地铁隧道围护结构与其周围岩土是一个极大的热容体,蕴含丰富的可再生能源,可用于供热供冷。传统地铁环控系统与地埋管地源热泵系统相互独立,使城市浅层地热能的利用受到较大限制。本项目将毛细管网换热器嵌入地铁隧道防水层与二衬之间,构成嵌入式毛细管换热器,与地下岩土换热,从而将地铁环控系统与地埋管地源热泵系统有机结合起来,从而实现夏季为地铁站台供冷,冬季为地上建筑供暖。本文研究的主要内容有以下五个方面:一是:分析影响嵌入式毛细管换热器传热过程的因素,考虑毛细管网、围岩与空气之间的耦合传热关系,依据能量方程,建立嵌入式毛细管换热器传热理论模型;二是:根据嵌入式毛细管换热器传热模型,通过合理简化并忽略次要影响因素,根据复合介质传热理论,利用分离变量法和格林函数法,得到嵌入式毛细管换热器的理论解。三是:考虑隧道内地铁系统运行时隧道内空气温度、列车运行散热对隧道内热环境的热扰,建立热扰模型,分析考虑热扰情况下嵌入式毛细管换热器全年运行后对围岩温度场的影响;四是:通过开展地铁隧道围岩嵌入式毛细管热泵系统的毛细管网换热器与其周围的围岩热响应试验,研究毛细管网换热器管内循环介质的流量、入口温度对换热量的影响,然后利用数值模拟计算的方法,对比数值计算值和实验值,数据吻合较好,证明了模型的合理性,最后将实验值和理论计算值进行对比分析,验证理论解的可靠性;五是:将模糊优化理论应用于毛细管换热器的优化设计,解决了设计过程中因目标太多考虑不全面和多目标之间相互制约的问题。本项目开展现场测试,建立隧道内传热模型,考虑毛细管网、岩土与隧道内空气间的耦合关系,研究围岩内温度场的时空分布,以预测空气温度变化趋势。最后根据模糊优化理论,建立多目标模糊优化计算毛细管换热器简化数学模型,并通过线性加权法将多目标化为单目标求解。以期为嵌入式毛细管换热器应用和推广于地铁隧道工程提供了理论依据。