《Regional Studies in Marine Science》：Short-Term Thermal Performance of CFA and Steel Pipe Energy Piles under Continuous and Intermittent Operation in Tropical–Subtropical Conditions
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研究人员针对浅层地热能利用中的能源桩技术，在巴西圣保罗的热带–亚热带气候条件下开展实验研究。能源桩通过在建筑基础中集成地埋管换热器，实现与土壤的冷热交换，以降低空调能耗。然而，在制冷需求占主导的地区，长期连续排热会导致土壤温度逐步升高，降低地源热泵系统的换热效
研究人员针对浅层地热能利用中的能源桩技术，在巴西圣保罗的热带–亚热带气候条件下开展实验研究。能源桩通过在建筑基础中集成地埋管换热器，实现与土壤的冷热交换，以降低空调能耗。然而，在制冷需求占主导的地区，长期连续排热会导致土壤温度逐步升高，降低地源热泵系统的换热效率。本研究选取两种不同类型的能源桩——连续螺旋钻孔(Continuous Flight Auger, CFA)混凝土桩与充水钢管桩，在实际建筑地基的“生活实验室”中进行测试。研究人员分别在连续运行和不同停机时长的间歇运行模式下，将热量排入地下，并利用沿桩身布置的温度传感器监测土壤温度变化及运行模式的影响。结果表明，在短期测试中，间歇运行模式相比连续运行可显著提升两种桩型的热效率，这一提升归因于停机期间的土壤温度部分恢复。此外，在间歇运行中，不同加热周期之间的停机时长对单位桩长换热量未表现出明显影响，且在地下水流速较高的砂层段，停机期间的桩体温度衰减也不受停机时长显著影响。
本研究由Letícia Menezes Santos Sá与Cristina D.E. Hollanda Cavalcanti Tsuha合作完成，发表于《Regional Studies in Marine Science》。研究背景在于全球尤其是巴西的制冷需求快速增长，导致建筑空调能耗占比显著上升。地源热泵(Ground Source Heat Pump, GSHP)系统可利用浅层地热能，其中能源桩作为结合建筑基础的埋管换热器，可在减少开挖成本的同时发挥混凝土的高热容优势。然而，在热带–亚热带气候中，全年制冷负荷不平衡会造成持续向土壤排热，引起土壤温度累积升高，从而降低系统效率。目前关于高温饱和土层中能源桩间歇运行的现场数据不足，因此本研究旨在填补该空白，为制冷主导地区的能源桩运行策略提供依据。
研究人员采用现场热性能试验(Thermal Performance Tests, TPTs)模拟连续与间歇运行模式，对CFA桩与充水钢管桩进行测试。两种方法均使用恒温热源供水系统，通过流量计与温度传感器记录进出水温度与流量，计算单位桩长换热量(q)。实验中在桩身不同深度布置铂电阻温度传感器(Pt-100)，并结合当地水文地质条件，分析不同土层与地下水流动速度对热扩散的影响。
研究背景与问题：巴西地处热带–亚热带过渡区，夏季漫长且制冷需求占绝对主导，地源热泵若长期连续排热会造成土壤热失衡，但目前缺乏针对高温饱和土层的短期运行模式比较数据。
主要技术方法：研究人员在圣保罗大学可持续建筑创新中心(CICS)工地开展现场试验，选择CFA桩(直径700 mm，长15 m，三U型HDPE管)与充水钢管桩(外径244 mm，长20 m，单U型HDPE管)作为测试对象。采用恒温水槽加热循环流体，入口水温稳定在约35℃，通过流量计与多点温度传感器采集数据，并在连续运行(24 h加热)与间歇运行(8 h/16 h、12 h/12 h、16 h/8 h)模式下进行对比。地下水与土层分布数据来自标准贯入试验(SPT)与水文观测。
研究结果：
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桩体温度变化：连续运行导致桩体温度增幅显著高于间歇运行，且增幅随运行时间逐渐趋稳；间歇运行期间桩温在停机阶段部分恢复，但残余热量会逐周期累积。
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土层差异影响：高导热性饱和砂层散热快，温度增幅较小；低导热的黏土层蓄热明显，温度增幅较大，且在浅部受环境温度波动影响较小。
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恢复阶段：连续运行后恢复时间较长，间歇运行后恢复较快，且恢复速率在不同土层间差异不大。
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停机期间降温：CFA桩在较长停机时段(16 h)比短时段(8 h)降温更多，但在地下水速较高的砂层，停机时长对降温幅度影响有限；钢管桩在不同停机时长下降温幅度相近。
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换热量(q)变化：初期连续与间歇模式换热量相近，随时间推移间歇模式维持更高值；在第五天，CFA桩间歇模式换热量较连续模式提高25%–34%；钢管桩间歇模式换热量较连续模式提高10%–15%。
讨论与结论：研究表明，间歇运行可有效减缓土壤热积累，提升短期换热效率，尤其在制冷主导地区具有应用潜力。土层导热率与地下水流动速度是影响热扩散的关键因素，高导热砂层配合较高地下水流速可加速散热。然而，在短期试验中，间歇运行的停机时长对单位桩长换热量无显著影响，长期效果仍需进一步研究。研究为热带–亚热带地区能源桩设计提供了实验依据，并为后续数值模型校准与长期性能预测奠定了基础。
