摘要
能量桩是将传统地源热泵中地埋管换热器与建筑物桩基结合起来的一种经济高效型建筑节能技术。在能源短缺和环境污染的现状下，能量桩技术因其节能、环保、高效、节约土地面积等优势而备受关注。然而，在实际运行过程中，传统能量桩的换热量会受桩长和桩数量限制，同时，桩身会因温度变化导致热胀冷缩而产生一定程度上的变形，这会影响能量桩的换热能力与承载性能，危害其安全高效运行。为此，提出了将相变材料(PCM)作为传统能量桩一部分填充材料而构成的相变混凝土能量桩，利用PCM在相变过程中的相变潜热及温度变化小的特点来改善传统能量桩蓄能传热特性，同时削弱能量桩在换热过程中产生的变形。但目前有关相变混凝土能量桩热力耦合作用下热力学特性的研究还很少，为此本文通过模型实验和数值模拟，研究了相变过程、不同运行模式以及桩身物性与结构参数对相变混凝土能量桩热力学特性的影响。 模型实验方面，搭建了传统和相变混凝土能量桩模型实验台，开展了放热工况下相变过程、进口水温、不同运停时间比及桩顶荷载对相变混凝土能量桩热力学特性影响的实验研究。结果表明:能量桩内添加PCM，不仅能够有效降低桩身及桩周土体温升幅度，从而削弱桩身因受热膨胀而产生的变形以及桩身热应力和桩端土压力，而且还可提高其换热性能;进口水温越高，换热量越大，但桩身和桩周土体温升幅度也越大，导致桩顶位移、桩身热应力和桩端土压力也越大;在不同的运停时间比下，运行时间越长，总换热量越大，但时平均换热量却越小，桩周土体温度恢复率也越低，同时桩顶残余位移量、桩身热应力和桩端土压力也会越大;加大桩顶荷载，桩顶累计沉降量、桩身应力和桩端土压力均会有所增加。 数值模拟方面，利用FLUENT和ABAQUS软件建立了传统和相变混凝土能量桩的数值模型，探讨了放热工况下相变过程、导热系数、相变温度、相变潜热、管腿间距和桩体长径比对相变混凝土能量桩热力学特性的影响规律。结果表明:与传统能量桩相比，相变混凝土能量桩可以提升换热能力，缩小热影响范围，减小桩身位移变化量、桩身轴力和桩侧摩阻力;与此同时，增大相变混凝土导热系数可以明显增加换热量，但也会导致土壤热影响范围变大及桩身位移变化量和桩身轴力的加大;放热工况下采用较低的相变温度和较大的相变潜热有利于改善相变混凝土能量桩的换热性能、缩小土壤热影响范围、减小桩身位移变化和桩身轴力;随着U型桩埋管管腿中心间距的增加，换热量和土壤热影响范围逐渐增大，桩身轴力反而逐渐减小，桩身位移增量呈现出先增大后减小的趋势;桩体长径比越大，相变混凝土能量桩的总换热量越大，但单位桩深换热量却不一定越大，另外，温度变化所导致的桩身变形越大。 本文旨在探讨相变过程以及不同影响因素对相变混凝土能量桩热力学特性的影响规律，以期为其进一步深入研究和工程应用提供理论指导与技术支持。
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