能量桩换热性能及热力响应试验研究

摘要

能量桩是一种利用浅层地热的建筑节能技术，将传统地源热泵系统地下换热器埋置在桩基中。由于当前国内外研究换热性能问题方面还不够准确和完善，并且在能量桩换热过程中的热力学特性缺少必要的现场实测工作，对能量桩在实际工程中大规模推广有一定的阻碍。 本文以某实验基地多根灌注型能量桩为研究对象,首先详细介绍了本实验基地能量桩的研究背景，对试验场地热物性参数获取。为后文能量桩换热性能和能量桩热力响应试验研究提供了基础数据。 通过现场热响应测试揭示了能量桩在不同流速下的换热性能，得到以下结论：1）当循环介质流速为0.37m/s时，能量桩的总换热量和单位换热量最大。2）循环介质流速的增加对桩的换热效率有一定的提高，在达到一定值时最为明显，之后逐渐降低，建议热交换管内循环介质的流速不宜过大，设置为0.4m/s左右较为适宜。3）通过对比传统钻孔埋管换热器的换热性能，能量桩具有明显的优势和经济性。 通过能量桩在自由约束条件下的热力响应试验研究，得到以下结论：1）在换热过程中，桩身的温度分布较为均匀，且桩长越长，其总换热量越高。2）能量桩在加热过程中的应变呈现两端大中间小的变化规律，桩体的横向应变与纵向应变的变化规律相似，但桩周土体的横向约束要强于桩侧摩阻和桩端的约束影响，以致桩体的横向应变总体上要小于纵向应变。3）在温度荷载作用下（△T=10℃），桩身最大附加应力位于桩中上部位置，其值可能超过1.66MPa，作为能量桩设计人员必须考虑温度荷载对桩承载力的影响。4）桩体在加热过程中，温度荷载引起桩身部分侧摩阻力发生反向。随着温度荷载的增加，桩中部正负侧摩阻力交界处附近的变化趋势要明显快于桩两端，当温升达到一定值后，能量桩正负侧摩阻力的增长趋势减弱。5）通过实测和理论结果对比得到，本试验在顶部无约束的情况下，其变化规律与理论结果的变化规律较为一致，试验结果得到了进一步的验证。

目录

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第1章 绪论

1.1 研究背景与意义

1.2 能量桩地源热泵系统

1.2.1 地源热泵系统简介

1.2.2 能量桩系统简介

1.2.3 能量桩的埋管型式

1.2.4 能量桩的运行机制

1.3 能量桩国内外研究现状

1.3.1 能量桩换热性能研究

1.3.2 能量桩热力响应试验研究

1.4 主要研究内容

1.5 论文解决问题和研究价值

第2章 研究背景及热物性参数获取

2.1 现场试验基本概况

2.2 场地工程地质条件

2.3 现场试验项目及布置

2.3.1 传感器布置

2.3.2 现场试验方案简述

2.3.3 现场试验照片

2.4 岩土体综合热物性参数

2.4.1 测试方法

2.4.2 测试仪器

2.4.3 导热系数现场测试原理

2.4.4 初始地温测试

2.4.5 测试结果及分析

2.5 本章小结

第3章 能量桩换热性能实测与分析

3.1 能量桩换热性能现场试验方案

3.2 不同流速下能量桩换热性能差异分析

3.2.1 不同流速下的测试结果

3.2.2 不同流速下的换热性能对比分析

3.3 能量桩与钻孔埋管换热器换热性能差异分析

3.3.1 钻孔埋管换热器换热性能

3.3.2 1#能量桩单U型埋管换热性能

3.3.3 试验结果对比分析

3.4 本章小结

第4章 能量桩热力响应试验结果与分析

4.1 能量桩热力响应现场测试原理

4.2 能量桩实测结果与分析

4.2.1 桩身温度分布特征

4.2.2 桩体应变分布特征

4.2.3 桩体附加温度应力

4.2.4 桩侧摩阻力分布特征

4.3 能量桩实测结果与理论对比分析

4.4 本章小结

第5章 结论与展望

5.1 结论

5.2 展望

参考文献

致谢