可再生能源对社会的可持续发展至关重要。近年来，将地源热泵（Ground Source Heat Pump, GSHP）技术与传统桩基相结合，可以实现承重和浅层地热能提取，由此诞生能源桩的概念。在预应力高强度混凝土（Pre-stressed high-strength concrete, PHC）能源桩的桩芯空间中回填新型相变复合材料可以有效提高其热性能。
课题组研发了新型石蜡/石墨相变回填材料（Paraffin/graphite phase change material, P/G-PCM），并在模型试验的基础上开展了有限元法数值模拟研究，如图1，2所示。为计算石蜡/石墨相变材料的热物理参数，提出了多相-有效介质理论（Multiphase-Effective Medium Theory）和平行Maxwell-Eucken理论（Maxwell-Eucken with Parallel Theory）。分析传热过程中石墨与石蜡之间存在动态竞争关系，可以通过合理控制石墨和石蜡的含量以提高PHC能源桩的热性能。
图1 新型石蜡/石墨相变回填材料（paraffin/graphite phase change material, P/G-PCM）
图2 试验装置及数值模拟示意图
采用多孔介质理论模型可以预测P/G-PCM的导热系数，如Series, Parallel, Maxwell-Eucken 和 Effective Medium 理论等。本研究在现有理论的基础上优化改进，提出了两种热物理参数计算理论模型，即Multiphase-Effective Medium Theory (MEMT) 和Maxwell-Eucken with Parallel Theory，其原理示意图如图3所示。将两种计算理论模型代入数值模拟后开展计算，所得到的数据与试验结果对比，结果表明MEMT预测P/G-PCM导热系数的准确性和可靠性更强，如图4所示。
图3 热物理参数计算理论模型原理示意图 (a)MEMT (b)MEP
图4 由MEP和MEMT计算得出的P/G-PCM导热系数比较
数值模拟入口温度设定为40°C，流速设定为0.25 m3/h，共设置了20种不同石蜡/石墨含量回填工况。图5表示了不同石蜡/石墨含量回填的能源桩进出口温差随时间变化曲线。当石墨含量不变时，代表四种不同石蜡含量的温差曲线上存在一个“转换点”。在这个特殊的转换点前后，温差与石蜡含量的关系正好相反。考虑到相变材料的固液转换需要一定的恢复时间，将相变材料用作PHC能源桩的回填材料需要合理的运行模式，本文发现的“转换点”可作为确定这种运行模式的依据。
图5 不同回填条件下能源桩的进出口温差随时间变化曲线
研究还讨论了回填材料中石墨含量对桩外壁温度的影响。图6中方差代表不同石蜡含量的时间曲线之间的分散程度。随着石墨含量的增加，方差在较早阶段达到5 %，这意味着达到相同桩外壁温度所需的时间更短。石蜡可以有效地调节桩外壁温度，尽管石墨含量的增加会削弱这种调节作用。
图6 回填材料中石墨含量对桩外壁温度的影响
相关研究成果以“A Novel Paraffin/graphite PCM Backfill for PHC Energy Pile: Numerical and Experimental Analysis on Thermal Performance”为题，发表在SCI期刊Applied Thermal Engineering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。