能源地下结构研究及应用进展

温继伟，侯珺泷，刘星宏，曾现恩，项 天，陈昊天

(1.石家庄铁道大学 土木工程学院，河北 石家庄 050043；2.成都理工大学 环境与土木工程学院，四川 成都 610059)

随着我国社会经济高速发展与城镇化进程不断推进，以及“一带一路”“交通强国建设”等国家重大需求和发展战略的相继提出，地下轨道交通、地下综合管廊、地下通道和停车场等地下结构基础设施建设得到了高速发展。然而，在碳达峰碳中和目标新形势下，减少CO2排放、提升能效、缓解全球变暖也是当前需要解决的重大社会和环境难题。目前，建筑能耗约占全国总能耗的1/3，而暖通空调(Heating,Ventilating and Air Conditioning，HVAC)能耗在建筑能耗中的占比高达2/3，因此，通过地热能等清洁能源的开发利用，降低建筑能耗，尤其是暖通空调能耗，显得尤为必要和迫切[1]。

目前，地热能通过传统地源热泵技术的运用得到一定程度的开发利用，它是将一定深度内的地层作为热/冷源为地面建(构)筑物冬季供热、夏季制冷的绿色、低碳、环保型建筑节能技术[2]。能源地下结构是一种由传统地源热泵引申而来的建筑节能结构新形式，本文系统总结了常见的 4 种能源地下结构，阐述了能源地下结构的研究现状、应用进展、主要不足和发展前景，分析了在煤矿巷道中布设能源地下结构的可行性，以期对绿色矿井建设中亟待解决的深部矿区作业时的高温热害及寒冷地区煤矿巷道的冻害等难题提供新的解决思路。

1 能源地下结构的概念及优势

能源地下结构自1980 年首次提出以来，经过40余年的发展，已在世界各地形成多种应用形式。常见的能源地下结构有能源隧道、能源桩(能源锚杆)、能源地下连续墙、能源综合管廊等形式[3]。它是通过在建筑基础构件和地下结构物中植入地下环路管系统，形成地下换热器，从地下结构本身处于的一定深度且常年处于恒温的地层中获取或释放能量。这种将地下换热器和地下结构紧密结合的方式，既能有效确保建筑结构及煤矿巷道等的稳定和安全，也能保证其换热性能的可靠和持久。

基于能源地下结构独有的结构形式，其具备以下主要优势[1-4]：(1) 与传统的石油、天然气和煤炭等以碳基为主的非再生化石能源不同，地热能是一种可再生、可持续安全利用的非碳基清洁能源。浅层地热能的能量主要来源于太阳辐射和地球梯度增温，中深层地热能的能量主要来自地球内部的熔融岩浆和放射性物质衰变。因此，相比于空气源热泵(常规暖通空调)，地源热泵能够更有效地起到节能减排、生态环保的功效。(2) 能源地下结构创新性地将地下换热构件与地下结构紧密结合在一起，节省了传统埋管式地源热泵所需的地下空间，有利于当前我国大城市的地下空间开发。(3) 相比于传统地源热泵技术，能源地下结构的经济效益更好。在建筑结构施工时，可兼顾对地层的勘察，减少了传统地源热泵工程前期的地质勘察成本；同时，由于能源地下结构将地下换热器和地下结构紧密结合，无需额外施工钻孔，可有效降低初始投资费用。(4) 能源地下结构使用的换热管埋设在混凝土等结构构件中，相比于传统的地源热泵，不会污染地下水，也不会影响地下水位。(5) 将能源地下结构技术理念运用于煤矿巷道等采矿作业及矿井建设中，在实现节能减排、生态环保前提下，既能有效解决深部矿区作业时的高温热害难题，还可防止寒冷地区的煤矿巷道等发生冻害。

