地源热泵能量桩设计方法与长期热力耦合力学行为研究综述

《International Journal of Concrete Structures and Materials》：Design Review and Long-Term Thermomechanical Behavior of GSHP Energy Piles

　　

地源热泵（Ground Source Heat Pump，GSHP）能量桩兼具双重功能，既提供结构支撑，又通过内置管道回路充当地耦合换热器。本研究综合现场监测、实验室试验和数值模拟的证据，考察此类基础系统的设计方法及长期热力耦合力学行为。设计参数，如换热器布置形式、桩体材料和运行策略，具有显著影响，但首要关注点仍是桩体在反复加热与冷却循环下的响应。在持续循环热荷载作用下，往往会发生一系列基本不可逆的现象，包括棘轮沉降（ratcheting settlement）、桩侧摩阻力退化以及热应力的渐进累积。相变材料（Phase-Change Material，PCM）的引入，在合理利用的情况下，已被证明可将换热效率提升约20%–30%，并将热应力降低约10%–20%。为准确反映土体随时间变化的响应，耦合热、水、力过程的本构模型，即耦合框架，是不可或缺的。尽管取得了上述进展，仍存在实质性空白。缺乏广泛认可的设计标准、现有本构模型在表征天然土体全多样性方面的局限性、机器学习在性能预测中应用的不成熟，以及系统级优化的缺失，仍然阻碍着地源热泵能量桩的大规模应用。

1 引言

建筑领域约占全球能源消耗的40%，其CO₂排放占比同样可观，其中空间供暖与制冷占据了该需求的主要部分。地源热泵（GSHP）技术利用浅层地下相对温和稳定的温度，在冬季供暖、夏季供冷，其性能系数（COP）通常为3–5，较传统空气源热泵有显著提升，且在寒冷地区表现尤为突出。尽管运行优势明显，GSHP不可避免地面临高昂的初始投资，其中大部分直接与钻孔换热器（BHE）的钻探和安装成本相关。将换热器直接嵌入结构基础构件中，即形成能量地埋结构，其中能量桩是研究最为深入的类型。能量桩兼具承重深基础与地耦合换热器双重功能，消除了独立钻孔的需求，同时降低了安装费用和土地占用。较大的桩截面可容纳更多管道布置形式，如多U形、W形和螺旋形，而混凝土优于普通灌浆材料的导热性能进一步促进了热传递。

然而，能量桩的双重功能引入了复杂的耦合问题，即力学荷载与热荷载并存的所谓热力耦合行为。运行期间，循环流体使桩体经历加热与冷却循环，相应导致桩体膨胀与收缩。然而，能量桩的膨胀或收缩将受到周围土体、上部结构和桩端约束条件的抵抗，不可避免地引起桩体及邻近土体中的附加热应力和热应变。在长期运行中，特别是当供暖与供冷负荷不平衡且热循环反复发生时，这些热力耦合相互作用可导致一系列不可逆效应，如不可逆沉降、桩侧摩阻力渐进退化及结构疲劳。

2 研究意义

能量桩对可持续城市发展和碳减排的潜在贡献已获广泛认可。其逻辑简洁而具有吸引力：原本为结构稳定所需的基础构件被重新利用为可再生能源系统的主动组成部分，从而避免了传统钻孔换热器所需的额外土地和可观钻探支出。通过直接利用浅层地热能进行空间供暖与供冷，此类系统可显著削减电力消耗和温室气体排放。然而，制约其更广泛应用的仍是长期热力耦合性能的未解问题。传统桩在其服役寿命内主要承受静态力学荷载，而能量桩则必须在数十年间承受反复的季节性热循环，越来越多的证据表明这些循环会产生不可忽略的累积效应。不可逆沉降可随时间累积，轴向力分布方式可能偏离仅基于力学荷载的预测，桩–土界面可发生桩侧阻力渐进退化。鉴于许多建筑设计服役寿命远超50年，阐明这些机制是制定能够可信地处理适用性与极限状态问题的设计规范的前提。

此外，能量桩的响应强烈受场地特定参数制约。土体分层、地下水渗流条件和区域供暖–供冷需求比均产生显著影响。例如，软饱和黏土通常表现出远大于密实砂土的时间相关和塑性变形，这一对比在实验和数值研究中反复得到验证。在供冷主导气候下，土体中的热量累积可渐进降低系统性能；而在供暖主导环境中，则出现相反现象，土体过度冷却逐渐削弱效率。

