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2025 , Vol. 13 >Issue 3: 324 - 336

DOI: https://doi.org/10.3969/j.issn.2095-560X.2025.03.011

Research Progress of Energy Pile Technology and Its Application Status and Prospect

  • Hao FANG 1 ,
  • Ning ZHANG 1, 2 ,
  • Guojun CAI , 1, 3, 4, 5, † ,
  • Deyi WU 1 ,
  • Jinwei MA 1
Expand
  • 1 College of Civil Engineering, Anhui Jianzhu University, Hefei 230601, China
  • 2 Key Laboratory of Ministry of Education for Geomechanics and Embankment Engineering, Hohai University, Nanjing 210098, China
  • 3 Anhui Provincial Key Laboratory of Intelligent Underground Detection, Hefei 230601, China
  • 4 Anhui Provincial Intelligent Underground Detection and Geoenvironmental Engineering Research Center, Hefei 230601, China
  • 5 Institute of Geotechnical Engineering, Southeast University, Nanjing 211189, China

Received date: 2025-02-18

  Revised date: 2025-03-14

  Online published: 2025-06-30

Fold

Abstract

Energy piles enable the access and usage of shallow geothermal energy and have the advantages of high heat exchange efficiency, reduced space occupation, and a lower investment cost when compared to the standard horizontal/ borehole buried pipe system. This study discusses the origins of energy pile technology, contemporary research development, and application status at home and abroad based on the kind of pile carrier, heat exchanger buried pipe classification, and soil foundation environment differences. The thermal utilization method of the solar photovoltaic module based on energy pile technology is proposed. The working principle of the new system is briefly introduced, demonstrating the advantages of the joint operation of energy piles and photovoltaic module. This provides references and ideas for the complementary advantages and coupling utilization of two clean energy sources of solar energy and geothermal energy.

Key words： energy pile; thermal utilization; solar energy; geothermal energy; multi-energy complementary

Cite this article

Hao FANG , Ning ZHANG , Guojun CAI , Deyi WU , Jinwei MA . Research Progress of Energy Pile Technology and Its Application Status and Prospect[J]. Advances in New and Renewable Energy, 2025 , 13(3) : 324 -336 . DOI: 10.3969/j.issn.2095-560X.2025.03.011

0 引言

“双碳”目标的提出使得可再生能源的发展迎来极佳的时期，地热能与太阳能作为储量丰富、分布广泛的两种清洁能源近年来逐渐成为能源领域关注的焦点[1-2]。考虑到煤炭、石油、天然气等化石能源的持续消耗将产生大量的二氧化碳，从而加剧全球温室效应，因此减少化石燃料的开采，加大可替代能源的研究力度，充分开发利用地热能和太阳能资源对我国节能减排目标的实现具有重要的现实意义[3]。
地热能与太阳能具有不同的利用方式与特点。在地热能利用领域中，能源桩是近年来新发展的一项工程技术，其凭借桩基处于一定深度而常年恒温的地层中，以浅层地热作为热源，将不同结构的换热管道固定在桩基内部构成地下换热器，实现外界与地源侧的冷热交换，该技术相比于传统的地源热泵系统具有经济、高效、节能等优势。但能源桩在常年累月的取热用热过程中，能量负荷需求的差异将导致土壤侧温度失衡从而影响桩体的换热性能，因此，系统的长期利用问题亟待解决。在太阳能利用领域中，光电、光热与光电/光热综合利用是目前针对太阳能利用的几种主要方式。然而，太阳能资源虽总量大且具有普遍性，但其能量密度低以及受到环境、温度、气候等因素的影响，太阳能的热供给与热负荷之间存在着不稳定、不平衡的矛盾，其运行策略需得到进一步的调整与优化。
基于上述分析，如何更加充分高效地利用可再生能源以及解决能源转换与应用过程中存在的问题是当前学者们研究的聚焦点；另一方面，多能互补发展趋势下根据不同能源所具备的利用特点，充分发挥各自优势，改善单一能源利用过程中存在的不足，提高能源的综合利用效率，是清洁能源可持续发展中值得研究的课题。
本文首先基于地源热泵系统引出能源桩技术，随后从桩基载体类型、换热埋管分类、土基环境差异等方面先后阐述能源桩技术的近期研究进展及其应用领域拓宽发展的部分工程案例，提出基于能源桩技术的太阳能光伏组件热量利用方法，该方法借助能源桩内部的工质循环转移光伏组件余热，在维持组件光电效率的同时对土壤侧进行热补偿，改善能源桩单一模块在冷热交换过程中由负荷差异所引起的土壤温度不平衡问题，最后简要介绍能源桩−光伏组件联合运行的工作原理，为太阳能与地热能两种清洁能源多能互补利用提供参考与思路。