2 岩土热物性参数及换热材料

在对能源地下结构进行设计选型时，获得地层岩土热物性参数十分重要，其决定了热源的可靠性和持久性。与能源地下结构设计相关的岩土热物性参数，主要包括热传导系数、比热容和热扩散系数[5]。由于岩土复杂的物理化学结构和分布地域的差异性，使得其热物性参数既无法通过简单的理论计算，又难以利用资料查阅得到精确可靠的数据，因此，在工程实践中主要通过岩土热物性原位测试方法，即现场热响应实验法(Thermal Response Test，TRT) 来获取[6-8]。此外，能源地下结构的换热性能受地下能源结构材料(可理解为传统地源热泵中的回填料)的换热性能影响较大。国内外众多学者通过在水泥或膨润土中添加粉煤灰、萤石、石墨、石英砂等添加剂的方式，制备出高导热的结构材料，能够满足不同工况下的换热需求[9-15]。在工程实践中，出于方便施工的考量，换热管材料逐渐由高密度的聚乙烯或 PVC 管换作金属材质的换热管；同时，为避免水在零度以下结冰体积膨胀，易造成换热管道破裂，因此，在低温环境下需向水中加入盐、乙二醇、甲醇等抗冻处理剂或防冻液[16-17]。

3 常见的能源地下结构现状

3.1 能源隧道

能源隧道是通过在隧道衬砌中埋设换热管，提取隧道围岩地热能及(或)隧道内部空气热能的一种结构形式。其工作原理是将分、集水管与地源热泵前端相连，形成换热管封闭系统，如图1 所示，通过水泵驱动使系统内的循环介质在换热管内循环流动，在此过程中吸收隧道围岩地热能及(或)隧道内部空气热能，再将其用于相关建(构)筑物的供热或制冷[18]。在地下隧道和地下车站中，车辆、机电设备和人群等产生的热量(废热)不易排出，此时隧道内温度高于围岩温度，使用常规暖通空调系统会造成大量能耗，而能源隧道通过将换热管埋设在隧道衬砌中，加速隧道内废热的散出，达到制冷的效果，并能有效降低暖通空调系统能耗；同时，能源隧道也可在冬季围岩温度高于隧道内温度时提取围岩热量来为车站及周边建(构)筑物供热[20]。

图1 地下能源隧道与地上建筑物连接方式[19]Fig.1 Connection mode of underground energy tunnel and s urface buil ding[19]

在使用新奥法(New Austrian Tunnelling Method，NATM)等传统工法施工隧道时，换热管可在场外预先连接到无纺土工合成材料上，再将其放置在一次和二次衬砌之间[21]，这种预制式的能源隧道施工方式，使现场安装换热管相对方便。当采用机械化掘进时，隧道衬砌管片可在工厂预制，再由隧道掘进机在现场铺设；在装配能源隧道衬砌时，每个衬砌管片里的回路通过液体管路与相邻部分的回路相连，由6～7 个衬砌管片形成衬环回路，2 个或2 个以上的环组成一个子回路，然后再通过主管道与热泵连通[22]，如图2 所示。

图2 能源隧道衬砌结构形式[19]Fig.2 Liningstructuralmodeofenergy tunnel[19]

能源隧道及其换热能力、温度应力的测试研究已有不少成果，主要集中在能源隧道换热系统的换热影响因素、换热效率，以及换热过程中温度应力的变化对能源隧道结构稳定性的影响等方面。M.Barla 等[23]通过三维数值模型预测了意大利都灵地铁一号线埋设换热系统后夏季与冬季的换热量分别为74、53 W/m2。夏才初等[20]通过恒定进口温度法开展了热性能测试(Thermal Performance Test，TPT)，在内蒙古林场隧道的一个能源隧道试验段分析了热交换管入口温度、流量及管间距对换热量的影响。郭红仙等[24]利用COMSOL 软件对新八达岭长城站能源隧道试验段热响应试验进行了数值分析与适用性评价。马康等[25]基于ABAQUS 通用有限元软件与清华岩土热力学模型有限元分元程序(Tsinghua Thermo-soil Model Finite Element Program，TTS-FEP)，分析了能源隧道换热过程中产生的温度应力，其中的环向应力变化较为明显，径向应力在衬砌与围岩界面处会产生明显的应力集中现象。

