能源桩技术的研究与发展.pdf
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1、 第4 4卷第4期 建 井 技 术 V o l.4 4 N o.4 2 0 2 3年 8月 M I N EC ON S T R U C T I ONT E CHNO L OG YA u g.2 0 2 3能源桩技术的研究与发展张仁杰1,2,刘雪凡2,赵婧睿2,查润阳2,冶玉琴2,何科瑞2(1.中国矿业大学 深部岩土力学与地下工程国家重点实验室,江苏 徐州 2 2 1 1 1 6;2.中国矿业大学 力学与土木工程学院,江苏 徐州 2 2 1 1 1 6)摘 要:全球环境污染、能源供应不足等问题愈发严重,我国对能源可持续发展的要求也越来越高。通过对能源桩发展历程与背景的梳理,采用聚类分析等方法发现
2、能源桩在节能减排方面的优势格外突出。能源桩早在1 8 5 5年便已出现,日本、瑞士等国的能源桩技术已较为成熟,目前在我国应用较少。能源桩技术具有以往能源技术不可比拟的突出优势:提高能源利用效率和带来更好的经济效益,并且螺旋型能源桩优于3 U型能源桩。能源桩同样存在圆柱型螺旋能源桩的热干扰现象、群桩效应问题、相应系数修正以及对周边环境、设施可能产生不利影响等缺点,但是能源桩发展潜力仍然巨大,通过在能源桩混凝土中加入不同增强材料可以获得不同的强化换热效果,这将为建筑物节能减排提供新的思路。关键词:地源热泵;能源桩;相变材料;清洁能源;节能减排 中图分类号:TU 4 7 3.1;TU 8 3 文献标
3、识码:A 文章编号:1 0 0 2 6 0 2 9(2 0 2 3)0 4 0 0 8 1 0 9R e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n t o ne n e r g yp i l e t e c h n o l o g yZ HANGR e n j i e1,2,L I UX u e f a n2,Z HAOJ i n g r u i2,Z HAR u n y a n g2,Y EY u q i n2,HEK e r u i2(1.S t a t eK e yL a b o r a t o r yf o rG e o m e c h a n i c s
4、a n dD e e pU n d e r g r o u n dE n g i n e e r i n g,C h i n aU n i v e r s i t yo fM i n i n ga n dT e c h n o l o g y,X u z h o u2 2 1 1 1 6,C h i n a;2.S c h o o l o fM e c h a n i c sa n dC i v i lE n g i n e e r i n g,C h i n aU n i v e r s i t yo fM i n i n ga n dT e c h n o l o g y,X u z h
5、o u 2 2 1 1 1 6,C h i n a)收稿日期:2 0 2 3 0 6 0 3 修回日期:2 0 2 3 0 6 2 2 责任编辑:张素玉 D O I:1 0.1 9 4 5 8/j.c n k i.c n 1 1-2 4 5 6/t d.2 0 2 3.0 4.0 1 3基金项目:国家级大学生创新创业训练计划资助项目(2 0 2 1 1 0 2 9 0 1 0 1 Z)作者简介:张仁杰(2 0 0 1),男,河南安阳人,大学本科。E m a i l:1 3 6 7 3 9 3 0 1 8q q.c m引用格式:张仁杰,刘雪凡,赵婧睿,等.能源桩技术的研究与发展J.建井技术,2
6、0 2 3,4 4(4):8 1 8 9.Z HAN GR e n j i e,L I UX u e f a n,Z HAOJ i n g r u i,e ta l.R e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to ne n e r g yp i l et e c h n o l o g yJ.M i n eC o n-s t r u c t i o nT e c h n o l o g y,2 0 2 3,4 4(4):8 1 8 9.A b s t r a c t:G l o b a l e n v i r o n m e n t a l p o l l
7、 u t i o n,e n e r g ys u p p l yi n s u f f i c i e n ta n do t h e rp r o b l e m sa r eb e c o m i n gm o r es e r i o u sa n dC h i n as r e q u i r e m e n t so f t h es u s t a i n a b l ee n e r g yd e v e l o p m e n t a r ea l s og e t t i n gh i g h e r.W i t ht h ec o m b i n go nt h ed e
