能量桩技术及其工程应用研究进展.
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112-11
三、能量桩的技术与应用
3.2 能量桩工作原理
图8
能量桩工作原理
112-12
三、能量桩的技术与应用
3.2 能量桩工作原理
图9
桩埋管形式示意图
112-13
三、能量桩的技术与应用
3.3 能量桩的优势
与传统的竖向钻孔埋管技术方案相比，桩埋管式能量桩系统具有如下几点技 术经济性特点： （1）传统地源热泵，在钻孔中埋设埋管换热器，需要经过钻孔、埋设以及回 填等施工工艺；钻孔施工费用高、施工工序多造成施工工期延长。能量桩系统， 采用桩基埋管形式而不需要单独钻门钻孔，比竖直埋管形式换热系统节省约 40%-70%的费用。 （2）能量桩系统中传热管被浇注在桩体内部，回填材料可理解为混凝土，密
沟中，或是以Ｕ形管状垂直安装在竖井之中。通过中间介质（通常为水或
者是加入防冻剂的水）作为热载体，使中间介质在土壤耦合地热交换器的 封闭环路中循环流动，从而实现与大地土壤进行热交换的目的。
112-8
二、地源热泵技术概况
2.3.1 水平埋管地源热泵系统
(a) 水平埋管地源热泵系统
(c) 并联式水平埋管
一、研究背景及意义
随着人民生活水平的提高，公共建筑和住宅的供热和空调系统已成为普遍 的需求，而该部分能耗可占到社会总能耗的25%～30%。从降低运行费用、 节省能源、减少排放CO2排放量来看,地源热泵技术是一个不错的选择。
图3 能源消耗分布图
112-4
二、地源热泵技术概况
2.1 地源热泵技术简介
实性好；较竖直埋管形式有较好的传热性能，从而在等量热传递情况下可以减少
埋管的长度。 （3）桩基埋管直接埋设在构建物的下面，节省用地面积，且施工进度较一般 的竖直埋管形式要快。但是，由于传热管下端弯曲要求，桩埋式管不太适用于小 直径桩。
112-14
三、能量桩的技术与应用
3.4 能量桩的研究现状
（1）能量桩的热传递特性研究 能量桩的能量传输过程是一个复杂的热传递过程。1994年日本的Morino首先
112-5
二、地源热泵技术概况
2.1 地源热泵技术简介
地源热泵技术，比传统锅炉技术节省70%以上的能源和40%60%的运行费用；在制冷时，地热泵技术要比普通空调节能40%50%，运行费用降低40%以上。
112-6
二、地源热泵技术概况
2.2 地源热泵系统的分类
地下水地源热泵
地 源 热 泵
地表水地源热泵
112-15
三、能量桩的技术与应用
3.4 能量桩的研究现状
（2） 能量桩的力学特性研究 由于热能的传递，使地基内部温度场发生变化，从而改变桩周土体的性质，桩
身混凝土产生温度应力，最终影响桩-土荷载传递规律。相关学者开展了温度对土
体性质影响的三轴试验研究，得到了摩擦角、孔隙比和前期固结压力等受温度的影 响特性，提出了一种各向同性的黏土热力学模型；并对热传递过程中能量桩的应力
在钢管桩基中埋设管状换热器并提出桩埋管换热器的概念，基于有限差分法对桩基
内两个竖直U型埋管换热器的传热特性进行了数值分析，并进行了试验研究。基于 数值分析方法，对慕尼黑机场大楼的500多根桩中设计的U型埋管换热器进行模拟
分析（Pahud et al., 1996）；对桩埋管的施工工艺和现场热交换温度场进行了
分析（Laloui et al., 2006）。在总结能量桩技术的基础上，针对摩擦型桩地能转 换效率，及其建筑物的冷热负荷进行长期观测试验；研究结果表明，桩埋管换热器 的效率较高（Yasuhiro et al., 2007；Sekine et al., 2007）。2009年张文克 等提出了一种适合于桩基螺旋埋管的传热模型，并给出了一维实心圆柱面热源传递 模型的解析解；通过搭建的实验平台，对数值模型和解析模型进行验证分析。
目 录
一、研究背景及意义 二、地源热泵技术概况 三、能量桩的技术与应用 四、PCC能量桩技术开发
五、结语
37-2
一、研究背景及意义
中国目前的能源结构以煤炭为主；发展节能减排的新能源技术是我国及 世界各国追求的重要发展方向。
各能源消耗比重
图1 近3年各能源消耗比重
图2 2015年各能源消耗比重
112-3
第11届全国桩基工程学术会议—江苏 宜兴, 2013.10.16