此外，近些年来，能源隧道也已被成功应用于寒区隧道的防冻保暖中[26-30]，如图3 所示。张国柱等[27]通过开展寒区隧道地源热泵的岩土热响应实验，进行了一系列热交换管内循环介质温度对衬砌和周边围岩温度场的影响分析。陈明全[28]通过设计2 种不同的太阳能与地源热泵复合寒区隧道防冻系统，通过补偿寒区隧道过度的热能提取，以期有效避免能源隧道在冬季从地下提取的热量大于夏季释放到地下的热量而造成地面冻结现象，运用TRNSYS 软件对其可行性进行了分析，并通过传统地源热泵系统进行了数值模拟对比研究。

图3 寒区能源隧道结构形式[30]Fig.3 Structural modeofenergy tunnelinthecold zone[30]

事实上，能源隧道的应用范围十分广泛，城市地区是其最好的应用地点，在城市交换的热量可以直接被邻近的建(构)筑物所利用，还可集成到地区的供暖和制冷系统中。斯图加特萨南霍夫隧道、奥地利维也纳2 号线地铁、意大利都灵地铁隧道、日本的Nanaoritoge 隧道以及我国的新京张铁路清华园隧道都成功应用了该技术[29]。在寒冷地区，能源隧道还可以达到防冻保暖的效果，内蒙古博牙高速扎敦河隧道就是一个典型的成功案例[30]。

能源隧道的技术理念还可以运用到煤矿巷道工程实践中，由于煤矿钻掘的巷道大多处于地下200 m 以深，形成的硐室既可作为宝贵的地下空间资源加以利用，同时还可利用煤矿巷道充足的换热条件。首先，大部分煤矿巷道处于中深层地热能利用带，具有丰富的地热能资源；其次，由于巷道较长、与围岩接触面积较大，换热表面积大，因此，煤矿巷道是一个极为理想的天然蓄热器和恒温器[31]。此外，煤矿深部巷道开挖过程中几乎不可避免地存在高温热害难题，会导致井下人员和设备长期处于高温、湿热的作业环境中，不仅造成采矿效率大幅衰减，还会严重影响着人员健康和设备使用寿命[32]。

为有效解决深部矿产资源开采所遇到的高温难题，降低深部地热开采成本，高效利用中深层地热能，蔡美峰院士等[33] 开创性地提出深部矿产资源开采系统和地热开发系统“共建-共存-共用”的理论体系，为深部矿产和地热资源共采战略提出了地质勘查、科技创新、扶持政策、顶层规划与科研示范基地等方面的发展建议。亢方超等[34] 基于开挖、爆破、崩落等采矿技术提出的开挖式增强型地热系统( Enhanced GeothermalSystems Based on Excavation Technology,EGS-E)，为突破传统基于钻孔和水力压裂技术的干热岩型地热资源开采方法-增强型地热系统(Enhanced Geothermal Systems，EGS) 的瓶颈，实现干热岩型地热资源大规模商业开发提供了一种全新的解决方案。

在煤矿巷道中布设地埋管换热系统与能源隧道施工类似，将U 型管布置在垂直于巷道壁的钻孔中，并对钻孔进行封堵充填，使其与地下煤矿巷道周围岩体形成统一整体。多根U型管连接形成换热管网，通过管内换热流体的循环流动，便可实现将地下热量与地面热量进行热交换[35]。相较于目前常见的浅层地埋管系统，矿山地埋管系统埋深较大，受地温梯度影响，随深度的增加采暖效果逐渐增强，因此，对取热需求较大的北方寒冷地区具有明显优势。

