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地源热泵系统中能量板长期运行下的热应力演化规律及其结构响应研究。采用热-水-力耦合数值模型分析能量板在GSHP操作中的应力发展，通过现场测试数据验证模型有效性，发现持续加热工况下最大应变衍生弹性应力达23820 kPa，超常规水泥砂浆抗拉强度，需制定间歇运行策略以控制应力累积。
李硕宰|金亨柱|安娜斯·菲亚兹·阿巴西|希兹布·乌拉|朴尚宇
韩国群山国立大学土木工程系，群山市54150
摘要
能量板通过在建筑物的混凝土板中嵌入热交换管道来利用地热能。这种创新设计通过将地热交换器（GHEs）直接嵌入结构元素中，实现了经济性和空间效率的双重提升。然而，由于地源热泵系统的运行，GHEs的周期性温度变化会导致混凝土板的热膨胀或收缩，从而产生热应力，可能影响建筑物的结构响应。为了解决这个问题，本研究对能量板在GSHP运行过程中的热应力发展进行了数值分析。应用了一个热-水-力学（THM）数值模型，并使用现有的现场热性能测试（TPT）数据进行了校准。然后，进行了短期和理想化的长期模拟，以评估热应力的演变。结果表明，在持续运行下，热应力会逐渐增加，在长时间加热条件下预测的最大应变产生的弹性应力约为23,820 kPa。这一应力水平表明，从结构响应的角度来看，可能需要考虑应力累积问题，这突显了在能量板长期运行期间采取适当运行策略的必要性，例如设置停用期。
引言
地热交换器（GHEs）是地源热泵（GSHP）系统的关键组成部分。它们的主要功能是在地面和系统之间促进热传递，利用相对稳定的地下温度在冬季提供供暖，在夏季提供制冷。在大多数情况下，GHEs通过垂直封闭回路管道循环工作流体作为热传递介质来运行，通常称为垂直钻孔GHEs（VBGHEs）。VBGHEs通常安装在深度为100至200米的钻孔中，与其他类型的GHEs相比，具有更好的热性能和更广泛的应用性。因此，许多研究都集中在VBGHEs的建模、仿真和设计上[1]。
然而，GSHP系统的广泛应用受到高初始投资成本、基础设施限制和复杂系统设计的阻碍。特别是，与VBGHEs相关的额外建筑场地和钻孔钻探的巨大成本，给快速回收初始投资带来了挑战[2]、[3]。为了解决这些经济挑战，引入了替代的地热基础设施，如能量桩、能量隧道、能量隔墙和能量板[4]、[5]、[6]、[7]。这些结构不仅承担了传统的基础设施功能，还通过嵌入热交换管道促进了与地面的热交换。这种双重功能使它们能够为主建筑中的热泵提供地热能，大大减少了与额外建筑场地和钻孔钻探相关的成本。因此，多项研究调查了这些结构的热行为，并开发了优化其性能的设计方法[8]、[9]、[10]。
能量板在建筑板中水平嵌入热交换管道以利用地热能。由于它们通常安装在浅层地层中，其热性能常常受到这种地层低热导率的限制。此外，由于环境空气温度波动引起的浅层地层中的瞬态温度条件，会对能量板的热交换效率产生不利影响[11]、[12]。因此，能量板通常被认为不具备有效集成到GSHP系统中的足够热性能。为了克服这些限制，李等人[13]引入了一种新型能量板设计，其中包含了一个隔热层。他们通过一系列热性能测试（TPTs）建造并测试了两种类型的能量板（即一种带有隔热层，一种没有隔热层）。结果表明，隔热层通过减轻外部温度影响有效地保持了能量板的热性能[13]。此外，李等人[14]确定酚醛泡沫（PF）板是最优的隔热材料，它在热性能和成本效益之间取得了平衡[14]。最近，李等人[15]在住宅建筑的地下停车场安装了地板型和墙体型能量板，以评估其实际应用性。他们的发现证实，隔热层有效减少了环境空气温度的影响，确保了地板型和墙体型能量板在测试过程中的稳定热性能。由于这些努力，能量板的热性能相比初期开发阶段有了显著提升。考虑到对大型地下建筑日益增长的兴趣[16]、[17]，应用于地下空间的能量板有可能成为地下建筑中GSHP系统可持续运行的关键技术。