能量桩技术及其工程应用 研究进展
刘汉龙，孔纲强*，吴宏伟
河海大学土木与交通学院 江苏省南京市西康路1号
Tel.: +86+25-8378 7772
Cell Phone: +86-152 0516 8312 Email: gqkong1@163.com
（b） 串联式水平埋管 图6 水平埋管形式
112-9
二、地源热泵技术概况
2.3.2 垂直埋管地源热泵系统
(a)
(b)
图7 垂直埋管地源热泵系统:（a）换热器并管路直接接 入机房；（b）换热器并管路汇集到集水器
112-10
三、能量桩的技术与应用
3.1 能量桩开发背景
竖直U型埋管地源热泵在我国得到了极大的发展，现在已经是成熟的技术；但 是我们应该正视地埋管地源热泵技术所面临的问题。地源热泵空调系统通常需要足 够大的室外面积来设置地埋管换热器，这成为制约地源热泵空调系统在建筑容积率
地埋管地源热泵
Байду номын сангаас
图5 地埋管地源热泵系统
112-7
二、地源热泵技术概况
2.3 地埋管地源热泵系统
地埋管地源热泵系统也称地下耦合热泵系统（Ground-couple heat
pumps GCHPs）或土壤热交换器地源热泵（Ground heat exchanger heatpumps），包括一个土壤耦合地热交换器，它或是水平地安装在地
地源热泵技术，是利用地下的土壤、地表水、地下水温相对稳定的
特性，通过消耗电能，在冬天把低位热源中的热量转移到需要供热或 加温的地方，在夏天还可以将室内的余热转移到低位热源中，达到降
温或制冷的目的。
室外地 能换热 系 统 水源 热泵
图4 地源热泵能量转换原理
水循环
水或空气循环
建筑物采 暖或空调 末 端
大的场合推广应用的主要障碍。同时，与传统空调系统相比，较高的钻孔费用也在
一定程度上降低了地源热泵空调系统的经济适用性。 为突破竖直钻孔埋管的地源热泵系统的这些障碍，函需找到一种新的可替代钻 孔埋管的地热换热器。如果在建筑物建造时，直接将地源热泵系统地埋管换热器的 塑料换热管埋设在建筑物的混凝土桩基中，使其与建筑结构相结合，这样就成为一 种新型的地埋管换热器，称为桩基埋管地热换热器，也称作能量桩。
三、能量桩的技术与应用
3.2 能量桩工作原理
图8
能量桩工作原理
112-12
三、能量桩的技术与应用
3.2 能量桩工作原理
图9
桩埋管形式示意图
112-13
三、能量桩的技术与应用
3.3 能量桩的优势
与传统的竖向钻孔埋管技术方案相比，桩埋管式能量桩系统具有如下几点技 术经济性特点： （1）传统地源热泵，在钻孔中埋设埋管换热器，需要经过钻孔、埋设以及回 填等施工工艺；钻孔施工费用高、施工工序多造成施工工期延长。能量桩系统， 采用桩基埋管形式而不需要单独钻门钻孔，比竖直埋管形式换热系统节省约 40%-70%的费用。 （2）能量桩系统中传热管被浇注在桩体内部，回填材料可理解为混凝土，密
沟中，或是以Ｕ形管状垂直安装在竖井之中。通过中间介质（通常为水或
者是加入防冻剂的水）作为热载体，使中间介质在土壤耦合地热交换器的 封闭环路中循环流动，从而实现与大地土壤进行热交换的目的。
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二、地源热泵技术概况
2.3.1 水平埋管地源热泵系统
(a) 水平埋管地源热泵系统
(c) 并联式水平埋管
一、研究背景及意义
随着人民生活水平的提高，公共建筑和住宅的供热和空调系统已成为普遍 的需求，而该部分能耗可占到社会总能耗的25%～30%。从降低运行费用、 节省能源、减少排放CO2排放量来看,地源热泵技术是一个不错的选择。
图3 能源消耗分布图
112-4
二、地源热泵技术概况
2.1 地源热泵技术简介
实性好；较竖直埋管形式有较好的传热性能，从而在等量热传递情况下可以减少
埋管的长度。 （3）桩基埋管直接埋设在构建物的下面，节省用地面积，且施工进度较一般 的竖直埋管形式要快。但是，由于传热管下端弯曲要求，桩埋式管不太适用于小 直径桩。
112-14
三、能量桩的技术与应用
3.4 能量桩的研究现状
（1）能量桩的热传递特性研究 能量桩的能量传输过程是一个复杂的热传递过程。1994年日本的Morino首先
112-5
二、地源热泵技术概况
2.1 地源热泵技术简介
