能量桩兼具承担上部荷载及与周围土体进行热交换的双重作用，其与热泵机组结合使用而形成的新型地源热泵系统(或称能量桩系统)，能有效利用浅层地热能实现建(构)筑物的供暖或制冷需求。且具有高效率低排放的优点，契合当前碳排放的政策，一定程度上能缓解当前的能源问题[1-2]。
当前，针对能量桩热力响应特性的测试，既有研究主要集中于能量桩在人为输入变量条件下的热力学响应，主要包括在进水口进行恒定功率加热(TRT)或者恒定温度加热(TPT)[3-4]，仅有少量关于能量桩系统服务于建筑物的现场实测报告[2, 5-7]。研究结果表明，地源热泵系统(GSHP)的性能表现较常规的空气源热泵高，但其实际运行能效与机理尚不清楚。能量桩系统在实际运行环境下，桩身也会产生一定的热力响应行为，其与模拟试验对应结果的差异及关联，也缺乏相应的实测数据支撑和系统分析。
能量桩系统在实际服役过程中，可能每天仅运行一段时间，因而产生了间歇循环运行工况。相关学者针对能量桩，对比研究了其分别处于持续加热和间歇循环加热等工况下的性能表现，结果发现由于间歇循环运行工况下存在着土体温度恢复期，使得能量桩表现出较持续运行工况下更高的换热效率及能效比(COP)[8-10]。但是，间歇运行模式因为频繁的启闭，其能量消耗也更大[11]。部分热泵机组出于节能角度考虑，内设有温度传感器，当室内温度到达预设温度时，机组将停止运行，至再次超出预设温度一定范围时再次启动。因此，该设定下能量桩系统的持续运行工况，其不关机运行可视作不定频率的无规则间歇运行，较持续运行一段时间，然后主动人为停机的规则间歇工况，二者的性能表现差异未知。同时，能量桩的回填材料多为混凝土，其抗压强度值明显高于抗拉强度值。供暖工况下，能量桩桩身产生的热致拉应力对桩身影响，较制冷工况下的热致压应力更应引起重视。
因此，以湖北宜昌地区25 m2的建筑房间作为能源需求侧，以两根串联的能量桩为能源供给侧，构建能量桩系统以满足既有建筑房间的热负荷需求。在冬季工况下，开展能量桩系统24 h不关机持续运行(H-24)、16 h运行-8 h停机(H-16)、12 h运行-12 h停机(H-12)试验，并开展传统钻孔埋管地源热泵系统短期10 h供暖(BH-10)及传统空气源热泵短期10 h供暖(AC-10)试验进行对比分析。探讨冬季真实运行环境下的能量桩的热力响应特性，监测能量桩系统的运行性能，初步揭示其供暖效果、COP及经济性。研究结果可为能量桩系统的设计、构建及运行提供技术支撑。
研究了实际冬季运行条件下含承台能量桩的热力响应特性，监测并评价了持续或间歇运行状态下能量桩系统的供暖效果与能效比，得到4点结论。
(1) 能量桩系统运行过程中，H-12，H-16试验工况下桩身的平均温度恢复系数分别为0.688，0.268℃/d。H-24试验工况下，桩顶出现最大温度降低值3.78℃及最大约束拉应力0.70 MPa，为完全约束应力上限值的57.5%。
(2) H-24试验工况下，运行桩A桩较非运行对角桩C桩对应承台部位产生的实测应变值差值在顶部和底部分别为19.98，17.78 με。一定程度上反映出能量桩系统的实际运行，对其邻近结构产生的影响近似可以忽略。
(3) 能量桩系统较常规空气源热泵有着更快的启动速度，能提前约2.5 h到达预设温度；其每小时耗电量1.18 kW·h较空气源热泵系统对应值1.40 kW·h减少约15.7%。
(4) 实测能量桩系统COP约为3.03，较相关空气源热泵系统提高约12.2%~21.2%(规范参考COP为2.50~2.70)，略低于H-16和H-12间歇循环运行工况的对应COP值(3.13和3.21)。
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《岩土工程学报》2024年第6期全文阅读
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