造成危害，并會(huì)影響換熱系統(tǒng)的正常運(yùn)行。結(jié)合現(xiàn)有地下工程的防災(zāi)減災(zāi)設(shè)計(jì)，對(duì)能源地下結(jié)構(gòu)的防災(zāi)減災(zāi)設(shè)計(jì)提出如下建議和展望：

(1) 地下結(jié)構(gòu)抗震計(jì)算方法主要有 3 種：靜力法、反應(yīng)位移法及其變化形式和動(dòng)力分析法[71]。然而，上述3 種計(jì)算方法適用范圍有限，使用時(shí)有諸多限制，如現(xiàn)行規(guī)范中的靜力法無(wú)法對(duì)隧道及綜合管廊縱向進(jìn)行抗震計(jì)算、傳統(tǒng)反應(yīng)位移法無(wú)法適用于非均質(zhì)地層、動(dòng)力分析法計(jì)算量大，受限于計(jì)算機(jī)容量及計(jì)算能力等，因此，對(duì)于簡(jiǎn)便、可靠的抗震計(jì)算方法和專門(mén)針對(duì)能源地下結(jié)構(gòu)的抗震減震設(shè)計(jì)規(guī)范的制定和完善，仍是今后能源地下結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)研究的重點(diǎn)。

(2) 能源地下結(jié)構(gòu)的防震害措施應(yīng)通過(guò)抗震和減震2 方面進(jìn)行設(shè)計(jì)規(guī)劃，具體為：前者可通過(guò)采用柔性連接方式過(guò)斷層破碎帶、設(shè)置抗震縫及根據(jù)斷層蠕變和錯(cuò)動(dòng)量采取擴(kuò)挖措施等實(shí)現(xiàn)；后者主要思路是通過(guò)在能源地下結(jié)構(gòu)，如在隧道的襯砌和圍巖間設(shè)減震層，構(gòu)成圍巖-減震層-襯砌系統(tǒng)，吸收部分地震能量(圖10)，從而有效減小或改變地震對(duì)結(jié)構(gòu)的作用強(qiáng)度和方式，但需注意的是，能源地下結(jié)構(gòu)的減震層和換熱層可能存在位置重疊及相互影響等不良效果，因此，當(dāng)能源地下結(jié)構(gòu)通過(guò)地質(zhì)斷裂帶時(shí)，不建議布設(shè)換熱系統(tǒng)。

圖10 圍巖-減震層-襯砌系統(tǒng)[63]Fig.10 Sketchdiagramof rock-layer-lining system[63]

(3) 建議加強(qiáng)能源地下結(jié)構(gòu)在地質(zhì)條件復(fù)雜或地質(zhì)條件突變處，以及在其附屬結(jié)構(gòu)如豎井、聯(lián)絡(luò)橫通道連接處等結(jié)構(gòu)剛度突變部位的防護(hù)，以加強(qiáng)能源地下結(jié)構(gòu)的抗震性能。建議加強(qiáng)能源地下結(jié)構(gòu)重點(diǎn)迎爆面，如能源綜合管廊燃?xì)馀摰呐摫诤穸?、焊縫處的焊接強(qiáng)度等，以提高能源地下結(jié)構(gòu)的抗爆性能，也可通過(guò)敷設(shè)吸能緩沖效果良好的材料(如泡沫鋁、聚苯乙烯泡沫EPS、聚乙烯泡沫EPE 等)吸收和抵抗爆炸沖擊波。當(dāng)前，地下結(jié)構(gòu)在爆炸荷載作用下的動(dòng)力響應(yīng)與毀傷效應(yīng)仍以數(shù)值模擬分析為主，可適當(dāng)開(kāi)展相應(yīng)能源地下結(jié)構(gòu)大尺寸模型爆炸實(shí)驗(yàn)獲取更為準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)資料；同時(shí)，還應(yīng)加強(qiáng)對(duì)強(qiáng)沖擊作用下的能源地下結(jié)構(gòu)變形問(wèn)題、抗震抗爆設(shè)施耐久性等問(wèn)題的研究。

(4) 建議加強(qiáng)不同能源地下結(jié)構(gòu)截面尺寸、截面形狀、能源地下結(jié)構(gòu)內(nèi)風(fēng)機(jī)對(duì)于火災(zāi)的發(fā)展規(guī)律與煙氣的運(yùn)動(dòng)規(guī)律的影響研究，還應(yīng)加強(qiáng)襯砌結(jié)構(gòu)高溫力學(xué)性能阻燃材料、新型滅火技術(shù)及救援與人員逃生等能源地下結(jié)構(gòu)防火重點(diǎn)等方面的研究。

