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人类社会活动的能源消耗日益加剧,而作为人类目前主要能源来源的化石能源有其不可再生的限制性,因此谋求能源的可持续发展已经成为全世界各国的共识。地热能是一种低碳、环保、可循环利用的绿色可再生能源,而能源桩系统是地热能的主要利用方式之一。常见能源桩系统根据埋管方式的不同可划分为:U型、W型、并联双U型、并联多U型和螺旋型。但这些埋管方式存在着换热能力不强或热干扰明显等不足。本文在前人基础上提出了深层埋管式能源桩(简称D-U型能源桩),并采用仿真软件进行模拟,分析不同参数的影响,力求进一步提高其换热能力,主要研究工作具体如下:(1)采用COMSOL有限元软件建立能源桩单桩数值模型,通过与既有文献中的试验对比验证数值建模的正确性。模拟D-U型、U型、W型能源桩,对比分析得到D-U型能源桩换热能力高于U型和W型。参数分析表明:流速从0.342 m~3/h提升至1.368 m~3/h,出水口温度由30.50~°C提升至33.74~°C;入水口水温从35~°C提升至50~°C,入水口与出水口温差提高4.06~°C;换热管直径对换热能力影响较小,考虑经济因素选取20 mm;管深与桩长比值越大,出水口温度越低,但存在极限值。(2)采用COMSOL建立能源桩群桩数值模型,与试验对比验证群桩数值建模的正确性。建立D-U型能源桩群桩模型长时间运行发现由于热干扰中心桩出水口温度高于单桩0.53~°C。参数分析表明:将桩间距设为4 m以上或隔桩布设将有效减小热干扰;梅花形布置换热能力略优于方形布置;桩直径由400 mm提升至1000 mm,中心桩出水口温度由31.82~°C下降至31.32~°C;中心桩在黏土、砂土、岩石中出水口温度依次降低;土体导热系数、比热容对换热能力影响较大,而密度影响较小。(3)建立D-U型能源桩群桩的间歇运行模型进行研究。模拟表明,当系统由运行状态进入间歇状态,桩的温度开始下降,呈现可恢复性,而土的温度则是持续上升。通过与持续运行模式的对比得到,间歇运行模式换热效率高于持续运行模式,且桩间土和外围土温度明显低于持续运行模式,更有利于D-U型能源桩群桩的长期换热。