地铁在隧道中运行时会产生大量的废热,长期的热量累积导致区间隧道内温度过高,破坏地下热平衡,故有效解决隧道内堆积的热量并合理利用成为目前广受关注的课题。地铁源热泵不仅可以回收隧道废热,还能将热量输送至地上建筑进行供暖,国内外已有不少应用研究。对比传统的垂直地埋管换热器,本课题组提出的以毛细管为前端换热器的地铁源热泵具有施工方便,换热面积大等优点。目前在非稳态传热工况下的换热器和热泵系统的理论研究,一般为求解析解和简化建模,当传热过程复杂时,计算量大、求解难度大、求解时间长等一系列问题不适合应用于情况多变的实际工程,无法根据及时的边界条件进行灵活调整。因此本文针对这一问题,根据热电比拟的思想,提出非稳态毛细管换热器的阻容模型,在已明确传热过程和边界变化规律的情况下,快速计算隧道内不同位置的热流密度,对热量的衰减和延迟进行预测,大大增强了现有简化模型的实用性,应用在工程中可及时反馈进行调控,更有利于节约能源。本文针对以毛细管为前端换热器的地铁源热泵系统,由于毛细管换热器在实际工程中敷设在隧道环向部分区域,圆弧长度较小,可近似的将埋设换热器的隧道部分简化为半无限大平壁。以非稳态传热的阻容模型理论为基础,结合隧道内各层的热工参数,建立毛细管换热器的星型阻容模型,研究毛细管的换热性能。利用MATLAB将模型的计算过程程序化,并通过示范工程的实测数据对模型进行了验证,结果表明毛细管出水温度最大误差为4.6%,准确性良好。根据实测和模拟的边界条件代入毛细管换热器的星型阻容模型,模拟毛细管换热器、隧道空气、隧道内各层材料和围岩之间的传热过程,研究了毛细管换热性能在已有条件下的变化规律。毛细管敷设面积为2900 m2,前端换热器内总流量为25 m3/h的条件下,毛细管供冷季单位面积换热量最大值为55.27 W/m2,单位时间放热量最大值为160.28 k W;供暖季单位面积换热量最大值为38.33 W/m2,单位时间吸热量最大值为111.15 k W。对比不同深度围岩的热流密度可知,当围岩深度增加时,热阻热容增大,热流密度值越小,波动的幅度也越小,趋势更平缓,延迟时间越长。对隧道空气温度和毛细管进水温度这两个因素进行传热影响对比分析,设置等温度差的隧道空气温度和毛细管进水温度的对比工况,根据热流密度的计算结果,可得毛细管进水温度对围岩温度的影响大于隧道空气温度对围岩温度的影响。