地下轨道交通空间集成区域供冷供热系统：基于都柏林地铁线路的大规模气候中性热力输配网络构建与热经济性分析

本研究针对传统小规模区域供冷供热（DHC）系统资本成本高、长期效率低、难以整合多源可再生能源及废热等问题，创新性地提出利用地下轨道交通（Metro）空间作为热力输配主干网，整合沿线多个小型DHC系统形成大规模能源地理结构区域供冷供热（LEG-DHC）网络。以都柏林MetroLink为案例，集成地下水（Dublin Port Tunnel）及数据中心废热等低碳热源，通过大型热泵提升温度并实现站点间热量动态交换。研究表明，该方案全生命周期年均成本降低17%，能耗降低42%，热损失低于10%，为高密度城市区域实现气候中性供热提供了可扩展的技术路径。

随着全球城市化进程加速，城市建筑能耗尤其是供暖与制冷需求持续攀升，如何实现高效、低碳的区域能源供应成为可持续发展的重要挑战。传统区域供冷供热（District Heating and Cooling, DHC）系统多服务于局部建筑群或社区，存在单位资本成本高、运行效率低、热损失大、难以整合多种可再生能源与工业废热等问题。特别是在高密度城市区域，地下空间资源紧张，新建供热管道面临开挖成本高、施工干扰大、管道维护困难等瓶颈。爱尔兰作为欧盟成员国，其区域供热中可再生能源占比不足1%，远低于欧盟平均水平，亟需探索新型供热技术路径以完成气候行动目标。

在此背景下，本研究提出利用城市既有地下轨道交通（Metro）隧道空间，构建大规模能源地理结构区域供冷供热（Large-scale Energy Geo-structure District Heating and Cooling, LEG-DHC）系统。该方案将地铁隧道作为热力输配走廊，通过预埋管道连接沿线多个独立的小型DHC系统，形成统一的热网。系统以地下水（如都柏林港口隧道地下水）为低温热源，结合数据中心等稳定废热，在各站点设置大型水-水热泵（Water-to-Water Heat Pump）提升供水温度，满足用户侧需求。同时，通过中央控制器实现站点间热量动态调度（流量再分配与容量管理策略），平衡供需波动，提升整体能效。

为验证该模型的可行性，研究团队以都柏林MetroLink地铁项目为案例，构建了包含16个现有站点和10个规划站点的热力网络模型。系统主要热源为都柏林港口隧道地下水（年均温度约12°C）及沿线4个数据中心的废热（供水温度45–55°C）。通过建立热平衡、管道热损失、热交换器性能、水力压降及成本模型，对系统全年运行进行优化模拟。关键物理参数包括管道直径（DN300–DN800）、热泵COP（性能系数）曲线、地下水温度时序数据、各站点热负荷曲线等。

在技术方法层面，作者团队首先建立了热力平衡与热提取模型，确保各子站热量供需匹配；其次，基于一维轴向传热与径向热损失方程，计算管道在隧道环境下的传热特性；第三，提出流量再分配与容量管理两种热量共享策略，实现站点间余热互补；第四，构建包含管道、泵、热泵、控制系统的资本成本与运行维护成本模型，进行全生命周期经济性评估；第五，采用达西-韦斯巴赫方程计算管网压降，优化水泵选型；第六，基于对数平均温差法设计站内板式热交换器；最后，通过实测地铁空气温度、地下水温、数据中^心冷却负荷等输入数据，验证模型可靠性。

系统供回水温度分布

模拟结果显示，在冬季最冷时段，主干网供水温度沿地铁线路从热源点（站7）向两端逐渐降低，最大温降为2.9°C（站12至站13）。数据中^心废热注入点（站3、站12）附近出现温度跃升，有效提升局部热网品位。系统一次侧平均供水温度29.1°C，回水温度10°C，二次侧平均供水温度40°C，实现低温运行。

LEG-DHC热力贡献占比

通过整合地下水热源与废热，一次网可满足沿线站点全年热需求的48%，局部区域（如靠近数据中^心的站点）可达88%。剩余负荷由各小型DHC现有生物质锅炉、太阳能热系统等补充，显著降低化石能源依赖。

站点间热量交换效果

优化运行后，站点间热量交换量占年负荷的1.1%–18%。例如，站12在低负荷期可向外输送18%的余热，站7则可接收17%的外部热量。流量再分配策略对能耗降低的贡献高于容量管理，最大可实现13.6%的节能效果。

成本与节能效益

相较于16个独立小型DHC系统，LEG-DHC全生命周期年均成本降低17%，能耗降低42%。主要节省来自管道埋设成本规避、热损失减少、规模效应以及废热的高效利用。靠近数据中^心的站点成本节省最高达29%，能耗节省达61%。

扩展性分析

增加未来站点（16站至26站）后，系统平均供回水温度进一步降低，质量流量增加7 kg/s，表明系统具备良好的可扩展性，能够适应城市热网增长需求。

热泵运行性能

热泵COP与温升（^ΔT）呈负相关，当温升为10°C时，COP可达5.2，平均COP为4.6。站12因供水温度已满足需求，热泵暂不运行，体现了系统运行的灵活性。

研究结论表明，LEG-DHC系统通过地下轨道交通空间整合分散热源与负荷，实现了低温度、低损耗、高灵活性的热力输配。其技术路径不仅适用于都柏林案例，也可推广至其他拥有地铁网络的城市。该系统通过热网耦合与动态调度，显著提升了可再生能源与废热利用率，为城市区域供热脱碳提供了关键技术支撑。未来研究方向包括集成季节性储热、优化多能源耦合调度、探索地铁空间作为长期地下热储能的潜力。

（论文发表于《Energy Conversion and Management-X》）