能量桩,作为一项利用可再生性清洁能源的新型节能技术,对解决我国目前严重的能源短缺和环境污染问题具有重要意义。它是利用浅层地热能,将传统地源热泵的地下换热管道直接置于桩基内一起构成换热器,起到承载和热量交换的双重作用。其特殊的工作环境对混凝土材料的性能提出了更高的要求,需有较高的导热储热性能。所以,研究能量桩体材料热物性改进对能量桩结构热能高效利用具有十分重要的现实意义。本文基于桩体材料改性,主要采用数值模拟的方法,研究了导热增强能量桩和相变改性能量桩的换热性能和热力学特性。针对导热增强能量桩,首先建立了能量单桩与群桩传热模型,分析了导热增强能量单桩、群桩桩身桩周土温度变化、出水口温度、换热效率等传热性能;然后又建立了能量单桩热-力耦合模型,分析了导热增强能量桩的热力耦合效应。针对相变改性能量桩,将新型储能相变材料复合到普通混凝土中构建相变能量桩,利用能量桩段有限元数值模型,对比分析了普通能量桩与相变改性能量桩的传热差异;最后基于当前实验条件,选取适宜能量桩工作状态的相变材料制备了复合相变材料,使用FBG光纤光栅传感技术同时测量了添加相变材料的磷酸镁水泥水化阶段的温度和应变变化,研究其对水泥早期水化收缩性能的影响。导热增强能量桩传热和热力耦合模拟分析表明:能量桩的导热能力越强,换热管与桩身及桩周土中的热量交换越快,换热效率可以得到有效提升;对群桩中部分桩进行导热增强表明,对角桩、边桩增强导热的桩群换热能力优于对中心桩、边桩导热增强。导热能力增强,桩身温度快速升高导致桩体向上向下的位移量都增大,而且位移零点有微小的向上移动趋势;增强桩体的导热能力,会增大位移零点附近的应力,而对桩头和桩端的应力值影响较小,而桩体上下两部分的侧摩阻力都增大,而位移零点处的侧摩阻力几乎为零。综合两模型,导热增强对换热效率有积极意义,但是加重了热荷载对桩体的不利力学效应,在能量桩设计时要综合考虑传热和承载使发挥能量桩的最优作用。通过相变能量桩段模型传热模拟分析发现:在换热管吸放热时,相变材料的添加可使能量桩在相变温度区间内明显延缓升降温速度。研究相变材料的直接利用效果,将相变材料直接布置于换热管周边内,并用套管进行封装,可显著延缓桩身及桩周土的温度升高,降低能量桩的热影响半径。磷酸镁早期水化实验结果表明,相变材料的添加,可显著降低磷酸镁水泥水化温度,延缓水化反应速度,减小早期收缩微应变。