能量桩基础的设计与性能：用于浅层地热能系统的预制方形桩换热器354页|地源|地热能系统|换热器|方形桩|流体|热泵|能源|能量桩

地源热泵（GSHP）系统是一种基于浅层地热能的可持续且经济高效的空调系统。结合其他可再生能源，地源热泵系统在丹麦实现从化石燃料向可再生能源转型方面具有巨大潜力。

桩基换热器，也称为能量桩，是内置地热管道的混凝土桩。因此，建筑物的基础同时起到结构支撑和供热/供冷的作用。

能源桩基础的热力设计通常采用最初为钻孔换热器开发的方法来处理。然而，这些方法并不总是适用于分析能源桩的热动态特性。与钻孔相比，桩更短且更粗，而且钻孔通常按规则网格排列，而能源桩则受建筑物结构要求的限制，以不规则和成簇的方式布置。此外，在岩土和结构设计中，还必须考虑基础中温度变化对能源桩承载性能的影响。因此，需要进行可靠的温度计算。

关于能源桩的长期热力和结构可持续性方面缺乏文档记录，且目前尚无统一的行业指导规范。本博士项目致力于开发一种工具，用于计算在建筑热负荷作用下能源桩中发生的温度变化，以辅助可行性研究和尺寸设计。

首先，建立一个完整的三维有限元模型（FEM），以包含桩的几何形状以及埋设的地下换热管布置，用于计算管道内部、混凝土中以及土体中的热量传输。该模型通过现有地源热泵桩的热响应试验（TRT）实测温度数据进行验证，试验中地源桩持续加热超过60小时。结果表明，该模型能够将模拟得到的TRT温度再现至测量不确定度范围内，因此认为该模型已得到验证。然后利用三维有限元模型计算无量纲时间（傅里叶数）下的无量纲温度响应，并用简单的多项式对其进行拟合。对于一组在时间和空间上相互产生热影响的能量桩，通过叠加其温度响应来计算流体温度，从而满足建筑物给定的能源需求。因此，温度响应的计算简化为多项式的相加，而无需耗时的瞬态三维有限元建模，使得所开发的计算方法在能量桩基础设计中具有实际应用价值。

在最近的出版物中，该尺寸设计工具被应用于丹麦一所案例研究中学，该校由219根能量桩为建筑提供供暖和制冷。最初，实测温度与计算温度进行了比较，显示出模型具有较好的预测能力。随后，根据建筑的供暖和制冷需求以及热泵出口流体温度，对能量桩的数量及其布置进行了优化。该优化旨在减少能量桩的数量、最大化桩之间的间距，并确保地下环路的温度安全。结果表明，满足建筑能源需求所需的能量桩数量可减少32%。

关于热力-力学方面，开展了广泛的文献综述和数值研究。结果表明，能量桩基础的典型地热利用不会对单根能量桩的岩土承载能力产生显著的结构影响。然而，在设计阶段需要考虑地面热荷载，以应对可能发生的极端温度变化。这些发现与现有文献一致。