能源桩是一种将地源热泵技术与传统桩基相结合的新型桩基，它能够同时起到承担上部结构荷载和桩-土换热的作用。与传统的地源热泵相比，能源桩以桩基内埋管的形式来代替土体内布置复杂的换热管网，不仅节省了造价和地下空间，而且还能减少换热管的腐蚀，从而延长地源热泵系统的使用寿命。目前为止，能源桩已经在奥地利、德国以及英国等一些发达国家得到了相对广泛的应用，有关能源桩的研究也日益增多。目前主要集中在2个方向：能源桩在热交换过程中传热行为和能源桩由于热交换而产生的热力响应。

传热研究中较为经典的是Gashti等^[1]对钢基础能源桩的加热/制冷进行了三维数值模拟，对比了双U型和单U型埋管能源桩的换热效率，发现在同样的流体流量下，双U型埋管系统比单U型埋管系统具有更高的换热效率。Zarrella等^[2]通过详细的数值模拟以及现场试验对比研究了螺旋型和3U型这2种不同的桩内埋管形式对能源桩热工性能的影响，结果表明：螺旋管能源桩的热性能要优于3U型能源桩，峰值负荷可以增加约23%。Bozis等^[3]基于线源理论研究了对现浇能源桩设计方案的评价方法，结果表明：在恒定的热流体作用下，对于给定直径的能源桩的轴向温度不取决于桩体的设计参数(U型管的数量、埋管的类型和尺寸、热流属性等)。Yang等^[4]通过基于相似原理建立的螺旋线圈式能源桩模型实验装置研究了螺旋线圈式能源桩的热工性能；测试了进水温度，间歇运行方式，螺距和桩体材料对能源桩热性能及其周围土体温度分布的影响。Wang等^[5]提出了复合环形线圈源分析模型和瞬态线圈源模型，可以很好地表示桩土的换热过程。郭红仙等^[6]对能源桩的热响应测试进行了有限元模拟，结果表明：TRT测试适用于能源桩，并对北京CFG桩的现场测试进行了模拟对比。

另一些关于能源桩的在热力响应上的研究，如文[7-10]进行的现场实验、文[11-12]进行的离心机实验以及文[13-16]前期进行的缩尺模型实验以及相变能源桩的制热工况实验，都对能源桩在热载作用下的力学响应进行了详细分析。这些研究主要针对能源桩加热工况(桩排出热量到土)，但是在制冷工况下(桩吸收土中热量)能源桩的热力学特性方面的研究相对较少。

现阶段对于能源桩传热方面的研究虽然已经较为成熟，主要以现场实验和数值模拟为主，而对能源桩的室内模型实验研究较少。现场实验因场地的不确定性所带来的局限性也是不容忽视的问题。理论分析和数值模拟难以精确地反映能源桩的实际热响应。模型实验可以弥补上述缺点，实验环境条件易控制，且成本操作性强，但已有模型实验研究中往往桩的截面尺寸较小。因此，本文选用室内大尺寸模型实验对一种新型相变能源桩在制冷工况下的热响应进行研究。需要指出的是，相变材料是一种通过改变材料物态来吸收或放出潜热的物质，目前已有一些研究^[17-18]通过将相变材料与地源热泵相结合来达到提高地源热泵储热和传热的作用，同时缩小热交换影响范围，减少换热所需的地下空间资源。能源桩中应用相变材料鲜有报道，因此本文尝试利用相变材料来提高混凝土能源桩的换热量，并对相变能源桩以及桩周土体在制冷工况下的热响应进行系统分析。

