基于能源樁的城市隧道路面融雪防結冰技術探究

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

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

0 引言

近幾年，我國城市隧道發展迅速，隧道交通形式越來越復雜，其中城市隧道敞開段縱坡最大可達5%[1]。相關研究表明，交通事故率隨著道路縱坡坡度的增加而上升[2]。同時,隧道敞開段暴露在外部環境中，雨雪天氣給車輛在該段路面的駕駛安全提出了考驗。以南京地區為例，根據相關研究統計[3]，南京地區在1960—2007年間路面積雪和結冰的平均天數分別為8 d和50 d，其中,2007年積雪深度達到36 mm。此外，南京地區在2008年和2018年都經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]，有學者開始關注更加高效、節能、環保的道路路面防結冰技術。其中，采用地熱管法進行路面防結冰的方法得到了國內外學者們的關注。地熱管法是將地下巖土體或者水體的熱能提取出來，用以實現路面防結冰。美國、北歐和日本等發達國家較早開展了相關的研究工作，并進行了一些工程應用。例如，美國華爾街道橋融雪化冰系統[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[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熱能，且主要應用于高速公路、橋梁以及機場停機坪[8-9]。

對于城市隧道，如果采用鉆孔埋管的形式提取淺層地熱能，將大量占用城市地下空間資源，不利于城市后期的開發。城市隧道擁有明挖隧道的樁基礎、連續墻等支護結構，以及盾構隧道的襯砌管片。已有研究成果表明這些地下結構是淺層地熱能利用的良好載體[10-13]，如果能夠將這些結構利用起來，通過這些結構提取淺層地熱能，不僅能提高地下換熱器的換熱性能，而且能節省大量的鉆孔費用和地下空間資源。然而，目前利用地下結構提取淺層地熱能用于隧道路面防結冰的研究鮮有報道，只開展了零星的試驗研究[4]，對于其系統設計與運行的可靠性、節能環保效果還缺乏足夠的認識。

因此，本文提出利用隧道樁基礎提取淺層地熱能進行路面防結冰的系統原理及運行理論，結合清涼門隧道工程進行城市隧道地熱防結冰系統的設計，論證設計方案及系統運行的可行性，并探究系統運行的節能環保效果。

1 城市隧道樁基礎地熱防結冰系統原理與理論分析

1.1 隧道樁基礎地熱防結冰技術原理

隧道樁基礎地熱防結冰系統包括隧道樁基礎內熱交換器、水源熱泵機組和路面側熱交換器3個主要部分,見圖1。隧道樁基礎內熱交換器連接的是水源熱泵機組的蒸發器側，熱交換器內循環的是低于地下巖土體的冷水，通過提取樁基礎以及周圍巖土體中的熱能,使得蒸發器中的液體介質吸熱變成低溫低壓氣體進入到壓縮機中。在壓縮機中，低溫低壓氣體通過壓縮機壓縮變成高溫高壓氣體進入冷凝器，路面內熱交換器在冷凝器發生換熱，溫度升高后通過路面內循環將熱量傳輸到路面層,以達到防結冰的目的。

1—壓縮機； 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—蒸發器； 8—氣液分離器； 9—循環泵； 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。

1.2 路面下埋管融雪熱負荷模型

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

路面融雪過程中，首先將雪由環境溫度提升至0 ℃融化，形成雪水，然后雪水在高于0 ℃的環境下升溫，從而蒸發或者流失。融雪時，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荷

q=qs+qm+Ar(qe+qh)。

(1)

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

各負荷計算公式為：

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為環境溫度，南京地區設計溫度取-5 ℃；hif為融化潛熱，取334 kJ/kg；ρw為0 ℃時飽和水蒸汽的密度，取0.004 85 kg/m3；hm為水蒸發時的傳質速率，不同的流動狀態采用不同的傳質公式計算平均對流傳質速率, m/s；hfg為水的蒸發潛熱，取2.5×106J/kg；φ為空氣相對濕度，南京地區冬季平均相對濕度為79 %；v為風速，南京地區取3.2 m/s；a、b、c為常數，分別取530.84 s2/m2、649.61 s/m、 0.005 476 W/(m·s·K)。

根據《實用供熱空調設計手冊》[16]，對于南京地區，冬季室外設計溫度取-5 ℃，冬季室外最多風向的平均風速為3.2 m/s，冬季空氣調節室外計算相對濕度為79%。根據相關計算方法及研究成果[17-18]，南京地區的顯熱負荷qs為2.89 W/m2,融解熱負荷qm為91.88 W/m2,蒸發熱負荷qe為16.28 W/m2，對流輻射熱負荷qh為64.30 W/m2。將各負荷值帶入式(1)，則得南京地區路面所需融雪熱負荷q為135.06 W/m2。