矿山地埋管换热系统不仅可以通过采取地热能实现清洁能源高效利用，还能有效解决矿山作业时的高温热害及保温防冻难题。随着我国矿产资源，特别是煤炭、金属等固体矿产资源开发逐步向深部推进，以及地热能这一非碳基清洁能源的广泛使用，我国矿山地热开发的发展空间和前景将是十分广阔的。

3.2 能源桩(能源锚杆)

能源桩是在桩基础中埋设换热管，在满足桩基础力学性能的基础上，通过桩体实现埋管与地层的热交换[36]。常见的能源桩类型包括预制桩、钢筋混凝土桩及钢管桩等，其中钢筋混凝土桩的应用最广，这得益于其良好的储热和传热性能[37]。图4 是能源桩的结构形式。

图4 能源桩的结构形式[16]Fig.4 Structuralmodeof energypile[16]

图5 是能源桩换热管常用的埋设方式，主要有单U 型、串联双 U 型(W 型)、并联双 U 型、并联三 U 型和螺旋型等[38]。

图5 能源桩埋管形式Fig.5 Buried pipe modes in the energy pile

图6 为能源桩冬夏季工况的热交换行为示意图。其中，夏季制冷工况时，地上室内温度高于地下土壤温度，换热介质将室内的热能提取出来，通过热泵循环流动释放到土壤中，从而降低室内温度，达到制冷的效果[39]；冬季供热工况时系统工作过程则相反。在能源桩传热模型研究方面，对于不同结构的能源桩，其传热模型也有所不同，如在直径较小的桩基中多用空心圆柱热源模型，螺旋管换热器适于用实心圆柱热源模型，而线圈热源模型与螺旋线热源模型适合所有桩埋管形式[41]，但上述传热模型研究成果对于微观层面的桩-土接触状态、土颗粒接触形式对能源桩换热效率影响方面的考虑有所欠缺。

图6 能源桩冬夏季工况的热交换行为[40]Fig.6 Heat exchange behaviorof energy pile in winterand summer[40]

在能源桩力学特性研究方面，桂树强等[42]研究了在温度荷载、结构荷载，以及桩侧和桩端约束的多种工况条件下，桩身的应力-应变特性和桩周侧摩阻力变化的一般规律，并建立了相关简化分析模型。张琦等[43]通过室内试验，测试了桩身-岩土体接触界面在温度循环条件下的变形特征。程晓辉等[44]基于清华热力学岩土本构模型(Tsinghua Thermodynamical Soil Model，TTS 模型)，开展了饱和高岭土升温排水试验和能源桩的有限元分析。可以发现，对于能源桩的力学特性研究主要通过建立简化力学分析模型，而对于复杂条件下能源桩的热力耦合性能研究仍较少。

能源桩不仅可用于矿区建(构)筑物施工中，对于地下煤矿巷道支护工程同样适用，运用相似的原理将换热构件与支护锚杆结合可形成能源锚杆。目前，少数国外地铁站台已将其运用于站台的温度调节[16,45]，但国内部分学者对能源锚杆仅进行了探索性研究，还未见工程应用实例报道。韩建飞[46]通过有限元分析软件ADINA 建立了流-固耦合的 PE 管-锚杆-土壤三维温度场模型，分析了不同工况、进水速度、流体速度、供水温度和导热系数条件下能源锚杆的换热性能及传热机理，并进行了现场试验，对能源锚杆的施工工艺进行了研究；李志毅等[47]基于有限元分析软件ADINA，模拟冬季工况下能源锚杆热泵系统运行状况，探究了土壤热物性参数、供水温度、埋管流体速度及钻孔填充材料等关键参数对能源锚杆换热效率的影响。总之，不论是能源桩还是能源锚杆，在煤矿巷道等矿区建设中都有广阔的应用前景，这种绿色低碳、环保节能的结构形式应在未来的矿区建设和运营维护中得到运用推广。