3 设计综述

3.1 换热器布置形式

能量桩的热性能在很大程度上由桩内嵌换热管道的几何形状决定。主要布置形式为U形（单U、双U或三U）、W形和螺旋（螺旋线）回路。U形布置因其制造和安装简便而应用最为广泛。研究表明，增加U形管数量，从单U到双U或三U回路，可带来可测量的换热增益。定量而言，双U形布置相比单U形可提升换热能力高达57%。W形布置采用单根连续管道形成“W”轮廓，在有利流动条件下可优于双U形。螺旋形布置在给定桩深下允许最大的管道长度，且温度分布更为均匀，有助于抑制冷热支管之间的热短路。多项比较研究将螺旋形置于热效率排名的首位，相对U形和W形布置的优势通常为15%–50%。然而，螺旋管安装要求更高，在小直径桩中可能不切实际。在大直径桩中，多U形或W形设计往往在效率与安装成本之间提供更现实的平衡。此外，串联与并联的连接策略也会改变系统行为。

3.2 材料与几何参数

能量桩的换热性能在很大程度上由从桩内部到周围土体的整个热路径材料决定。对于桩体材料，混凝土是钻孔桩近乎通用的选择，添加钢纤维或石墨可提高其导热系数，但更导热的桩体也更容易传递热应变，热应力可能随效率提升而同步上升。钢管混凝土能量桩（SPCEP）利用钢套壳的高导热性，在加热初期可比同尺寸普通混凝土桩高出25.8%的换热效率。回填材料同样值得关注，若其导热性不足，环形间隙容易成为热瓶颈。研究人员探索了掺入相变材料（PCM）以抑制温度波动或掺入石墨以增强导热性的灌浆配方。桩周土体对热量消散或储存具有一阶控制作用，饱和土因含水量和密度更高，导热系数显著高于干土或松散沉积物。地下水渗流引入对流分量，可大幅增强整体换热，并有助于纠正季节性累积的热失衡。几何参数则设定运行的整体规模，桩长和桩径是最明显的杠杆。长细比（L/D）影响热应力沿桩身的分布，细长桩在温度变化下倾向于产生更大的桩头位移。

3.3 运行与布局参数

运行策略和桩群布局对系统整体性能具有强烈影响。流体流速直接控制换热速率，湍流（Re > 3500）比层流提供高得多的传热系数，但泵送功率的增加使最优流速成为热输出与能耗之间的折衷。入口流体温度提供主要热驱动势，较大的温差加速换热同时放大桩内热应力。串联回路沿环路产生更大的温度变化但压降更高，并联布局则产生更均匀的流动但整体温差较小。桩间距引入群桩效应，密排桩之间重叠的热羽流产生“热惩罚”，降低单桩效率，其中内部桩受影响最大。

3.4 相变材料（PCM）集成

为缓解热失衡并减少温度波动，可将相变材料（PCM）掺入桩混凝土或回填材料中，在近似等温相变过程中吸收或释放大量潜热，充当热缓冲。PCM增强桩持续表现出18%–55%更高的换热速率和更稳定的运行温度。通过约束热变化，PCM还减小热应力和桩头位移，报道的热应力降低可达30.8%。PCM系统的有效性关键取决于将熔点与运行温度范围匹配，以及相对于换热器回路的合理布置；位置不当的PCM管若从未发生相变，可能充当隔热体而非蓄热介质。

4 长期热力耦合行为

4.1 热致应力–应变机制

能量桩的热力耦合响应从根本上由周围土体和上部结构对热膨胀或收缩的约束决定。当桩体被加热时，若无约束将自由膨胀，其自由热应变为ε_T-Free = α_cΔT，其中α_c为热膨胀系数。然而由于约束的存在，观测应变较小，二者之差产生热致应力σ_T = ?Eε_T-Rstr，其中ε_T-Rstr为约束引起的热致应变，E为桩体材料的杨氏模量。热致应力的效应主要包括轴向应力、桩侧摩阻力和径向应力三个方面。轴向上，加热诱发压缩应力叠加于力学荷载之上，而冷却诱发拉伸应力，可降低净压缩或在极端情况下使桩体处于受拉状态。