1 室内模型实验 1.1 模型实验装置

模型实验装置由模型箱和温度循环系统2个部分组成，其中模型箱内装有模型桩和饱和砂土。本研究所用模型实验箱尺寸为2.45 m×2.45 m×2 m(长×宽×高)，箱子用厚度为3 mm的钢板制作而成，且在箱子的底部和侧壁采用型钢加固。在箱子内外均喷涂有防锈漆，并且箱内覆盖防水层。本实验研究桩土之间的换热性能，考虑到室内环境温度不恒定，且白天与夜晚的温差较大，为了避免桩与土热交换过程中受环境温度变化影响，采用隔热边界条件。箱外布置有45 mm厚聚苯乙烯泡沫保温板来隔绝室温与模型箱内的热交换(见图 1)。虽然实际工况下土体传热不存在边界，但桩与周围土体的热交换主要集中在一定的范围内，本实验模型箱尺寸满足热交换范围要求，从热交换角度来看，与实际工况差异非常小，可以忽略。但实际工况地下水的渗流会对能源桩的换热情况产生明显影响，本次室内模型实验主要考虑的是相变桩在饱和砂土地基中的换热情况，未考虑渗流条件的影响，与实际存在一定的差异，但不影响本研究对新型相变桩的热响应特征的探讨。能源桩直径为0.2 m，长1.5 m，内部换热管为并联十字交叉双U型，分别将进水管与出水管对称布置在钢筋笼内部，并用扎带将2根进/出水管绑扎在相邻的两根纵向钢筋上，如图 2所示。

相变储能混凝土能源桩(以下简称“相变桩”)用封装相变石蜡的不锈钢钢球作为粗骨料来代替普通混凝土能源桩(以下简称“普通桩”)的天然石子粗骨料。其中石蜡的主要参数如表 1所示，封装相变材料石蜡的空心钢球壁厚为0.3 mm，直径19 mm，不锈钢材质能够作为传热媒介提高桩体的导热系数，以实现与相变材料的快速热交换。普通混凝土的材料配合比，参照规范《自密实混凝土应用技术规程》^[19]，原材料质量比分别为水:水泥:砂:石子= 0.4:1:1.94:2.09。用等体积法将普通混凝土中的石子用封装有相变材料的钢球替代后的相变混凝土的质量配合比为水:水泥:砂:钢球= 0.4:1:1.94:1.26。图 3为对相变混凝土进行的塌落度测试，以保证混凝土有较好的工作性能。抗压实验得到的普通混凝土与相变混凝土的抗压强度代表值分别为52.2和47.9 MPa。虽然相变桩的抗压强度较普通桩略有降低，但仍然满足桩基设计规范中对混凝土强度的要求。温度循环系统主要包括水循环温度机、冷水机、储水箱、水泵、流量计等，通过换热管将这些装置与模型箱中的能源桩进行连接。其中冷水机温控范围为5~35 ℃，水循环温度机的温控范围为10~120 ℃，分别用于给桩体的制冷和回温, 最终整个模型实验系统如图 4所示。模型桩埋置于装有饱和砂土地基的模型箱正中，冷水机通过水管分别与储水箱以及模型桩内的换热水管相连，储水箱经过水泵以及水管与水循环温度机相连，水泵主要用来给水循环温度机增压，水循环温度机在经过水管与模型桩内的换热管相连形成循环回路。制冷循环实验时，先将冷水机打开将水箱中的水降至设定的循环温度后再调节相应的控制阀门让冷水通过水管循环流到桩体内，等待桩土完成换热过程后，换热管内部水吸收了土体中的热量，流出桩体经水管流回储水箱，完成制冷循环过程。进行回温循环时，关闭冷水机，打开水泵，用水泵将储水箱中的水增压泵给水循环温度机，经过水循环温度机加热后，通过水管流到桩内的换热管，经换热管向桩体以及桩周土体释放热量，然后再经水管流回水循环温度机，完成回温循环过程。

1.2 饱和砂土地基制备

本次实验采用饱和砂土地基，其中所用硅砂D₅₀=0.28 mm，最大干密度为1.70 g/cm³，最小干密度为1.44 g/cm³，C_u=3.78，C_c=1.06。为控制实验精度，将砂土分层填入模型箱，总共分为18层，采用人工夯实法对每层砂土进行夯实，将每层的填筑高度控制为0.1 m且干密度约为1.51 g/cm³。每层砂土边夯填边用水平尺找平，一层砂土夯填完成后将表面凿毛再夯填下一层。当砂土填筑5层达到0.5 m时，将模型桩吊入模型箱并摆放至预定的位置(箱体中心)，固定好模型桩后再继续夯填剩下的砂土。最终地基土填筑高度1.8 m，土面以下桩体埋深1.3 m，砂土的相对密实度D_r为40%~45%。砂土填筑结束以后，通过注水装置缓慢地将水注入箱中，注水过程中通过预埋的孔压计监测孔压的变化。待水注满模型箱后关闭注水装置，静置一周，孔压计读数随时间的变化如图 5所示。