能源桩作为最早应用的能源地下结构，在世界范围都有大量的工程应用实例。瑞典PAGO 公司的办公大楼、日本札幌市立大学教职工公寓、德国图宾根Kreissparkasse Tuebingen 银行、波鸿市Stadtwerke 公司及法兰克福某塔等都在其建筑内采用了能源桩结构。德国法兰克福某塔使用213 根直径1.5 m、长30 m 的钻孔桩支撑，其中112 根钻孔桩应用了能源桩技术，满足了20% 的供热和100% 的制冷需求[48]。英国建筑面积达50 000 m2的One New Change 大厦办公楼的能源桩系统能够满足2 MW 的供热和制冷需求，每年可节省花费超6 万英镑，减少CO2排放近300 t。国内对能源桩应用最早的是2004 年位于天津的一个能源桩工程，2006 年同济大学修建的旭日楼能源桩深达28 m，运行效果良好[49]。2007 年南京朗诗·国际街区项目在1 200 根桩基础中埋设了U 型或W 型传热管，桩长约30 m，并在建筑物外围加设了302 口深60 m 的换热井，使项目整体能耗减少40% 以上[50]。2010 年，上海世博会的世博轴采用直接式江水源热泵系统和能源桩复合热泵形式，桩长采用25、40 m 两种尺寸、桩间距4～6 m，共计6 000 根工程桩构成桩基埋管换热器，是目前世界上单体能源桩用量最大的工程，均埋设W 型换热管，每年可减少CO2排放量5 629 t，全年节能率可达61.40%。此外，在天津、宁波、吴江、温州等地的办公楼、小区等，也均有应用能源桩的实例[51]。

3.3 能源地下连续墙

能源地下连续墙是将地下埋管直接绑扎在地下连续墙的主筋上，与地下连续墙一起形成换热构件的结构形式[52]，如图7 所示。与能源桩的轴对称属性相比，能源地下连续墙几何结构更加复杂且可能存在地下临空面(图8)，会造成能源地下连续墙的热边界条件受外界环境的季节性变化影响而不确定，因此，目前国内外更多聚焦在能源地下连续墙的换热模型、换热计算等理论和数值模拟研究，实地测试数据较少。

图7 能源地下连续墙结构形式[16]Fig.7 Struct uralmodeofenergyundergrounddiaphragm wall[16]

图8 能源地下连续墙埋管形式Fig.8 Form of buried pipe in energy diaphragm wall

夏才初[53]、孙猛[54]等通过建立开挖面上下两部分的能源地下连续墙传热模型，并采用格林函数法推导其解析解，找到可优化分析能源地下连续墙埋管布置工艺及间歇运行时间等参数的方法，又通过现场试验测试了埋管布置形式、循环水流速、进水温度和运行模式对能源地下连续墙换热效果的影响。董盛时[55]分析了换热条件下能源地下连续墙的力学响应问题，通过大尺寸模型试验及数值模拟方法得到了换热条件下的温度场、墙内应力应变状态与墙土接触面法向应力的变化规律。上述研究均发现，地下连续墙在不同工况条件造成温度变化的情况下会产生分布不均的温度应力，且换热管附近会有应力集中现象。此外，P.J.Bourne-Webb 等[56]通过设置不同的埋管布置方式、隧道墙体临空面边界条件及墙和土的热膨胀系数比值，分析了对能源地下连续墙体弯矩的影响。K.Soga 等[57]通过二维有限元数值模拟方法，对比分析了无换热和换热过程中墙侧土体孔隙水压力、墙体的水平位移及墙体的弯矩变化。

在矿区，防渗墙、连续墙、水闸墙等墙体结构大量存在于地下煤矿井巷系统中，将换热构件埋设在墙体中的结构形式同样具有广阔的应用前景。如将换热系统布设在水闸墙或连续墙等墙体结构中，既可以提取地下高温热水及高温围岩中的热量为需要的建(构)筑物供热，又能以此方式通过循环换热介质将地面的低温流体输送到地下，降低煤矿巷道高温，有效缓解煤矿巷道采掘作业时的热害难题，将使深部资源开采时遇到的高水温、高地温难题变害为利[58]。

