不同运行模式下能源桩长期热性能与土壤热恢复评估及其对地源热泵系统效率的影响研究

推荐：为解决能源桩长期运行中土壤温度漂移和系统效率下降问题，Aston University团队通过建立3D THM耦合模型，对比连续运行(Mode 1)、季节性停运(Mode 2)和理想化日间停运(Mode 3)三种模式。研究发现Mode 3可将10年土壤温漂控制在±2°C，冷却效率提升2°C，90%热恢复发生在4m半径内，为地源热泵(GSHP)系统优化提供新策略。

　　

在全球建筑能耗占比40%的背景下，浅层地热能开发成为碳中和关键路径。能源桩(Energy Pile)作为建筑地基与地源热泵(GSHP)一体化技术，虽兼具结构承载与热能交换双重功能，但其长期运行导致的土壤温度漂移(Thermal drift)和热失衡问题长期制约技术推广。现有研究多聚焦短期热-力耦合效应，对包含水力作用的THM(Thermo-Hydro-Mechanical)全耦合机制及间歇运行策略的影响缺乏系统认知。

英国阿斯顿大学工程与物理科学学院(College of Engineering and Physical Sciences, Aston University)团队通过建立经现场试验验证的3D THM全耦合模型，首次对比了连续运行、季节性停运和理想化日间停运三种模式在10年周期内的性能差异。研究采用Lambeth College现场试验数据验证模型，轴向位移误差仅1%，温度预测偏差控制在±0.6°C内。关键技术包括：基于COMSOL Multiphysics构建U型管非等温流模型，采用Gnielinski关联式计算努塞尔数(Nu)，通过达西定律(Darcy's law)描述饱和土体渗流，并引入线性热弹性本构关系模拟伦敦黏土的热力学响应。

3.1 模型验证

通过对比现场测试数据，验证了模型在轴向应变(±50 με误差)、土壤温度(0.5m处±0.75°C)和桩头位移(0.75mm偏差)方面的准确性，证实模型能精确再现热-力耦合效应。

3.2 参数化研究

设定ΔT=+10/-15°C的温变载荷，发现2 L/min流速(Re≈3315)可实现600W稳定热交换率。三种运行模式中：

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  Mode 1：连续运行导致10年后土壤温漂超6°C

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  Mode 2：季节性停运使温漂降至4.9°C

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  Mode 3：日间停运将温漂控制在2.8°C，且冷却效率较Mode 1提升2°C

3.3 短期运行特征

1年周期内，Mode 3在距桩0.5m处温度波动幅度比Mode 1低2.1°C，且热影响半径局限在4m内。不平衡运行(8月供热/4月制冷)导致土壤基准温度持续下降，60个月恢复期后仍存在1°C温差。

3.4 长期性能演化

10年运行数据显示，Mode 3使出水温度稳定在23.01-11.73°C，较Mode 1波动减少35%。热恢复分析表明，90%的温度恢复发生在停运后首月，但长期不平衡运行会导致土壤产生"热记忆"效应，即使Mode 3也无法完全恢复初始地温。

该研究首次量化了运行策略对能源桩全生命周期性能的影响规律，证实日间停运模式能通过高频次热恢复抑制热累积效应。研究提出的4m热影响半径为群桩设计提供依据，而建立的THM全耦合模型为后续智能控制系统开发奠定理论基础。尽管Mode 3在住宅应用中存在实施难度，但其展现的"间歇运行-热恢复"协同机制，为未来将能源桩整合入区域季节性储热系统提供了关键参数。论文成果发表于可再生能源领域顶级期刊《Renewable Energy》，对推动建筑供暖脱碳具有重要实践价值。