能源桩技术的应用问题及展望

(重庆交通大学土木工程学院 重庆 400074)

一、引言

由于我国人民生活水平的提高，供暖制冷方面能耗所占到社会总能耗的比重的25%～30%。而我国大部分供热主要依靠煤炭，这也加剧了空气污染问题[1]。能源桩是一种新型的桩埋管地源热泵技术。它将通常意义上的桩基础与热交换器结合起来，具有造价低、占地小、污染低、效率高等特点[2]。能源桩技术的出现，为解决这一难题提供了一个切实可行的思路。但是，值得说明的一点是，虽然能源桩技术在我国有很大的发展潜力和光明应用前景，但是其也有诸多问题亟待有关研究人员去解决。

二、能源桩的工作原理

浅层的地热能的温度基本恒定，大约在15℃～20℃左右。在冬天，地表气温低而地下温度高，从大地提取热量，通过热泵和压缩机给建筑供暖；在夏天，地表气温高而地下温度低，将建筑物的热量转移到地下，这样就实现了夏天制冷而冬天供热[3]。

能源桩由钢筋混凝土桩和换热管组成，通过换热管连接地源热泵机组，对地下土体抽取热量或放出热量。由于它将换热器和建筑物中的混凝土桩基结合起来，把桩基作为结构物和大地交换热的媒介,利用桩身混凝土较好的热传导性能和桩土更大的接触面，提高了换热效率。

三、能源桩技术存在的问题

能源桩技术兴起于上世纪80年代的欧洲，在2000年前后传入我国后，国内外的学者都对能源桩进行过研究，并取得了相应的成果，但是至今为止，能源桩没有形成一个完整的理论体系，不能完全满足实际工程的需求，使得能源桩技术难以大规模推广。目前存在的主要问题可分为以下几方面：

(一)温度效应下的能源桩热-力学特性

能源桩既是结构承重构件，又是换热器，除了原来的上部荷载，还承受由于温度变化产生的附加温度应力。

Bourne-Webb等在对能源桩进行原位试验后提出，能源桩桩身温度在下降19℃时，桩中下部会产生最大为2MPa的拉应力[4]。桂树强等在对一根12m能源桩进行实测后发现，在冷热循环后，桩身会产生不可恢复的沉降[5]。

拉应力和不可恢复沉降的出现都表明，温度变化对桩基承载力和沉降的影响不可忽视。

(二)温度效应下的能源桩桩-土界面特性

Yavari等改造盒式直剪仪，研究不同温度下接触面的性能变化，发现黏土-混凝土界面呈软化状态[6]。李春红等通过室内直剪试验，发现温度效应最明显的是能源桩-黏土界面[7]。

当热荷载从桩身传递到土体时，热荷载会引起土体的体积改变。因此土体温度的变化会积极地或消极地影响桩-土接触面的应力状态，从而影响桩侧摩阻力的发挥，特别是对于软土地区的摩擦桩来说。

(三)能源桩的传热理论

现有关于能源桩的传热理论基本上是基于井埋管地源热泵，但是由于能源桩的长径比远小于井埋管地源热泵，所以能源桩的传热不但要考虑径向传热，还应考虑桩身尺寸、材料对传热的影响。

现有的线热源、柱热源、螺旋线热源等模型虽然已用于工程设计，但是仍有不足之处[8]。部分理论计算所得的岩土热物性参数有时与实际值相差较大，影响造价。

四、能源桩技术存在的发展前景

虽然仍有大量的问题有待深入研究，但是从国内外能源桩实际工程使用效果来看，还是能够基本达到预想的供热量指标[9]。这说明虽然能源桩还未形成完整理论体系，但通过工程经验可以弥补其理论的不足。

随着节能减排工作的不断推进和城市建设规模的不断扩大，建筑节能越来越受人们重视。能源桩技术拥有的诸多特点，使其非常适合作为城市建筑节能的解决方案。但是由于能源桩将换热器放置在桩基础内，必须与地下结构同时施工，一旦建筑建成就无法应用该技术。因此应该抓住大规模城市建设历史机遇，推广能源桩技术。