8、 v e l o p m e n th i s t o r ya n db a c k g r o u n do f t h ee n e r g yp i l e,t h ec l u s t e ra n a l y s i sa n do t h e rm e t h o d sa p p l i e ds h o w e dt h a t i nt h ee n e r g yc o n s e r v a t i o na n de m i s s i o nr e d u c t i o n,t h ee n e r g yp i l ew o u l dh a v e t h e
9、o u t s t a n d i n ga d v a n t a g e s.T h e e n e r g yp i l ew a s a p p e a r e da s e a r l ya s 1 8 5 5,t h e e n e r g yp i l e t e c h n o l o g y i nJ a p a n,S w i t z e r l a n da n do t h e rc o u n t r i e sa r eb e c o m i n gr e l a t i v e l ym a t u r e.A tp r e s e n t,t h ea p p
10、l i c a t i o no f t h ee n e r g yp i l et e c h n o l o g yi s l e s s i nC h i n a.T h ee n e r g yp i l et e c h n o l o g yw o u l dh a v et h e i n c o m p a r a b l eo u t s t a n d i n ga d v a n t a g e s t h a n t h ep r e v i o u s e n e r g y t e c h n o l o g y,c o u l d i m p r o v e t
11、 h e e n e r-g yu t i l i z a t i o ne f f i c i e n c ya n dc o u l db r i n ga b o u t t h eb e t t e r e c o n o m i cb e n e f i t s.T h e s p i r a l t y p e e n e r g yp i l ei sb e t t e r t h a nt h et h r e e Ut y p ee n e r g yp i l e.I nt h ee n e r g yp i l e,t h ec y l i n d r i c a ls
12、p i r a le n e r g yp i l ea l s ow o u l dh a v e t h e t h e r m a l i n t e r f e r e n c ep h e n o m e n o n,g r o u pp i l ee f f e c tp r o b l e ma n dc o r r e s p o n d i n gc o e f f i-c i e n t c o r r e c t i o na sw e l l a sw o u l dc a u s et h ea d v e r s ee f f e c ta n do t h e r
13、d i s a d v a n t a g e st ot h es u r r o u n d i n ge n v i r o n m e n t a n df a c i l i t i e s.B u t t h ed e v e l o p m e n tp o t e n t i a l o f t h ee n e r g yp i l ew o u l da l s ob eg r e a t.W i t hd i f f e r e n t s t r e n g t h i m p r o v e dm a t e r i a la d d e di nt h ec o n
14、 c r e t eo ft h ee n e r g yp i l e,t h ed i f f e r e n te n h a n c e dh e a te x c h a n g ee f f e c t sw o u l db eo b t a i n e da n d t h u s an e wi d e a lw o u l db ep r o v i d e d t o t h ee n e r g yc o n s e r-v a t i o na n de m i s s i o nr e d u c t i o no f t h eb u i l d i n g s.