1.3 测量装置与数据采集装置

本实验的温度采集系统分为温度数据采集仪和K型热电偶，温度测量范围为-100~220 ℃，精度±0.5 ℃，热响应时间1 s。将其通过端子连接到TP700型温度数据采集仪上，以30 s采样1次的频率来采集温度变化。热电偶在土体中的布置如图 6所示，另外还在桩身内部沿换热管侧以及换热管的进出水口布置有热电偶。

1.4 实验方案

实验制冷循环过程：土体初始温度约为23 ℃，设定冷水机温度为5.5 ℃，通过换热管向桩体中通冷水16 h，随后将水温机温度设定为25 ℃，向桩体中通6.5 h的温水以使桩体快速回温至初始温度。在正式实验之前通过了多次预实验，确定了模型实验能源桩与周围土体在不同工况下达到相对稳定热交换状态所需的时间，制冷循环时间为16 h，满足桩土之间热交换已经处于稳定状态，经过6.5 h回温循环后桩体以及土体温度能基本恢复到初始温度。一次温度循环为制冷16 h再回温6.5 h，每组实验共进行3次温度循环。分别以0.15、0.30和0.45 m³/h 3种流量模式进行测试，对比研究不同循环流量对桩土温度变化规律和换热量的影响。

2 实验结果与分析 2.1 桩土温度云图

相变桩在不同流量下的制冷工况实验都进行了3次循环，由于篇幅所限，只取第1次循环过程的等温线温度云图进行分析。图 7a、7b和7c分别为3组不同流量下，制冷前和第1次循环制冷稳定后桩土温度分布云图。由图可知，对于桩体而言，在制冷16 h后，桩体内部竖向的温度分布不均匀，且随流量增加而更加明显，说明能源桩在运行过程中竖向桩身内也会产生不容忽视的不均匀温度应力。分析3组温度云图还可以看出，在制冷16 h后，越靠近桩身的土体等温线更加密集，说明靠近桩侧位置的土体传热速率更快，随着距离的增加，土体的传热速率逐渐减小，这是由于土体的温度梯度逐渐减小造成的。此外，不同流量下，土体因桩体温度改变而引起的主要温度变化范围相近，即在距离桩体外侧表面45 cm范围内的温度等温线较密集，温度变化较明显，超过45 cm范围外的土体温度与初始温度相比变化基本在1 ℃以内，这说明流体流量的变化不能明显地改变能源桩对桩周土体温度的影响范围，但是在超出桩侧一定范围外，土体温度变化范围在不同流量下略有差异，这可能是由于初始地基土体温度差造成的。整体看来，模型尺寸满足桩土热交换边界范围。

2.2 竖向温度变化规律

图 8是制冷工况第一次循环中，3个不同流量下，离桩体外侧不同距离处土体温度在不同时刻随深度变化曲线。其中图 8a、8b、8c分别是3种流量下距离桩体外侧5和25 cm的土体温度随时间及深度的变化曲线。从图中可以看出，虽然每组实验开始时的土体初始温度略有差异，但其土体温度变化规律基本相同，距桩体外侧5 cm土体在0~8 h内降温较快，而8 h以后降温速率以及降温量明显减小，12~16 h温度变化都约在1 ℃以内，桩土热交换达到相对稳定状态。相反，距桩外侧25 cm的土体在0~4 h内降温量很小，4 h后降温量增加，说明运行4 h的热扩散半径约为25 cm，与最后的主要温度影响范围45 cm相比约占55.6%，说明能源桩的换热主要集中在前4 h，这也可以从后面的换热量结果得到验证。