2 城市隧道地熱防結冰系統運行效果分析

2.1 工程概況

本次進行隧道路面防結冰系統設計的區域位于揚子江大道清涼門隧道段。清涼門隧道位于揚子江大道與清涼門大街節點處，隧道總長865 m，最大縱坡4.5%。隧道縱坡較大，車輛易出現打滑事故，設計階段需充分考慮隧道路面防結冰，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置有遮陽結構，因此，考慮在南敞開段245 m路面布置防結冰系統。在暗埋段和北敞開段的樁基礎中布置換熱管，通過換熱管將地下穩定的低品位熱能提取出來，然后通過熱泵機組轉化為高品位熱能供給路面下埋管，以達到南敞開段路面防結冰的目的。

(a) 縱斷面及其分段(單位： m)

清涼門隧道下的樁基礎分布如表1所示。大部分樁基礎的長度為30 m，暗埋段的主體結構埋深可達12 m。根據南京地區的地溫監測數據[19]，南京地區地表10 m以下地溫基本恒定。根據前文對隧道樁基礎地熱防結冰技術的分析，可考慮在隧道樁基礎中布置換熱管，以提取地下巖土體中的淺層地熱能。

表1 清涼門隧道下的樁基礎分布

2.2 系統換熱性能數值模擬分析

2.2.1 樁埋管設計及其物理模型

結合JGJ/T 438—2018《樁基地熱能利用技術標準》，隧道內的埋管管材采用De32 HDPE管，埋管形式為三U型管并聯。為保證換熱管成品率，換熱管布置在鋼筋籠的外側，但是不沿主筋捆綁。同時，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換熱影響范圍內典型地質分層示意如圖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構底板，底板以下部分分別為20 cm厚的早強混凝土墊層和50 cm厚的碎石回填。根據工程勘察鉆孔資料，樁基礎埋深范圍內主要為淤泥質粉質黏土和含淤泥質粉質黏土夾粉土，樁深以下為粉砂夾粉土。

圖3 清涼門隧道暗埋段樁基礎換熱影響范圍內典型地質分層示意圖

基于樁基礎內埋管設計和隧道樁基礎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。模型根據工程實際設置6 m的樁間距，模型長寬各為6 m、深為34 m，樁周圍的土層根據圖3分為3層，模型四周采用對稱邊界條件，樁內為三U型管并聯埋管，單個U型管進出水口夾角為24°

(a) 能源樁模型立面圖(單位： m)

2.2.2 路面下埋管設計及其物理模型

隧道敞開段路面橫斷面圖如圖5所示。

圖5 隧道內瀝青路面橫斷面圖

路面下埋管選用DN25的不銹鋼管，根據隧道路面結構層分布情況，換熱管布置在混凝土鋪裝層中。換熱管埋深較淺時，道路上部的車輛在運行過程中易使管路發生損壞；換熱管埋深較深時，防結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并垂直于道路走向。路面下采用單U型管并聯布置，各U型管進出水口間距為10 cm，相鄰U型管之間的距離為35 cm，在換熱管下方鋪設1層5 cm厚的保溫層，保溫材料需滿足0.7 MPa的抗壓強度。路面下埋管設計見圖6。

(a) 路面下埋管橫斷面圖

基于隧道敞開段橫斷面結構分層以及路面下埋管設計，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、土體結構層以及混凝土墊層視為1層結構，模型下邊界為巖土層下方4 m。

(a) 橫斷面圖

2.2.3 系統換熱性能數值模擬分析

根據隧道樁埋管和路面下埋管的物理模型，建立數值模型及其網格劃分如圖8所示。為了方便模型的建立和計算，在對模擬結果不會產生較大影響的前提下，對路面和能源樁模型進行如下簡化： 1)假設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均不隨溫度的改變而改變； 2)在系統運行過程中，忽略巖土體產生的熱輻射、滲流等現象； 3)巖土體傳熱過程為純熱傳導過程。

(a) 路面下埋管

根據南京地區近10年的氣溫數據，冬季室外設計溫度可按照-5 ℃來考慮，因此，系統運行10 h后路面最不利點熱通量需滿足135.06 W/m2。在計算過程中，路面下單U型管設計流速取0.15 m/s，根據計算在入口水溫為40 ℃條件下可滿足要求，且此時整個路面下埋管系統的換熱量約為1 764 kW。對于樁基礎側，樁內單U型管流速取0.4 m/s，入口水溫取水源熱泵機組標準蒸發器出口水溫。換熱量數值模擬計算結果見表2。根據計算結果，單個U型管10 h換熱量約為2 489 W，如果U型管數量為244根，則總換熱量為1 822 kW。此時，樁基礎所能提供的換熱量能夠滿足系統運行條件，計算結果說明該系統在理論上是可行的。

