地源热泵能量桩在地下水渗流环境中的传热机理及传热对桩基力学性能影响的研究

The energy pile means that the spiral heat transfer pipes are installed into pile foundation and therefore a certain proportion of building cooling or heating load is assumed, this is a new type of ground heat exchanger (GHE) being provided with favorable heat exchange ability. The heat convection induced by groundwater seepage improves the heat transfer performance of energy pile. By means of analytical, numerical and experimental methods, this project will detailedly investigate both the heat transfer characteristics and the influence that heat transfer exerts on mechanical property of energy pile when groundwater seepage is taken into consideration. To establish the three-dimensional transient heat transfer models of energy pile with groundwater seepage and then obtain the corresponding analytical solutions; the finite element method is employed to conduct numerical analysis about the temperature fields inside and outside pile while groundwater flows through energy pile. The back calculation method is proposed to achieve groundwater velocity including value and orientation, and this can provide necessary data for the heat transfer analysis. Afterwards, the interdisciplinary research style is adopted to establish thermo-mechanical coupling model, and both analytical models and numerical simulation are employed. Therefore, the change of mechanical property of energy pile can be studied under the condition of heat transfer containing groundwater seepage. The experiments will be conducted to validate the researches of both heat transfer and mechanical property. Based on these studies, the coupling relationship between groundwater seepage and performance parameters of air-conditioning system will be explored. The project will put forward design method for energy pile with groundwater seepage, and this can provide technological guidance for the engineering problem.

能量桩将螺旋换热管埋设于桩基内部以承担一定比例的建筑冷热负荷，是一种新型且换热能力较强的地热换热器，地下水的渗流可进一步提高能量桩的换热能力。本项目拟采取解析分析、数值模拟和实验研究的方法，主要针对地下水流经能量桩时的传热特性和传热对桩基力学性能的影响展开研究。建立桩基埋管在地下水渗流条件下的三维非稳态传热模型且获得解析解，并采用有限元数值法对桩基内外在渗流时的温度场进行模拟。提出一种反向推理计算法获得地下水流速的大小和方向，为传热分析提供参数依据。随后，学科交叉的建立传热-力学性能的耦合关系，构建解析模型和进行数值模拟，研究地下水渗流条件下桩基在传热过程中受力状态的变化。传热和力学的理论结果将通过实验进行验证。以这些研究为基础，分析地下水渗流时能量桩的换热与建筑物空调系统性能参数之间的关系。本项目将提出能量桩在地下水渗流时的设计计算方法，为实际工程问题提供技术指导。

地源热泵能量桩是一种新型地埋管换热器，其承担部分冷热负荷可降低系统初投资，地下水的渗流可增强其与地下介质的换热从而承担更多负荷。本课题研究了地下水流经能量桩时的三维非稳态传热问题，采用解析和数值方法研究了地下温度场的变化规律，并通过实验对理论分析进行验证。分析了渗流条件下传热过程对桩基力学承载性能的影响，且将渗流与热泵机组相联系，探讨了渗流对地源热泵系统性能的影响。地下介质可视为多孔介质，由土壤、静态水和动态水组成，桩基埋管处于半无限大介质中，地下介质的热物性参数、螺旋管和桩基的几何尺寸、循环液的温度和流量及地下水的渗流速度，对建立数学模型和求解增加了较大难度，且在地下介质呈现多层分布时，传热机理的复杂性愈加明显。经过本课题的研究，项目组各个成员分工明确，完成了对应的研究任务。建立了地下水以一维、二维和三维流速流经处于均匀或非均匀介质中的能量桩传热模型，结合设定的初始和边界条件及格林函数法，获得了温度响应的瞬态解析解表达式，揭示地下水以不同流动方式对处于不同地下介质中的桩基螺旋埋管的换热影响。提出了反向推理计算法，用以获得地下水渗流速度的大小和方向，为传热问题的研究提供参数依据；建立了传热和力学性能的数学模型，研究渗流时桩基应力及桩顶位移变化。综合考虑地下水渗流速度、热泵机组运行状况、地热换热器参数等各方面的影响，结合实际工程，获得地源系统性能的变化规律。研究过程中也分析了地下水渗流速度为零时的传热和力学变化，即无渗流的工况，并对比有/无渗流的区别。当地下水呈不同流动状态时，不同结构尺寸的能量桩与地下介质进行换热，获得了循环液进出口温度、流量随建筑物冷热负荷的变化数据以及能量桩周围地下介质的温度变化值，且掌握了桩基力学性能的变化值与地源热泵机组COP的变化值。提出了桩基埋管在工程应用中的设计计算方法，为实际的地源热泵能量桩工程提供理论指导，促进地热能技术的发展和应用。