15、K e y w o r d s:g e o t h e r m a l h e a t p u m p;e n e r g yp i l e;p h a s e c h a n g em a t e r i a l;c l e a ne n e r g y;e n e r g yc o n s e r v a t i o na n de m i s s i o nr e d u c t i o n建 井 技 术 2 0 2 3年第4 4卷0 引 言近年来,环境污染严重、能源供应不足已经成为全球人民共同面临的严峻问题,探寻一条能源可持续发展的道路已十分迫切。能源桩是一种在地下桩基内配置换热系统的
16、地源热泵,它利用的地热能是非常重要的可再生资源,具有可就地取用、清洁和环保等优势。地热资源的开发和利用,实现了节能减排,对国家经济建设起到了十分重要的作用1。本文就能源桩的发展历史、背景、原理、应用实例以及优缺点进行了归纳总结,并对能源桩未来发展方向进行预测。1 能源桩的发展历史和背景1.1 发展历史能源桩的本质是地源热泵,是一种利用陆地浅层能源通过输入少量的高品位能源(如电能等)实现由低品位热能向高品位热能转移的装置。1 8 5 5年,奥地利采矿工程师彼得里特尔冯里廷格(P e t e rR i t t e rv o nR i t t i n g e r)研发出热泵,经过一段时间的试用,发现
17、使用热泵能为奥地利盐场每年节省2 9.3万m3的木柴2。地源热泵技术最早始于英国和美国,但地源热泵的概念却是在1 9 1 2年由瑞士科学家提出的。由于受各种技术的限制,并且地源热泵早期投资较高、占地面积大,这项技术在全球的发展比较缓慢,但潜能依然巨大。2 0世纪8 0年代,奥地利学者首次提出了桩埋管技术3,他们创新地将地源热泵的传热管埋设在建筑物地基的桩基中,并与原有建筑很好地融合,代替了传统的钻孔方法,解决了传统地源热泵占地面积大,初始投资高的问题。随后,L a l o u i等便正式提出了能源桩(e n e r g yp i l e s)的概念,并在施工现场成功实践,得出了测试结果4。同时
18、,瑞典隆德理工学院(L TH)提出了管道储存模型D S T,该模型用于模拟地下蓄热、蓄冷的热 过 程,也 可 用 于 模 拟 地 热 的 储 存。1 9 9 3年M a z z a r e l l a提出了比该模型更快的TR N S Y S版本,同年,G o o d e等5研究得出桩体结构响应的内在本质是桩土相互作用。基于上述研究,日本在国土面积有限、资源匮乏的条件下,率先在1 9 9 4年提出了桩埋管换热器的概念,该国的M o r i n o在慕尼黑机场的建造中使用了在钢管桩基中埋设管状换热器这项技术,得到了较好的换热效果6。2 0 0 7年,仲智7研究发现,相较于双U型管、间接双管以及直接
19、双管这3种埋管形式,最具有性价比且具备一定可操作性的是单U型埋管。2 0 0 9年,B OUR N E等8对温度在能源桩桩深和桩径方向的变化进行了研究,当能源桩直径为0.6m时,桩心与桩壁温差可达5以上,这足以证明桩体内部的传热过程对整体传热特性有着不可忽视的影响;张文克等9对不同直径的桩埋管地热换热器与竖直钻孔地埋管换热器的传热能力进行计算和比较后,提出了实心圆柱面模型;刘俊等1 0对4种桩基埋管在额定进口水温下的传热性能进行测试,得出不同进口水温对W型埋管传热性能的影响。2 0 1 5年,邓岳保1 1通过对桩基工程实践经验的总结和地源热泵技术的摸索,提出了桩侧热交换能源桩技术。2 0 1
20、6年,赵海丰等1 2基于增温测试地温恢复T P T制冷测试,验证了岩土体温度扩散的缓慢性及良好的热储性。2 0 1 9年,冯唐杰1 3基于能源桩模型循环实验系统,发现使用相变混凝土的能源桩更能够减少土体温度的影响范围,从而可以减少土体的热固结和变形、减小地面以及桩基的沉降。2 0 2 2年,欧孝夺等1 4建立了一种U型埋管能源桩非稳态传热模型用以描述能源桩传热过程。同年,汤炀等1 5基于相变桩和普通桩热力响应模型试验得出如下结论:相变桩的塑性累计位移在多次温度循环后仍比普通桩小;在夏季,相变桩换热功率比普通桩增长2 0%。2 0 2 3年,江杰等1 6以荷载传递法和能量平衡原理的热力耦合作用下