对比图 8a、8b、8c还可以看出，在0~16 h制冷过程中，在相同时间间隔下同一位置的土体温度变化量随着流量的增加而增加。取深度65 cm处土体温度在0~16 h变化总量来进一步说明，3种流量下桩侧5 cm处土体的温差分别为4.3、6.3、7.3 ℃，桩侧25 cm处土体有类似规律。这说明在制冷工况下，随着流量的增大桩周土体的最终温差增大，桩与土体的换热量也增大。分析桩侧土体竖向温度分布还可以发现，相变桩在热交换过程中主要与桩侧土体进行水平向热交换，而沿竖向与桩底以下土体的换热不明显，即热量的传递主要沿径向方向而非轴向方向，这一结论与线源理论相一致。此外，桩侧土体温度变化幅度随着到桩侧距离的增大逐渐减小。

2.3 横向温度变化规律

图 9为不同流量工况下埋深65 cm处到桩侧不同距离土体温度随时间的变化曲线，每个流量进行3次降升循环温度加载。从图 9中可以看出，在不同的流量下相变桩侧土体的温度变化规律相似，距桩侧5 cm处的土体在0~8 h时间范围内温度变化幅度较大，8 h以后的温度变化幅度较小并逐步趋于稳定；距桩侧15~25 cm处温度变化幅度在整个循环过程中一直较大；距桩侧45 cm处，在0.15、0.30 m³/h流量下，桩进水口侧的土体温度在3次循环后温度都有下降的趋势，而出水口侧的温度基本不变；在0.45 m³/h流量下，进水口和出水口侧温度都呈现轻微下降趋势，但未见循环升降变化；距桩侧距离65~112.5 cm处的土体温度基本无变化，由此可知，相变桩在热交换过程中对于桩周饱和砂土的主要温度影响范围为45~65 cm(2~3倍桩径)。同时从图中还可以看出，距桩侧15 cm以内，进水口侧与出水口侧土体的温度有较明显的差别，而大于15 cm后进水口侧与出水口侧土体的温度趋于相同，这说明离桩侧越近换热作用越强。

图 10为0.30 m³/h流量下桩体内部换热管表面不同位置测点的温度随时间变化的曲线(T1—T3为沿深度进水管测点，T5—T7为沿深度出水管测点，T4是底部进出重合点)。从图中可以看出，桩体内部的温度基本随着温度循环呈现周期性的变化，而且在3次循环过程中也没有出现温度累积，但是在运行过程中存在着明显的温度差，T1—T7在第一个制冷循环周期中的峰值温度分别为12.1、12.8、13.6、14.9、13.8、13.4、13.8 ℃。这说明在能源桩的运行过程中，桩身的温度不会发生累积效应，主要应关注的是桩身内部的不均匀温度差。

图 11是制冷工况0.30 m³/h流量下，第1次制冷结束时(t=16 h)桩体内部换热管测点温度随深度分布曲线变化图。从图中可以看出，进、出水管在同一深度，即相同桩横截面内存在温度差，且随着深度的增加，温差逐渐减小，最终在底部进出重合处温差为0。进水管的温度随着深度的增加而增加，大致呈线性变化。这说明在桩体内部同一横截面内以及沿桩身方向都存在着不均匀温度应力，但是同一横截面的不均匀温度应力随着桩埋深的增加而减小。设计时应考虑这种不均匀温差引起的桩体温度应力。

图 12是第一次制冷结束时不同流量工况下埋深65 cm处到桩两侧不同距离土体温度随时间变化曲线。从图中可以看出，换热流体循环过程中，进水口侧与出水口产生了温度差，16 h后在3种流量下桩表面温差分别为0.7、0.2、1.1 ℃，两侧土体温差的大小和流量相关。同时，可以很明显地注意到，离桩侧距离大于45 cm制冷16 h后，最终温差在1 ℃以内，这进一步说明制冷工况下相变储能混凝土能源桩的温度影响范围为2~3倍桩径，影响范围随流量增大呈现出微弱的增大趋势，但整体上明显小于普通混凝土桩的热交换影响范围^[17]。