5 能源地下結(jié)構(gòu)存在的主要不足及發(fā)展前景展望

通過(guò)總結(jié)4 種不同能源地下結(jié)構(gòu)的研究及應(yīng)用，發(fā)現(xiàn)目前能源地下結(jié)構(gòu)研究及應(yīng)用領(lǐng)域還存在以下主要不足：

(1) 對(duì)能源樁的研究主要集中在換熱性能和熱力耦合性能2 大方面。前者研究?jī)?nèi)容主要關(guān)于換熱管規(guī)格、布置方式、換熱流體介質(zhì)、換熱流體流速等宏觀層面，而對(duì)于微觀層面的樁-土接觸狀態(tài)、土顆粒接觸形式對(duì)能源樁換熱效率的影響研究較少；后者研究?jī)?nèi)容主要集中在建立簡(jiǎn)化力學(xué)分析模型，但對(duì)于復(fù)雜條件下能源樁的熱力耦合性能研究較少，后續(xù)應(yīng)開(kāi)展傳熱學(xué)、巖土力學(xué)、流體力學(xué)等多學(xué)科交叉融合基礎(chǔ)研究，聚焦溫度應(yīng)力作用下能源樁承載力變化的具體機(jī)理，考慮多因素全方位評(píng)估能源樁的熱力耦合性能。

(2) 對(duì)能源隧道的施工構(gòu)件預(yù)制化、施工方式機(jī)械化等施工標(biāo)準(zhǔn)的研究尚有欠缺，不同的施工標(biāo)準(zhǔn)會(huì)影響施工進(jìn)度及能源隧道的換熱效果；同時(shí)，能源隧道的應(yīng)用場(chǎng)景也較為有限，根據(jù)國(guó)內(nèi)外為數(shù)不多的應(yīng)用案例可發(fā)現(xiàn)，能源隧道目前主要應(yīng)用于城市地鐵換熱及山區(qū)隧道防凍，后續(xù)應(yīng)加強(qiáng)能源隧道在非傳統(tǒng)隧道領(lǐng)域(如煤礦巷道、礦山采掘等)的應(yīng)用研究，并聚焦能源隧道在極端條件(如嚴(yán)寒凍土區(qū))下的防凍應(yīng)用難題，拓展能源隧道的應(yīng)用范圍。

(3)對(duì)于能源地下連續(xù)墻和能源綜合管廊的研究及應(yīng)用都較少，二者在國(guó)內(nèi)外都鮮有實(shí)際工程案例。在地下連續(xù)墻方面，應(yīng)首先聚焦模型建立及簡(jiǎn)化，并依托合適工程進(jìn)行實(shí)地?cái)?shù)據(jù)測(cè)量，將數(shù)值模擬數(shù)據(jù)與實(shí)地測(cè)試數(shù)據(jù)驗(yàn)證對(duì)比，優(yōu)化建立的能源地下連續(xù)墻數(shù)學(xué)物理模型，進(jìn)一步推進(jìn)其應(yīng)用。而對(duì)于后者，應(yīng)依托能源隧道的研究應(yīng)用背景，深化對(duì)于能源綜合管廊的淺埋地層溫度分層現(xiàn)象、矩形管節(jié)的換熱管布置方式、能源綜合管廊換熱效率、管廊內(nèi)多線路運(yùn)行熱干擾等能源綜合管廊可行性研究，為實(shí)際工程應(yīng)用提供理論支持。