21、能量源桩单桩分析方法为基础,研究得出桩顶沉降量在桩顶荷载水平超过7 5%P u的情况下临近极限值。目前,能源桩技术在奥地利、瑞士和德国等已经有十几年的应用经验,同时,英、美等国也正在开展大量的实践。我国在2 0 1 8年制定了行业标准(J G J/T4 3 82 0 1 8 桩基地 热能利用技 术标准1 7),并举行了2届全国能源地下结构与工程学术研讨会,推动了我国能源桩技术的发展。1.2 发展背景由于气候问题日益严峻,如何减少碳排放和如何可持续发展地走绿色环保道路,已经成为各国发展的首要问题。针对上述问题各国都陆续出台了相关政策,以确保早日实现减碳目标,如日本出台 联合国气候变化框架公约京都
22、议定书、英28 第4期 张仁杰,等:能源桩技术的研究与发展国的2 0 0 8年气候变化法案 以及澳大利亚的众多政策:澳大利亚的气候变化政策 我们的经济、环境和未来、澳大利亚气候变化政策和2 0 0 7国家温室气体和能源报告法案等1 8。而我国也在2 0 2 0年 第7 5届 联 合 国 大 会 上 正 式 提 出 了2 0 3 0年实现碳达峰、2 0 6 0年实现碳中和的双碳目标。与传统能源相比,地热能源具有储量高、来源广、可再生、随处可得的优点,且作为一种清洁能源,它的制冷制热能力不会随气候变化而下降,机组效率 整 体 较 高,冬 季 也 不 易 出 现 结 霜 的 问题1 9。和除天然气以
23、外的所有常规制冷制热方法(如电阻、燃料油、液态汽油、煤、石油等)相比,地源热泵更具有经济优势。综上所述,地源热泵系统有潜力提供高达8 0%的整体碳减排。能源桩以高于空气热泵的效率和较低的运行能耗,达到了较高制冷性能系数(C O P),在国外已经得到了广泛应用,如在奥地利,已有近3 0 0座建筑安装了能源桩或能源连续墙2 0。在中国关于地源热泵、能源桩的研究和实践比发达国家晚得多。能源桩最早在我国的应用是2 0 0 4年天津的能源桩项目工程2 1。2 0 0 72 0 0 8年能源桩开始在我国迅速发展,如上海世博轴2 2是能源桩安装实施较为成功的典型案例,在这个项目中安装了超过60 0 0根能源
24、桩。虽然,2 0 1 8年我国颁布了第一部能源桩相关规范:桩基地热能利用技术标准(J G J/T4 3 82 0 1 8),但目前由于交叉学科较多、实际桩体与周围土壤热力响应较为复杂等原因,能源桩在我国的应用仍然较少。我国地热资源丰富,浅层地热能主要分布在东北地区南部、华北地区、江淮流域、四川盆地和西北地区东部。目前我国能源消耗量最大的仍然是煤炭资源。在北方冬季乡村供暖地区多用散户散煤的供暖方式,用煤量占我国集中供暖用煤量的近一半,由于散户用煤浪费较大,且技术较差,造成的污染和能源的浪费也可想而知。另外,中国地热能发展报告表明2 3,中国大陆3 3 6个主要城市浅层地热能年可采资源量折合7亿t
25、标准煤,可实现3 2 0亿m2建筑面积供暖和制冷,如果大范围推广能源桩技术,不仅改善了我国能源结构,而 且 得 到 的 环 境 以 及 经 济 收 益 将 是 巨大的2 4。1.3 应用实例L a i n z e r隧道是能源桩应用比较经典的案例之一。隧道的设计者将地源热泵换热装置安装在隧道的钻孔桩中,以此汲取地热用以加热或冷却隧道2 5 2 6。2 0 0 5年,日本札幌市立大学新建建筑物同样使用了能源桩技术。该能源桩系统由5 0多个固定于地面的能量桩组成,桩体是由距地面4m深的细沙石组成。该建筑物的能源桩系统使用了闭环系统,每组桩基中包括了2组U形管。瑞士是能源桩应用的先驱,在苏黎世机场的
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