1996 年，奥地利和瑞士率先将地埋管换热系统应用于地下连续墙中，维也纳U2 地铁线将大量地下连续墙当作热交换元件[16]。2009 年建成的上海自然博物馆地下连续墙内埋有452 组W 型埋管，运行效果良好[54]。由于能源地下连续墙较为复杂，导致对能源地下连续墙在换热条件下的力学及变形特性尚缺乏统一的认识，其内在的变形特征及机理尚不明确，在工程设计中也缺乏相应的优化设计计算方法，同样影响了能源地下连续墙的应用与推广[55]。

3.4 能源综合管廊

与能源隧道结构相似，能源综合管廊是将地埋管换热系统设置在地下管廊混凝土结构中的一种兼具承载及换热功效的新型结构工程。能源综合管廊系统原理如图9 所示[59]。该结构冬季从综合管廊周围地层中吸收热量，通过能源站中的热泵机组输送至用户终端，实现建筑空间的供热，夏季则利用地层低温为建筑空间制冷。这种方式既有效实现了对不同管线的集中敷设和管理，节省宝贵的城市地下空间资源，又能达到节能减排的效果。

图9 能源综合管廊原理[59]Fig.9 Energyintegratedpipegallery[59]

目前对于能源综合管廊的研究较少，李思茹等[60-61]建立了管内流体、管廊内空气及混凝土结构和土壤的耦合换热数理模型，对能源综合管廊的换热特性、一定工况下的最优布置方式及全年周期的运行特性等能源综合管廊的可行性展开了分析，认为地埋管在管廊混凝土结构内的最优埋设位置是在距离管廊内壁200 mm 处，且能源综合管廊只有在严寒地区(如新疆乌鲁木齐等)的冬季时无法运行，而在我国另外4 个气候分区内冬夏季均可正常运行。

由于能源综合管廊的概念提出时间比其他能源地下结构晚，且由于综合管廊大多位于地下浅层土壤内，存在明显的温度分层现象，温度值并非恒定，目前对此研究较少，尚未见有实际工程应用报道。

在煤炭行业，为保障煤矿作业区正常的生活及生产需求，敷设了大量输气、供水、电缆及通信等多种管线，若这些管线直接裸埋在地下，必定会造成难以维护、易损坏等问题，因此，将能源综合管廊应用于矿区，既可有效保护各种管线，也可有效利用矿区地下的地热能，实现煤矿的低碳绿色采掘。

4 能源地下结构的防灾减灾设计研究

由于地下空间开发的不可逆性及对工程安全的日益重视，在能源地下结构规划中对防灾减灾设计必不可少。结合已有的实际工程及相关研究，地下结构的防灾重点主要集中于隧道和综合管廊的抗震、抗爆和防火设计等方面。

国内外学者主要通过原位观测(现场灾害调查)、模型试验及建立数理模型对地下结构的地震反应、变形破坏特征和抗震可靠性等进行计算来分析地下结构的抗震减震性能[62-64]。地下结构内的爆炸破坏力大、冲击力强，对结构稳定性、人员人身安全都会造成较大危害，因此，受到普遍重视。研究人员主要通过有限元软件建立爆炸荷载作用下地下结构的数值模型，分析其衬砌结构的动力响应及损伤机理，发现地下结构衬砌的损伤破坏具有局部性和弱传递性，并探查出不同地下结构的抗爆薄弱区[65-67]。

火灾作为地下结构最常见、危害最大的灾害之一，除了对身处地下结构内的人员造成巨大伤害外，还会对地下结构的四周衬砌结构产生较大破坏，因此，对地下结构火灾的发展规律、人员逃生、衬砌结构高温力学性能等方面的研究至关重要。相关学者主要通过数值模拟或与工程实例结合的方法，对地下结构火场发展规律、人员逃生设计，以及高温火灾作用下衬砌结构的温度场分布和破损规律进行了研究[68-70]。