在“一帶一路”“交通強(qiáng)國(guó)建設(shè)”“碳達(dá)峰碳中和”“城鎮(zhèn)化快速推進(jìn)”及“城市地下空間開(kāi)發(fā)利用”等國(guó)家重大需求的時(shí)代背景下，能源地下結(jié)構(gòu)未來(lái)的發(fā)展方向應(yīng)更貼合城市規(guī)劃開(kāi)發(fā)需求、更環(huán)保低碳、更節(jié)能高效、更廣泛的應(yīng)用場(chǎng)景，因此，還需加強(qiáng)對(duì)于復(fù)合能源系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)，可綜合利用太陽(yáng)能、風(fēng)能等非碳基清潔能源，構(gòu)建綜合清潔能源利用系統(tǒng)，進(jìn)一步降低城市建筑能耗。此外，還可拓展能源地下結(jié)構(gòu)在諸如礦區(qū)建(構(gòu))筑物及煤礦巷道的新應(yīng)用，在這種應(yīng)用場(chǎng)景下不僅能實(shí)現(xiàn)地?zé)崮艿母咝Ю?，還能有效解決礦山巷道作業(yè)時(shí)的高溫?zé)岷﹄y題。對(duì)嚴(yán)寒地區(qū)取熱需求較大的礦區(qū)，在煤礦巷道結(jié)構(gòu)中采取能源隧道的形式能有效解決防凍難題，且由于礦井通常處于中深層地?zé)崮芾脦?，地?zé)豳Y源豐富，隨深度的增加采暖效果逐漸增強(qiáng)，因此，能源地下結(jié)構(gòu)在寒區(qū)煤礦具有明顯優(yōu)勢(shì)。

由于地?zé)崮芫哂锌稍偕?，穩(wěn)定可靠、清潔持久，經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益和環(huán)境效益均十分顯著，且能源地下結(jié)構(gòu)既能保證地下?lián)Q熱系統(tǒng)的穩(wěn)定性、耐久性，又有相對(duì)低廉的造價(jià)，還具有通用性，可與任何地下建筑結(jié)構(gòu)相結(jié)合，節(jié)省地下空間，因此，該技術(shù)相較于傳統(tǒng)地源熱泵技術(shù)優(yōu)勢(shì)明顯。國(guó)內(nèi)地源熱泵技術(shù)起步較晚，尤其是能源地下結(jié)構(gòu)在國(guó)內(nèi)的應(yīng)用并不多見(jiàn)，加之在“碳達(dá)峰碳中和”的新形勢(shì)下我國(guó)對(duì)非碳基清潔能源和城市地下空間開(kāi)發(fā)利用的迫切需求與日俱增，能源地下結(jié)構(gòu)具有十分廣闊的應(yīng)用和推廣前景。

6 結(jié)論

a.能源地下結(jié)構(gòu)不僅可有效利用非碳基清潔能源-地?zé)崮?，降低碳排放，還能與多種地下建筑結(jié)構(gòu)相結(jié)合，節(jié)省且高效利用寶貴的地下空間資源；同時(shí)，在煤礦巷道布設(shè)能源地下結(jié)構(gòu)既能有效解決深部礦區(qū)作業(yè)時(shí)的高溫?zé)岷﹄y題，還可在嚴(yán)寒地區(qū)的煤礦巷道起到防治凍害的效果。

b.在對(duì)能源地下結(jié)構(gòu)的研究中，為避免求解困難，現(xiàn)有理論研究與數(shù)值模擬均進(jìn)行了簡(jiǎn)化而未充分考慮所有因素對(duì)能源地下結(jié)構(gòu)的影響，導(dǎo)致研究結(jié)果與實(shí)際工況存在偏差；同時(shí)，由于目前大部分研究均是基于不同假設(shè)和條件提出的，使得不同模型和模擬都有其各自的適用性和局限性。

c.建議后續(xù)對(duì)能源地下結(jié)構(gòu)的研究能更好地結(jié)合工程實(shí)際情況，盡可能考慮所有因素對(duì)結(jié)構(gòu)工程的影響，從而減少研究結(jié)果與工程實(shí)際的差異；同時(shí)，還應(yīng)重視對(duì)能源地下結(jié)構(gòu)防災(zāi)減災(zāi)設(shè)施的研究、設(shè)計(jì)和規(guī)劃，在最大程度上確保人員和結(jié)構(gòu)安全的前提下要充分考慮能源地下結(jié)構(gòu)換熱系統(tǒng)的可行性和穩(wěn)定性。加強(qiáng)對(duì)煤礦巷道及礦井地區(qū)布設(shè)能源地下結(jié)構(gòu)的研究與應(yīng)用，是碳達(dá)峰、碳中和背景下實(shí)現(xiàn)綠色礦井建設(shè)的有效途徑。此外，由于地下空間是不可逆的寶貴資源，在加快能源地下結(jié)構(gòu)發(fā)展的同時(shí)一定要注重提前合理規(guī)劃，避免浪費(fèi)或造成不必要的損失。