2.4 不同流量对换热量的影响

模型实验中换热流体通过换热管以恒定的温度和流量流入能源桩，与土体进行热交换，根据获得的进出口水温和换热流体流量，可计算出桩体的总换热量：

$ Q={{\rho }_{w}}\upsilon {{C}_{w}}(\text{ }{{T}_{\text{out}}}-{{T}_{\text{in}}}). $

(1)

其中：Q表示换热量，υ表示换热流体流量，T_in表示换热管进水口温度，T_out表示换热管出水口温度，ρ_w表示换热流体的密度，C_w表示换热流体的比热容。

本次实验采用水作为换热流体，不同流量工况下相变桩换热管进出口水温和温差随时间的变化曲线如图 13所示。可以看出，随着流量的增大，进出口水温的差值越来越小。在制冷循环30 min时，循环流量从0.15 m³/h增加至0.45 m³/h时，平均温差从1.93 ℃降至1 ℃，降低约49.2%；在制冷循环8 h时，循环流量从0.15 m³/h增加至0.45 m³/h时，平均温差从1 ℃降至0.47 ℃，降低约53.3%。同一流量下的3次循环的温差随着制冷循环时间的延长也呈现了一定的下降趋势，这可能是由于在多次制冷循环的过程中，桩周土体温度不能完全恢复至初始温度，桩土温度梯度不断减小，因此换热量减小，从而进出水口温差减小。不同流量下，温差也随流量增大呈逐渐减小的趋势，并且流量越大，温差相对衰减的越多。

根据不同流量工况下第一次制冷循环进出口温差计算的相变桩总换热量随时间的变化如图 14所示。从图 14可以看出，在循环实验的初期，由于初始桩土温度梯度较大，各流量下的总换热量较大，随着时间的延长，桩土温度梯度减小，总换热量不断减小并逐渐趋于平稳。同时还可以看出，随着流量的增大换热量总体上也增大。当制冷循环到4 h时，不同循环流量的换热量都大体进入稳定状态，3种循环流量在4~16 h内的平均总换热量分别为172、217、294 W，即循环流量增加100%和200%时，总换热量分别增加了26%、71%。这说明换热流体的流量对换热量影响较大，因此在设计能源桩时应充分考虑换热流体循环流量对桩土换热量的影响。

2.5 相变能源桩与普通能源桩的换热量对比

对比相变桩与普通桩的换热量差别，另外分别对2根桩在空气中进行了加热实验^[15]。初始环境温度为20 ℃，设置仪器加热温度为55 ℃，实验中控制水的循环流量为0.1 m³/h。图 15为相变能源桩与普通能源桩换热量对比，在循环运行的初期，相变桩的换热量比普通桩要大，随着时间的增加，换热量逐渐减小，约180 min后2个换热量基本重合。在循环30 min时，普通桩和相变桩的换热量分别为268.3和478.3 W，相变桩换热量约为普通桩换热量的1.8倍；当循环200 min时，普通桩和相变桩的换热量均在198.3 W左右。相变材料石蜡具有较高的相变潜热，在桩内加入相变石蜡后，由于石蜡的潜热作用，能源桩能量密度增大，从而提高了能源桩的热交换量。同时由于石蜡较低的导热系数会降低能源桩的导热性，本次研究采用钢球来封装相变石蜡，因此能源桩的导热率减小量不大，最终效果仍然是换热效率提高。

3 结论

本研究通过饱和砂土地基制冷工况下的相变能源桩模型实验，分析了3种不同流量对能源桩和土体温度变化规律及换热量的影响，可以得到以下结论。相变桩在热交换过程中桩体对于土体温度的主要影响范围为2~3倍桩径，传热主要沿桩体径向，且土体中的热传递速率随着到桩侧距离的增加逐渐减小。桩土热交换过程中，桩身内沿横截面和竖向温度分布不均匀，在循环过程中，桩体温度变化未产生积累效应，但土体随着循环次数增加，积累效应较为明显。不同流量的换热流体对于能源桩换热量的影响较大，制冷工况下，当换热趋于稳定时，换热量随着流量的增大而增大，当流量每增加一倍时，换热量平均提升26%以上。相变桩相较于普通桩在相变温度区间内换热量更大，能够储存更多的热量。