表2 換熱量數值模擬計算結果

2.3 路面下埋管力學特性分析

對于路面下埋管，由于換熱管敷設在混凝土鋪裝層中，在換熱過程中鋼管中的熱水會使鋼管發生熱膨脹，這種膨脹會受到周圍混凝土的限制而導致換熱管周圍產生較大的溫度應力。為了探究系統運行過程中是否會對道路結構的安全性產生影響，建立道路埋管換熱的二維模型，并運用ANSYS進行換熱條件下的力學計算。

2.3.1 模型的建立

路面下埋管換熱二維數值模型及網格劃分如圖9所示。模型假設道路及混凝土結構層的初始溫度為0 ℃，換熱管內壁為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 ℃，對流換熱系數為25 W/(m2·℃)。模型兩側為對稱邊界條件，同時約束X方向上的變形；模型下方為恒溫邊界條件，同時約束X、Y方向上的位移。

根據地勘報告及文獻[20]，模型相關的計算參數如表3所示。計算過程采用瞬態分析，先計算出系統在運行10 h后的溫度場變化，然后將每一步的溫度場數據作為溫度荷載寫入結構計算，得出每一步的力學計算結果。

表3 路面下埋管熱力學模擬計算參數

2.3.2 路面下埋管熱力學計算結果

不同運行時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生了溫度低于0 ℃的區域。隨著換熱的進行，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，導致瀝青層有較大的溫度梯度。

(a) 0 h

不同運行時間換熱管周圍應力分布如圖11所示。由圖11可以看出: 隨著換熱的進行，換熱管周圍會產生較大的壓應力，該壓應力最大值出現在換熱開始的幾小時內，其值大約為8 MPa，該壓應力的產生是由于換熱管膨脹變形受到了周圍混凝土的約束而產生的;同時，相鄰U型管之間也會產生大范圍的拉應力區域，最大拉應力值約為2.5 MPa，出現在路面開始換熱的幾小時內,隨著換熱的繼續進行，最大拉應力逐漸減小。通過與溫度場變化情況(見圖10)進行對比，該拉應力的變化趨勢與溫度場的變化有著密切的聯系。溫度梯度與拉應力絕對值的大小呈正相關，隨著隧道溫度梯度的降低，拉應力值降低，在運行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產生較大的拉壓應力，壓應力值的大小遠小于混凝土的抗壓強度值，但是拉應力值超出了規定的混凝土抗拉強度設計值。本文考慮采取2種方式消除這一問題： 一種是采取分級加熱的方式減小換熱溫差，另一種是在換熱管下半圈敷設隔溫塑性材料。

2.3.3 結構內力計算結果

對于分級加熱的方式，在本項目模型中先進行20 ℃加熱5 h，再進行40 ℃加熱5 h，計算得到的換熱管周圍應力分布如圖12所示。由圖12可以看出，雖然分級加熱能夠使換熱管周圍的最大拉應力值在系統運行5 h內就降低到1.5 MPa，但這一拉應力值仍大于C30混凝土的抗拉強度設計值，所以采取該方法難以徹底解決系統換熱過程中導致的較大拉應力的情況。

(a) 運行5 h

對于第2種解決措施，敷設隔溫材料和無隔溫材料運行10 h后換熱管周圍溫度和應力分布如圖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生的拉應力。

(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，也能限制溫度在相鄰U型管之間的熱傳遞，最終達到有效降低路面下的拉壓應力。同時,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 系統運行節能效果分析

對于城市隧道，也可采用其他形式的路面防結冰系統進行路面融雪除冰，例如采用碳纖維電纜加熱法防結冰系統[21-23]。本節主要針對碳纖維電纜加熱法防結冰和能源樁地熱防結冰這2種主要的路面主動防結冰系統進行分析。

系統運行能耗與系統設計發熱量、系統運行時間以及系統本身的能效系數有關。根據相關規范以及本文的計算，可以得出系統設計發熱量。先對不同環境工況下的系統運行時間進行分析，結合氣溫資料得出系統冬季運行時間，進而結合不同類型系統運行的能效系數得出系統運營能耗。

