基于3D有限元模拟的热活性道路热能采集与路面温度调控机制研究

《Geomechanics for Energy and the Environment》：3D numerical modelling and analysis of heat harvesting and pavement temperature regulation of a thermo-active road

本研究针对冻融循环对道路结构的破坏问题，通过建立COMSOL Multiphysics三维有限元模型，系统分析了土壤导热系数、管道埋深、流体流速等参数对地热系统能效的影响。结果表明，增加储热管道埋深1.6?m可使储能效率提升1.75倍，土壤导热系数从0.4增至2.0?W/(m?K)时储能值提高54%，为道路温度智能调控提供了优化方案。

　　

道路作为重要基础设施，长期受冻融循环导致的裂缝、坑槽等问题困扰，不仅增加维护成本，还加剧温室气体排放。传统解决方案如太阳能加热系统存在高成本局限，而地源热泵(GSHP)技术虽在建筑领域成熟，其在道路温度调控中的应用仍缺乏系统性研究。英国萨里大学团队在《Geomechanics for Energy and the Environment》发表研究，通过建立三维有限元(FE)模型，首次实现了对热活性道路全年热能循环的精准模拟与优化。

研究采用COMSOL Multiphysics构建包含水平地热交换器(GHE)的精细化模型，以英国Toddington现场实验数据验证模型准确性。关键技术包括：1) 耦合对流-传导-辐射的热平衡方程；2) 基于实测路面温度的边界条件设定；3) 多参数敏感性分析（土壤导热系数、管道埋深等）。

【能量平衡方程】
通过建立总热通量q_tot=ρ·u·E+q+q_r的数学模型，量化了流体速度u与材料密度ρ对热能传递的影响，为系统热力学行为提供理论框架。

【数值模型验证】
对比39.96°C夏季高温与8.59°C低温期的路面温度数据，模型预测误差<5%，证实其可准确模拟极端气候下的热交换过程。

【土壤导热系数影响】
当导热系数从0.4提升至2.0?W/(m?K)时，储能值从0.56增至0.86?MWh（+54%），揭示高导热性地层更利于热能扩散。

【管道埋深优化】
储热管道埋深增加1.6?m使储能效率提升1.75倍，但超过临界深度后边际效益递减，为工程实施提供经济性阈值。

结论表明，该系统可实现夏季储能0.86?MWh、冬季释能防冻的双向调节，理论上可减少30%路面维护成本。研究创新点在于：1) 建立首个经全周期验证的3D道路热模型；2) 提出埋深-导热系数协同优化策略；3) 证实GSHP在道路工程中的COP（性能系数）优势。该成果为智能交通基础设施设计提供了新范式，被评审专家誉为"地热技术应用于道路维护的标志性进展"。