地铁在运行过程中产生的废热会造成隧道及周围岩体温度上升,不仅会影响地铁隧道的热环境,还会破坏地下岩体的热平衡。为解决这一问题,地源热泵技术在地下隧道的应用受到了越来越多的关注。相比于传统的埋管式换热器,毛细管在隧道中的应用,具有施工方便、占地面积小和传热面积大等优点。目前,针对传统地埋管换热性能和设计方法的研究较多,而对于毛细管换热器,虽然其作为建筑室内辐射末端应用较多,但在隧道中作为前端换热器应用时,针对其换热性能和设计方法的研究依然较少。本研究针对以毛细管为前端换热器的地铁源热泵系统,主要研究了毛细管换热器的换热性能和设计方法。将毛细管换热器简化为面热源,利用TRNSYS软件建立了非稳态传热模型,得到了毛细管换热过程的逐时解,并通过示范工程冬季地源热泵系统实验数据对模型进行了验证。模拟计算了毛细管与周围岩体及隧道空气之间的传热过程,分析了外部因素对毛细管换热性能的影响规律。根据不同地质条件下的毛细管换热性能,给出了毛细管换热器的设计方法。通过分析发现:夏季制冷时,毛细管的单位面积换热量随着进口水温的升高、围岩初始温度和隧道空气温度的降低近似成线性增长;在毛细管的总放热量中,大部分热量进入了围岩,小部分热量通过衬砌导热进入了隧道空气;随着围岩初始温度的降低和隧道空气温度的升高,取自隧道围岩的热量的占比呈现逐渐增大的趋势;冬季制热时,毛细管的单位面积换热量随着进口水温的降低、围岩初始温度及隧道空气温度的升高近似呈线性增长;在毛细管的总取热量中,大部分热量取自隧道空气,小部分热量取自围岩;随着围岩温度的降低和隧道空气温度的升高,取自隧道空气的热量的占比呈现逐渐增大的趋势;毛细管的换热性能随着管内流速的增大而有所提升,但当管内流速大于0.1 m/s时,增加流速对毛细管换热性能的影响已不明显,流速增大0.02 m/s时,毛细管单位面积换热量增加幅度小于等于4.6%;围岩体导热系数越大,毛细管前端换热器换热效果越好;导热系数一定的的情况下,热扩散率越大,换热效果越差;不同地质、温度条件下毛细管前端换热器的换热性能相差较大,从换热性能角度考虑,当围岩体导热系数和热扩散系数相对较小、围岩初始温度与进口水温和隧道空气温度相差较小时,毛细管换热器换热量较小,不适合使用毛细管换热;系统长期运行不利于毛细管与周围围岩体的热交换,系统日运行时间越短换热器单位面积换热量越高,通过调整日运行时间比,可以从整体上提高毛细管换热器在运行期内的换热效果。本文工作是对于以毛细管为前端换热器的地铁地源热泵系统换热性能更为深入的研究,为毛细管作为前端换热器在地铁隧道地源热泵系统的推广应用提供了理论基础和设计思路。