能源隧道长期性能演变机理与设计方法研究

As a novel geothermal energy extraction technology, geothermal energy tunnel has received high attentions from worldwide researchers. It will contribute a lot to the energy conservation, emission reduction, and sustainable development of China. However, lack of knowledge on the lining structure-soil interaction in geothermal energy tunnels seriously restricts its wide application. Theoretical research and laboratory test will be applied together in this project to investigate the following key issues: 1) Through in-situ long term thermal response test in soils, the macroscopic thermal behaviors of soils under different temperatures and stress conditions will be investigated, and prediction models basing on in-situ soil strength and deformation parameters under long-term thermal cycles will be developed. 2) By carrying out thermal response test under complex coupled influences, the tunnel structure-soil interaction in geothermal energy tunnels will be studied. 3) Trough long-term performance analysis model basing on in-situ parameters, thermal behaviors of thermal energy tunnel from a long-term perspective will be investigated. 4) Design and calculation methods for geothermal energy tunnels on the basis of in-situ parameters will be presented. Results of this research project will provide critical theoretical foundation for the geothermal energy study and engineering application of geothermal energy tunnels in China.

作为新型地温能开发利用的能源隧道是近年来国际同行研究的热点，对于构建我国节能减排和可持续发展社会具有重要意义。然而现阶段能源隧道长期性能研究的不足严重制约了该技术的发展应用。本项目采用理论分析和试验验证相结合的技术路线，拟研究下述关键问题：（1）通过土体长期原位热力响应试验，从宏观尺度研究长期冷热循环反复作用下土体的热力性能演变规律，建立考虑长期冷热循环效应的土体原位传热、强度和变形指标预测模型；（2）开展能源隧道长期热力响应模型试验，探明长期冷热循环反复作用下能源隧道结构-土相互作用演变规律；（3）建立基于原位参数的能源隧道长期性能分析模型，揭示能源隧道长期热力性能演变机理；（4）提出基于原位参数的能源隧道设计计算方法。研究成果可为推广我国能源隧道的应用提供重要的理论依据和技术支撑，具有广阔的应用前景。

能源隧道是一种将传统地埋管地源热泵技术的热交换管路直接植入隧道衬砌结构内的新型地温能开发利用技术，同时承担结构和暖通双重功能，实现隧道附近建筑的供热/制冷服务，解决了在城市中推广地源热泵技术占地和成本高两个主要障碍，对于构建我国节能减排和可持续发展社会具有重要意义。然而现阶段能源隧道长期性能研究的不足严重制约了该技术的发展应用。本项目采用理论分析和试验验证相结合的技术路线，开展了土体长期热响应试验和土体长期原位热力响应试验，探明了土体原位热力性能演变规律；开展不同温度环境下结构-土界面剪切盒试验，揭示能源隧道结构-土相互作用规律；开展能源隧道热力响应模型试验，揭示能源隧道热力耦合响应机制；建立能源隧道热力耦合数值计算模型，分析研究不同地质条件、地下水条件、不均衡冷热负荷、热泵运行间歇比和热交换管设计参数条件下能源隧道长期演变规律，揭示能源隧道长期性能演变机理。建立了基于预钻孔热探头的土体热物性参数原位测试方法，提出基于原位参数的能源隧道换热器出口温度取值方法和能源隧道能效评估方法，优化能源隧道热交换管铺设位置和布置形式，最终提出了基于原位参数的能源隧道换热器设计计算方法。研究成果已应用于深圳市沙浦山能源隧道工程设计，指导完成了沙浦山能源隧道衬砌换热器设计计算，每组热交换管长度约210m，共布置84组，能源隧道段长度为252m，为隧道管理中心提供全年140kW的建筑制冷负荷。研究成果可为推广我国能源隧道的应用提供重要的理论依据和技术支撑，具有广阔的应用前景。