地震、爆炸及火灾等灾害都会不可避免地对能源地下结构的稳定性造成危害，并会影响换热系统的正常运行。结合现有地下工程的防灾减灾设计，对能源地下结构的防灾减灾设计提出如下建议和展望：

(1) 地下结构抗震计算方法主要有 3 种：静力法、反应位移法及其变化形式和动力分析法[71]。然而，上述3 种计算方法适用范围有限，使用时有诸多限制，如现行规范中的静力法无法对隧道及综合管廊纵向进行抗震计算、传统反应位移法无法适用于非均质地层、动力分析法计算量大，受限于计算机容量及计算能力等，因此，对于简便、可靠的抗震计算方法和专门针对能源地下结构的抗震减震设计规范的制定和完善，仍是今后能源地下结构抗震设计研究的重点。

(2) 能源地下结构的防震害措施应通过抗震和减震2 方面进行设计规划，具体为：前者可通过采用柔性连接方式过断层破碎带、设置抗震缝及根据断层蠕变和错动量采取扩挖措施等实现；后者主要思路是通过在能源地下结构，如在隧道的衬砌和围岩间设减震层，构成围岩-减震层-衬砌系统，吸收部分地震能量(图10)，从而有效减小或改变地震对结构的作用强度和方式，但需注意的是，能源地下结构的减震层和换热层可能存在位置重叠及相互影响等不良效果，因此，当能源地下结构通过地质断裂带时，不建议布设换热系统。

图10 围岩-减震层-衬砌系统[63]Fig.10 Sketchdiagramof rock-layer-lining system[63]

(3) 建议加强能源地下结构在地质条件复杂或地质条件突变处，以及在其附属结构如竖井、联络横通道连接处等结构刚度突变部位的防护，以加强能源地下结构的抗震性能。建议加强能源地下结构重点迎爆面，如能源综合管廊燃气舱的舱壁厚度、焊缝处的焊接强度等，以提高能源地下结构的抗爆性能，也可通过敷设吸能缓冲效果良好的材料(如泡沫铝、聚苯乙烯泡沫EPS、聚乙烯泡沫EPE 等)吸收和抵抗爆炸冲击波。当前，地下结构在爆炸荷载作用下的动力响应与毁伤效应仍以数值模拟分析为主，可适当开展相应能源地下结构大尺寸模型爆炸实验获取更为准确的数据资料；同时，还应加强对强冲击作用下的能源地下结构变形问题、抗震抗爆设施耐久性等问题的研究。

(4) 建议加强不同能源地下结构截面尺寸、截面形状、能源地下结构内风机对于火灾的发展规律与烟气的运动规律的影响研究，还应加强衬砌结构高温力学性能阻燃材料、新型灭火技术及救援与人员逃生等能源地下结构防火重点等方面的研究。

5 能源地下结构存在的主要不足及发展前景展望

通过总结4 种不同能源地下结构的研究及应用，发现目前能源地下结构研究及应用领域还存在以下主要不足：

(1) 对能源桩的研究主要集中在换热性能和热力耦合性能2 大方面。前者研究内容主要关于换热管规格、布置方式、换热流体介质、换热流体流速等宏观层面，而对于微观层面的桩-土接触状态、土颗粒接触形式对能源桩换热效率的影响研究较少；后者研究内容主要集中在建立简化力学分析模型，但对于复杂条件下能源桩的热力耦合性能研究较少，后续应开展传热学、岩土力学、流体力学等多学科交叉融合基础研究，聚焦温度应力作用下能源桩承载力变化的具体机理，考虑多因素全方位评估能源桩的热力耦合性能。