地源热泵技术，比传统锅炉技术节省70%以上的能源和40%60%的运行费用；在制冷时，地热泵技术要比普通空调节能40%50%，运行费用降低40%以上。
112-6
二、地源热泵技术概况
2.2 地源热泵系统的分类
地下水地源热泵
地 源 热 泵
地表水地源热泵
112-15
三、能量桩的技术与应用
3.4 能量桩的研究现状
（2） 能量桩的力学特性研究 由于热能的传递，使地基内部温度场发生变化，从而改变桩周土体的性质，桩
身混凝土产生温度应力，最终影响桩-土荷载传递规律。相关学者开展了温度对土
体性质影响的三轴试验研究，得到了摩擦角、孔隙比和前期固结压力等受温度的影 响特性，提出了一种各向同性的黏土热力学模型；并对热传递过程中能量桩的应力
在钢管桩基中埋设管状换热器并提出桩埋管换热器的概念，基于有限差分法对桩基
内两个竖直U型埋管换热器的传热特性进行了数值分析，并进行了试验研究。基于 数值分析方法，对慕尼黑机场大楼的500多根桩中设计的U型埋管换热器进行模拟
分析（Pahud et al., 1996）；对桩埋管的施工工艺和现场热交换温度场进行了
分析（Laloui et al., 2006）。在总结能量桩技术的基础上，针对摩擦型桩地能转 换效率，及其建筑物的冷热负荷进行长期观测试验；研究结果表明，桩埋管换热器 的效率较高（Yasuhiro et al., 2007；Sekine et al., 2007）。2009年张文克 等提出了一种适合于桩基螺旋埋管的传热模型，并给出了一维实心圆柱面热源传递 模型的解析解；通过搭建的实验平台，对数值模型和解析模型进行验证分析。
目 录
一、研究背景及意义 二、地源热泵技术概况 三、能量桩的技术与应用 四、PCC能量桩技术开发
五、结语
37-2
一、研究背景及意义
中国目前的能源结构以煤炭为主；发展节能减排的新能源技术是我国及 世界各国追求的重要发展方向。
各能源消耗比重
图1 近3年各能源消耗比重
图2 2015年各能源消耗比重
112-3
第11届全国桩基工程学术会议—江苏 宜兴, 2013.10.16
能量桩技术及其工程应用 研究进展
刘汉龙，孔纲强*，吴宏伟
河海大学土木与交通学院 江苏省南京市西康路1号
Tel.: +86+25-8378 7772
Cell Phone: +86-152 0516 8312 Email: gqkong1@163.com
（b） 串联式水平埋管 图6 水平埋管形式
112-9
二、地源热泵技术概况
2.3.2 垂直埋管地源热泵系统
(a)
(b)
图7 垂直埋管地源热泵系统:（a）换热器并管路直接接 入机房；（b）换热器并管路汇集到集水器
112-10
三、能量桩的技术与应用
3.1 能量桩开发背景
竖直U型埋管地源热泵在我国得到了极大的发展，现在已经是成熟的技术；但 是我们应该正视地埋管地源热泵技术所面临的问题。地源热泵空调系统通常需要足 够大的室外面积来设置地埋管换热器，这成为制约地源热泵空调系统在建筑容积率
地埋管地源热泵
Байду номын сангаас
图5 地埋管地源热泵系统
112-7
二、地源热泵技术概况
2.3 地埋管地源热泵系统
地埋管地源热泵系统也称地下耦合热泵系统（Ground-couple heat
pumps GCHPs）或土壤热交换器地源热泵（Ground heat exchanger heatpumps），包括一个土壤耦合地热交换器，它或是水平地安装在地
地源热泵技术，是利用地下的土壤、地表水、地下水温相对稳定的
特性，通过消耗电能，在冬天把低位热源中的热量转移到需要供热或 加温的地方，在夏天还可以将室内的余热转移到低位热源中，达到降
温或制冷的目的。
室外地 能换热 系 统 水源 热泵
图4 地源热泵能量转换原理
水循环
水或空气循环
建筑物采 暖或空调 末 端
大的场合推广应用的主要障碍。同时，与传统空调系统相比，较高的钻孔费用也在
一定程度上降低了地源热泵空调系统的经济适用性。 为突破竖直钻孔埋管的地源热泵系统的这些障碍，函需找到一种新的可替代钻 孔埋管的地热换热器。如果在建筑物建造时，直接将地源热泵系统地埋管换热器的 塑料换热管埋设在建筑物的混凝土桩基中，使其与建筑结构相结合，这样就成为一 种新型的地埋管换热器，称为桩基埋管地热换热器，也称作能量桩。