将地源热泵与建筑结构构件结合在一起的能源地下结构是可以有效利用浅层地热能的新型节能环保技术之一,可以带来明显的环境和经济效益。随着我国地源热泵技术和经济基础的快速发展,社会对于良好生态环境的需求日益增加,能源地下结构也成为非常值得推广应用的环境友好型新能源技术。本文的主要内容是对能源地下结构的换热及多场耦合现象进行设计和分析,利用经典解析方法分析换热器长期稳定性问题,同时使用COMSOL Multiphysics有限元方法对地下换热器进行初步设计。通过推导动态荷载解析解来延伸经典解析方法的运用范围;通过试验和有限元软件的对比来检验有限元软件的分析能力;同时通过具体工程案例来对能源隧道可行性进行论证。本文主要的工作成果有:1.使用地埋管换热器经典传热模型理论,推导了动态荷载下有限长线热源模型和无限长线热源模型的解析解,并与ANSYS有限元软件进行了对比验证;试验表明,解析解可以有效计算变热流密度下地埋管换热器的长期工况问题,并且可以与移动热源理论相结合,计算地下水渗流情况下变热流密度的解析解。2.推导了饱和土体中热流耦合问题离心机试验的比尺法则,并通过COMSOL有限元软件模拟了Savvidou离心机试验的热流耦合传热现象,对缩尺模型中离心机试验的重要性进行了阐释;离心机缩尺试验在满足热流耦合相关参数的比尺法则时,模型能有效反映出原型中主要的传热机制以及温度、流速等重要变量。3.在西宁—成都高速铁路寒区特长隧道洞口保温的案例基础上,使用COMSOL有限元软件建立了能源隧道地源热泵系统2D和3D分析模型,通过利用西宁气象数据,本文求出了隧道洞口保温的供暖负荷,据此对仰拱埋管能源隧道地源热泵系统进行了较为完整的设计分析,并对埋管间距、地下水渗流速度、仰拱内表面保温板厚度等重要参数进行了灵敏度分析。研究表明,使用能源隧道能够有效地对隧道明沟进行加热和防冻,在严寒条件下保护隧道内部结构不受冻结的危害,且带来的温度应力问题不会超出设计规范所适用的范围。