循环温度荷载下能源桩群桩热力耦合机理及分析研究

The energy pile is a combination of the ground source heat pump system and the pile foundation. It provides clean energy for the heating and cooling of buildings, road de-icing and other applications while saving underground space. However, the relatively limited research and understanding on the thermo-mechanical behavior and interaction of energy piles, particularly floating energy pile groups subjected to thermal cycles, restrict their engineering applications. This project aims to investigate the thermo-mechanical behavior of floating energy pile groups subjected to thermal cycles in clay, including axial load redistribution, additional bending moment, pile group deformation, the change of horizontal stress acting on the shaft, ultimate bearing capacity, etc. Centrifuge modelling, numerical and analytical modelling will be adopted to achieve the targets. The effects of soil conditions, amplitude of thermal cycles, axial working load, geometric characteristics of the pile group, stiffness of the cap and different combinations of energy piles and non-energy piles will be studied. Through this study the variations with thermal cycles of the horizontal stress acting on the shaft and the mechanism of thermo-mechanical pile-pile interaction will be revealed. Based on the load transfer method, an analytical model will also be developed for the energy pile groups subjected to thermal cycles. Overall, research outcomes from this project will deepen the understanding on the thermo-mechanical interaction of energy piled foundations, and further promote their development and applications. Ultimately, they will contribute to save the CO2 emissions and serve the green development.

作为地源热泵与桩基础的结合，能源桩技术为建筑供暖制冷及道路除冰等应用提供绿色能源并节约地下空间。但是，目前对于能源桩热力耦合性能及相互作用机理的研究与认识尚不充分，特别是摩擦型能源桩群桩在循环温度荷载下的热力耦合机理，阻碍了能源桩技术的工程应用。本项目拟利用离心机实验、数值模拟及理论分析研究黏土中摩擦型能源桩群桩在循环温度荷载下的热力耦合性能，包括轴力重分布、附加弯矩、基础变形、桩-土接触面压力变化及极限承载力等，分析土体特性、温度荷载大小、结构荷载大小、群桩几何尺寸、承台刚度及不同能源桩-非能源桩组合形式等参数的影响规律，揭示循环温度荷载下桩-土接触面压力变化规律及桩-桩热力耦合相互作用机理，并基于荷载传递法建立能源桩群桩理论分析模型。项目研究成果将加深对能源桩基础热力耦合机理的认识与理解，推动能源桩技术的发展与应用，助力于节能减排及绿色发展。

能源桩地源热泵技术利用浅层土体作为热量存储的媒介，通过把换热管预埋到建筑桩基内，实现一桩两用，在承担上部结构荷载的同时，与周围土体交换热量为建筑供热制冷提供绿色能源。对于寒冷与严寒地区，由于供热负荷大于制冷负荷，导致浅层土体温度逐年持续降低（冷堆积），弱化系统长期性能。针对上述问题，本项目提出耦合能源桩地源热泵系统与太阳能集热系统，通过季节性地下蓄热维持土体热量平衡，实现耦合系统长期高效热学性能。本项目首先对能源桩地下太阳能存储特性开展研究，搭建了室内试验平台并建立了理论分析模型，研究结果表明：随着土体导热系数的降低，增加载热工质流速对于系统地下太阳能存储速率的提高作用逐渐减弱；此外，在一个典型运行年份结束时，在3倍桩径间距的群桩基础中桩-桩热干扰降低系统地下太阳能存储速率约10W/m。在上述研究基础上，本项目进一步对太阳能耦合能源桩地源热泵系统整体的热学性能开展了理论分析研究，提出其优化设计方法并对耦合系统在不同气候条件以及土体条件下的工作性能开展了分析，结果表明：在一个标准年中，耦合系统经历三个运行阶段，第一个阶段地下太阳能蓄热快速发展，第二个阶段处于平台期伴随着少量或无地下太阳能蓄热，第三个阶段为建筑供暖伴随地下蓄热释放；对于寒冷地区，耦合系统可以很好满足建筑供热制冷需求，太阳能集热器效率约40-58%，对于严寒地区，良好的土体导热特性是系统满足建筑供热负荷的关键；此外，耦合热水供应可以提高系统性能，特别是当土体导热特性较差时。本项目研究为太阳能耦合能源桩地源热泵系统的工程应用提供理论依据与指导，项目分析结果可为工程项目的初期规划设计提供参考。