随着全球化不断发展，加快开发清洁、高效的可再生能源逐渐成为国际共识，浅层地温能作为可再生清洁能源已得到广泛应用。能源桩作为一种提取浅层地温能的常用技术，将传统地源热泵的循环回路嵌入桩基中，可以实现承担上部建筑物的荷载和传递热量的双重目的。
利用预应力高强度混凝土（pre-stressed high-strength concrete, PHC）桩的桩芯空间，布置安装热交换管并回填换热材料，可以形成PHC能源桩。通过改善回填材料的热物理性能可以提高PHC能源桩的传热效率。相变材料（phase change material, PCM）在相变过程中具备较强的蓄热储热能力，具有储能密度大、体积膨胀率小等优点。而相比传统回填材料，PCM的导热系数较低，可能会导致能量积累，严重影响能源桩的换热效率。通过添加碳基材料如石墨、碳纤维和石墨烯等可以提高回填PCM的导热系数，保证能源桩系统更加高效、稳定地运行。
课题组基于相变材料、石墨和标准砂的增强型回填相变材料，研发PHC能源桩模型装置开展了典型参数试验，如图1所示。建立基于试验验证的数值传热模型，如图3所示。分析了相变回填材料中石墨体积分数对PHC能源桩的进出口温差、桩身温度和回填材料相变状态的影响，为PHC能源桩的设计改善和性能优化提供了建议与指导。
图1 增强型相变材料及试验装置示意图
图2 数值模拟示意图
如图2所示，换热管的进出口温差随PHC桩回填材料中石墨体积分数的增加而增大。提高石墨掺量可以加快换热液与PHC桩之间的热交换过程。进出口平均温差与石墨体积分数具有较好的线性关系。随着石墨体积分数的增加，回填材料的导热系数和进出口的平均温差增大。增加PHC能源桩中相变回填材料的石墨体积分数可以提高其导热系数，进而提高能源桩在换热过程中的热量传递效率，以增强能源桩的换热性能。
图3 石墨体积分数对PHC桩换热性能的影响
如图4所示，温度随着测点距桩轴线径向距离的减小呈上升趋势，而升温速率逐渐减小。升温速率随石墨体积分数的增加而增大。如图5所示，石墨体积分数对桩体沿轴向的温度增量的影响均不显著。桩体沿轴向的温度增量分布较为均匀，有利于能源桩的稳定运行。
图4 石墨体积分数对PHC桩0.3m深度处温度的影响
图5 不同石墨体积分数条件下PHC桩温度增量沿深度的分布曲线
利用COMSOL中的相指示器可以呈现PHC桩换热期间回填材料的相态，其中“1”表示回填材料中固相的质量分数为100 %，红色代表固相，蓝色代表液相。图6为PHC桩换热0、0.1、1、2和5 h时，不同石墨体积分数的桩内回填材料的相态。分析可得相变回填材料的相变速度随石墨体积分数的增加而加快。采用高石墨掺量回填材料可以作为满足建筑物的高持久性供能需求的解决方案。
图6 不同石墨体积分数PHC桩运行期间的PCM相态
相关研究成果以“相变回填材料中石墨体积分数对PHC能源桩换热性能的影响”为题，发表在期刊清华大学学报上。论文第一作者为课题组博士研究生王皓宇，张丹教授为通讯作者。论文研究工作得到了国家自然科学基金、江苏省自然科学基金和江苏省六大人才高峰人才项目的资助。