2.4.1 系統冬季運行時間分析

不同環境溫度下，路面最不利點熱通量隨時間變化曲線如圖14所示。由圖14可以看出： 剛開始1 h內溫度的熱通量下降是由于環境溫度低于路面溫度造成的，隨著加熱的進行，路面溫度上升，熱通量增加;當最不利點熱通量滿足需求值時或者繼續運行2 h后關閉機組，熱通量先有一段時間的增加，隨后降低。

(a) 滿足需求后關機

觀察最不利點恢復到需求值的時間，表4列出了不同運行條件下的具體計算結果。對表4計算結果進行分析，對于環境溫度為0、-1、-2、-3、-4、-5、-6 ℃條件下(假設環境溫度在1 d內不發生變化)，系統在標準工況下(入口水溫45 ℃)，每天所需運行的時間分別約為4、5、6、8、10、12、15 h?？紤]到晝夜溫差，在南京地區冬季夜間溫度較高(>-4 ℃)的情況下，白天溫度都大于0 ℃，融雪時間可適當降低。因此，在本例中系統相應運行時間分別設置為2、3、4、7、9、12、15 h。

表4 不同環境溫度運行時間數值模擬結果

為了計算南京地區路面防結冰系統所需運行的天數，以2017年和2018年冬季氣溫數據為例，將夜間氣溫≤0 ℃的天氣列入表5，根據統計結果，南京地區防結冰系統冬季需要運行的天數約為50 d。同時根據表4的計算結果,將每天系統所需運行的時間列入表5,最終得出能源樁地熱防結冰系統冬季所需運行時間為362 h。

表5 2017年和2018年冬季防結冰系統運行時間

2.4.2 系統運行節能效果分析

系統每年運行電費

M年=Q總hm。

(6)

式中：Q總為系統每小時運行所需總電能;h為每年運行小時數；m為南京地區用電單價。

系統每小時運行所需總電能

(7)

式中：qsj為每平方米設計發熱量；A為防結冰面積； COP為系統運行。

對于碳纖維電纜加熱法防結冰系統，根據文獻[24]，其系統設計發熱量qsj約為250 W/m2，系統運行COP為1。對于地熱防結冰系統，根據前面的計算分析，設計發熱量qsj為342 W/m2，根據機組選型數據，系統運行COP約為4.9。路面設計除冰長度為245 m，設計除冰平均寬度為27 m，計算得設計防結冰面積為6 615 m2。根據這些計算參數，得到2種類型系統運營能耗，如表6所示。理論計算結果表明，對于該項目應用地熱防結冰系統每年能夠節省60%的運營電費。由此可見，能源樁地熱防結冰系統在城市隧道運營期間有著十分顯著的節能效果。

表6 2種類型系統運營能耗對比

3 結論與討論

本文對城市隧道能源樁地熱防結冰技術原理以及換熱理論進行分析，以此為基礎，依托清涼門隧道工程進行城市隧道地熱防結冰系統的設計，利用數值模擬對系統的熱力學行為進行分析，并與目前應用較多的碳纖維電纜加熱法防結冰系統進行經濟性對比，得出以下結論。

1)對于城市隧道工程，采用隧道樁埋管換熱系統可滿足敞開段路面冬季的防結冰需求。樁基礎內采取三U型管并聯、路面下采取單U型管敷設形式。

2)路面下埋管換熱過程中，換熱管周圍會產生較大的拉壓應力，這種拉壓應力與溫度的不均勻分布密切相關；尤其是在系統剛開始運行的幾小時內，由于較大的溫度梯度，相鄰U型管之間會產生最大約2.5 MPa的拉應力區域，影響路面結構的安全。

3)在換熱管下部采取相應的隔溫措施，能夠很好地降低路面下的拉壓應力，同時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，相比于碳纖維電纜加熱法防結冰系統，城市隧道樁基礎地熱防結冰系統每年能夠節省約60%的運營電費，節能效果顯著。

利用地下結構提取淺層地熱能用于隧道路面防結冰有著較好的應用前景，但隧道結構復雜，銜接點多，隧道周圍的可用空間十分受限，該系統需要在城市隧道結構及其周圍敷設管路系統，而目前尚未有隧道內敷設換熱管的相關技術標準。如何確保換熱管在受限及復雜空間內的正常施工，以確保系統的正常安裝與運行，需要進一步研究與探討。本文給出了樁基礎以及路面下埋管設計方案，但是該方案的給出只是基于類似工程實際及經驗，仍需通過研究提出更加優化的埋管設計方案。同時，取熱段以及加熱段范圍的合理性仍需通過分析計算進行驗證。