预制装配式能源地下连续墙经济性导向的模块化优化方法

针对传统能源地下连续墙(EDW)因整体优化设计难以适应不同埋深土壤环境导致的效率低下问题，本研究提出以经济性指标(TCS)为核心的预制装配式EDW模块化优化方法。通过COMSOL Multiphysics模拟单层土、双层土及渗流三种工况，优化串联/并联管道布局，结合相变混凝土(PCC)提升浅埋墙体性能。结果表明：平行管道布局在渗流条件下效益最佳，流速0.6–0.7 m/s、管距0.5–0.7 m时经济性最优，为EDW设计提供了创新性解决方案。

　　

随着城市化进程加速，地下空间碎片化问题日益突出。传统地源热泵(GSHP)系统需要单独钻孔施工，而能源地工结构(Energy Geostructures)将GSHP系统与地下建筑结合，成为解决这一矛盾的新思路。其中，能源地下连续墙(Energy Diaphragm Wall, EDW)因其与土壤接触面积大、温度分布均匀等优势备受关注。然而现有研究存在两大瓶颈：一是传统整体优化设计忽视不同埋深土壤参数(导热系数、饱和度、渗流速率等)的时空差异性；二是缺乏兼顾热交换性能与经济性的评价体系，导致管距过密增加成本或过疏降低效率。

针对这些问题，由深圳大学团队开展的研究提出预制装配式EDW模块化优化方法。通过建立经济性指标——总成本节约率(Total Cost Saving, TCS)，结合数值模拟与相变材料应用，实现了"深度自适应"的精准设计。该成果发表于《Renewable Energy》，为EDW工程应用提供了重要理论支撑。

研究采用三大关键技术：1) COMSOL Multiphysics多物理场耦合建模，整合固体传热、非等温管流及多孔介质流模块；2) 基于中国北方气候条件的土壤温度场时空变化算法；3) 相变混凝土(PCC)热性能测试技术。通过对比单层土、双层土及渗流工况下常规EDW性能，建立基准模型后开展模块化优化。

【Modelling】
建立三维EDW模型揭示：渗流条件下热交换效率提升37%，但管距<0.5m时成本激增。土壤温度年波动幅度随深度呈指数衰减，验证了分层优化的必要性。

【Optimization criteria】
创新性提出TCS指标，综合考量初期建设成本与20年运营收益。相比传统指标，TCS避免单纯追求热通量导致的"过度设计"，使投资回收期缩短至5-7年。

【Optimization of prefabricated EDWs】
预制模块化设计使不同埋深墙体(W1-W4)可独立优化。平行管道布局在渗流工况下TCS达22.3%，较串联布局高8.7%。浅埋墙(W1)采用PCC后，夏季峰值热通量提升19%。

【Discussion】
发现反常现象：浅埋墙W1性能优于同高度W2。分析表明这与地表空气温度年周期波动相关，证实模块化设计需结合局部微气候。

结论部分强调，该研究突破传统EDW"一刀切"设计局限，实现三大创新：1) 首创TCS经济性评价体系；2) 开发基于预制装配的模块化优化流程；3) 验证PCC对浅埋墙的增强效应。特别指出在渗流条件下平行管道布局、0.6–0.7 m/s流速组合为最优解，可为长三角、珠三角等富水地层的地铁站EDW设计提供直接参考。未来研究将拓展至冻土区等特殊地质条件的适应性优化。