然而，地热基础设施中的热应力可能会影响其结构完整性，从而可能损害其支撑建筑物或地层的主要功能。因此，在实际应用之前，彻底检查这些系统的热-水-力学（TM）行为至关重要。一些研究已经调查了各种地热基础设施的TM行为。例如，Sung等人[18]通过使用现场测试结果校准，开发了一个用于大直径现浇能量桩的2-D TM模型[18]。同样，Yang等人[19]进行了实验室测试，并随后开发了一个热-水-力学（THM）耦合数值模型，对能量桩的TM行为进行了参数研究。此外，还使用THM模型研究了能量隧道的基本TM行为[20]。这些研究强调了经过验证的TM耦合数值模型对于准确分析地热系统复杂的多物理行为的重要性。
同时，李等人[15]报告称，在现场测试过程中，由于循环流体与周围介质之间的持续热交换，在能量板中产生了热应力。特别是，这种应力在整个运行期间累积，在测试结束时达到了2350 kPa，超过了传统水泥砂浆的典型抗拉强度（即2 MPa）。这一发现表明，在能量板的长期运行过程中，热应力可能会进一步增加，当与地下结构的服务负荷结合时，可能会引入需要在结构响应分析中考虑的额外机械效应。与其他地热基础设施类似，开发TM耦合数值模型对于正确评估和理解由于能量板长期运行而产生的热应力至关重要。特别是，THM耦合模型的开发使得能够系统地分析热应力的时间依赖行为，为评估能量板的长期性能提供了定量框架。然而，据我们所知，尚未有针对能量板的研究报道，缺乏TH耦合数值模型是确保其实际应用性和结构稳定性的一个关键研究空白。
因此，本研究应用了一个THM耦合数值模型来研究GSHP运行过程中能量板的热-水-力学行为。该模型能够对耦合的热和机械响应进行时间依赖分析，并连续估计热应力。这里，液压组件仅指用于热传递的嵌入热交换管道内的单相流动，而没有考虑地下水流动和周围地层的孔隙压力效应。为了评估数值模型的适用性，使用了之前研究[15]的TPT结果。将能量板内的热应力大小和位置与现有实验数据进行比较，以检查模型响应的一致性。最后，应用数值模型来检查能量板的长期热-水-力学响应，为延长运行条件下的潜在应力发展提供了初步见解。
部分摘录
构建的能量板概述
能量板建造在一栋住宅建筑的地下停车场，该建筑包括两层地上建筑和一层地下室[15]。在地下室，能量板安装在地板板和墙板上（即地板型和墙体型能量板），GSHP系统安装在机器室内，如图1所示。
在这两种类型的能量板中，本研究重点关注墙体型能量板（见图2、图3），因为它包含了T型热电偶
控制方程
为了准确模拟能量板在热泵运行下的行为，同时考虑其热、水力和力学行为至关重要。因此，使用基于有限元分析（FEA）的商业软件COMSOL Multiphysics开发了一个能量板的THM数值分析模型。该平台能够在统一平台上模拟各种物理现象及其相互作用。之前的研究已经广泛使用了这一平台
能量板中热应力发展的研究
在现场测试中，墙体型能量板在TPT过程中的最大热应力约为2350 kPa，该应力在能量板中心的A点测量得到。一般来说，随着热交换管道与周围介质之间的温差增大，能量板中的热应力也会增加。因此，比A点更靠近热交换管道的区域可能会经历相对较高的热应力
讨论
本研究的结果应根据采用的THM数值框架的假设和范围来解释。在当前模型中，液压组件仅限于热交换管道内的单相流体流动，这与周围板和地面的热传递相耦合。没有考虑地下水流动、孔隙压力变化、饱和效应以及土壤或混凝土中的水力-机械耦合。
结论
本研究从结构响应的角度调查了GSHP运行过程中能量板中热应力的发展。首先，应用了一个THM数值模型来评估基于可用现场测试结果校准的时间依赖性热应力。随后，通过分析和温度及应变等值线，检查了能量板在运行过程中应力相对较高的区域。
CRediT作者贡献声明
李硕宰：撰写——原始草稿、软件、方法论、资金获取、概念化。金亨柱：验证、资金获取。安娜斯·菲亚兹·阿巴西：可视化、验证。希兹布·乌拉：可视化、数据管理。朴尚宇：撰写——审阅与编辑、监督、概念化。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的竞争性财务利益或个人关系。
致谢
本工作得到了韩国政府资助的国家研究基金会（NRF）的资助（RS-2022- NR072224和RS-2021-NR060134）。