(2) 对能源隧道的施工构件预制化、施工方式机械化等施工标准的研究尚有欠缺，不同的施工标准会影响施工进度及能源隧道的换热效果；同时，能源隧道的应用场景也较为有限，根据国内外为数不多的应用案例可发现，能源隧道目前主要应用于城市地铁换热及山区隧道防冻，后续应加强能源隧道在非传统隧道领域(如煤矿巷道、矿山采掘等)的应用研究，并聚焦能源隧道在极端条件(如严寒冻土区)下的防冻应用难题，拓展能源隧道的应用范围。

(3)对于能源地下连续墙和能源综合管廊的研究及应用都较少，二者在国内外都鲜有实际工程案例。在地下连续墙方面，应首先聚焦模型建立及简化，并依托合适工程进行实地数据测量，将数值模拟数据与实地测试数据验证对比，优化建立的能源地下连续墙数学物理模型，进一步推进其应用。而对于后者，应依托能源隧道的研究应用背景，深化对于能源综合管廊的浅埋地层温度分层现象、矩形管节的换热管布置方式、能源综合管廊换热效率、管廊内多线路运行热干扰等能源综合管廊可行性研究，为实际工程应用提供理论支持。

在“一带一路”“交通强国建设”“碳达峰碳中和”“城镇化快速推进”及“城市地下空间开发利用”等国家重大需求的时代背景下，能源地下结构未来的发展方向应更贴合城市规划开发需求、更环保低碳、更节能高效、更广泛的应用场景，因此，还需加强对于复合能源系统的开发，可综合利用太阳能、风能等非碳基清洁能源，构建综合清洁能源利用系统，进一步降低城市建筑能耗。此外，还可拓展能源地下结构在诸如矿区建(构)筑物及煤矿巷道的新应用，在这种应用场景下不仅能实现地热能的高效利用，还能有效解决矿山巷道作业时的高温热害难题。对严寒地区取热需求较大的矿区，在煤矿巷道结构中采取能源隧道的形式能有效解决防冻难题，且由于矿井通常处于中深层地热能利用带，地热资源丰富，随深度的增加采暖效果逐渐增强，因此，能源地下结构在寒区煤矿具有明显优势。

由于地热能具有可再生性，稳定可靠、清洁持久，经济效益、社会效益和环境效益均十分显著，且能源地下结构既能保证地下换热系统的稳定性、耐久性，又有相对低廉的造价，还具有通用性，可与任何地下建筑结构相结合，节省地下空间，因此，该技术相较于传统地源热泵技术优势明显。国内地源热泵技术起步较晚，尤其是能源地下结构在国内的应用并不多见，加之在“碳达峰碳中和”的新形势下我国对非碳基清洁能源和城市地下空间开发利用的迫切需求与日俱增，能源地下结构具有十分广阔的应用和推广前景。

6 结论

a.能源地下结构不仅可有效利用非碳基清洁能源-地热能，降低碳排放，还能与多种地下建筑结构相结合，节省且高效利用宝贵的地下空间资源；同时，在煤矿巷道布设能源地下结构既能有效解决深部矿区作业时的高温热害难题，还可在严寒地区的煤矿巷道起到防治冻害的效果。

b.在对能源地下结构的研究中，为避免求解困难，现有理论研究与数值模拟均进行了简化而未充分考虑所有因素对能源地下结构的影响，导致研究结果与实际工况存在偏差；同时，由于目前大部分研究均是基于不同假设和条件提出的，使得不同模型和模拟都有其各自的适用性和局限性。

c.建议后续对能源地下结构的研究能更好地结合工程实际情况，尽可能考虑所有因素对结构工程的影响，从而减少研究结果与工程实际的差异；同时，还应重视对能源地下结构防灾减灾设施的研究、设计和规划，在最大程度上确保人员和结构安全的前提下要充分考虑能源地下结构换热系统的可行性和稳定性。加强对煤矿巷道及矿井地区布设能源地下结构的研究与应用，是碳达峰、碳中和背景下实现绿色矿井建设的有效途径。此外，由于地下空间是不可逆的宝贵资源，在加快能源地下结构发展的同时一定要注重提前合理规划，避免浪费或造成不必要的损失。