1 地源热泵系统与能源桩技术

1.1 地源热泵系统

1857年，Peter Ritter Von Rittinger设计了世界第一台热泵[4]，在奥地利Ebensee盐厂完成热泵热循环的首次实际应用。该项技术在当时为奥地利盐厂每年节省29.17万立方米的木材，自此，有关热泵技术的研究工作逐渐兴起。1912年，地源热泵的概念由Heinrich Zoelly在瑞士一项专利中首次公开；1946年，首个地源热泵系统在美国俄勒冈州波特兰市诞生并投入使用[5]。
地源热泵系统（ground source heat pump system, GSHPs）是利用浅层地温能（地下0 ~ 200 m，温度低于25 ℃）作为热源[6]，以地源（水体或土壤）为本体从（或向）建筑物内部转移（或提供）热量，从而实现制冷与供热的双效功能，图1对比展示了GSHPs在不同季节工况下对应的工作原理与运行模式。目前，GSHPs技术已经发展较为成熟，根据埋管布置方式的不同可分为垂直与水平埋管换热，而根据换热媒介的不同可分为水源与土壤源热泵，使用GSHPs比传统的制冷/供热系统能够减少近66%的温室气体排放，并且相对节约能源的比率达50%以上[7]。然而，GSHPs在几十年的发展与应用过程中，因占地面积大、额外开挖需求高及钻孔费用高昂，阻碍了其在实际工程中的进一步推广。
图1 GSHPs工作模式[8]：（a）夏季制冷；（b）冬季供热

Fig. 1 Operation principle and mode of the GSHPs[8]: (a) summer cooling; (b) winter heating

1.2 能源桩技术

1.2.1 能源桩技术起源与发展

针对GSHPs存在的投资成本高、占地面积大、安装工期长等不足，1980年初，能源桩（energy pile）技术的雏形从奥地利起源发展，继而逐渐推向德国、日本和瑞士等国并在建筑节能领域得到广泛应用[9]。能源桩是将垂直埋管换热器与桩基础相结合构成桩基−埋管一体化换热，故能源桩也称作桩基埋管或热交换桩。相比于传统的GSHPs，能源桩热泵系统将换热管道布置在桩基内部，实现与建筑桩基的同步施工，不仅能够大幅减少开挖空间，还将节省钻孔与回填费用。考虑到土壤温度在垂直方向呈梯度式增长，能源桩技术在降低经济成本的前提下具有更高的换热效率以及更佳的系统稳定性与耐久性，在工程领域更受青睐。表1从多角度对比展示了传统GSHPs与能源桩热泵系统的性能表现。
表1 传统GSHPs与能源桩热泵系统多角度对比[10]

Table 1 Multi-angle comparison of traditional GSHPs and energy pile heat pump system[10]

系统分类 换热模式 结构示意 热交换强度 热源稳定性 占地面积 初期投资 运行维护费用 运行稳定性 适用性
水源热泵
系统[11]		 地下水源 强 出水量小 较少 高 高 差 受水文地质条件限制
地表水源 强 随季节波动 较少 最低 最高 最差
土壤源热泵系统[12] 水平埋管 弱 随季节波动 多 较高 低 较差 受场地限制
垂直埋管 较弱 稳定 少 最高 低 较好
能源桩热泵系统[13] 桩基−埋管 较弱 稳定 极少 较低 低 好 不受限制
在能源桩技术发展的初期阶段，国内外学者做了大量的开创性工作。1994年，MORINO等[14]首次定义桩基埋管换热器的概念并将换热器安装在钢管桩中开展相关的数值与实验研究。1999年，PAHUD等[15]提出在混凝土桩中铺设U形管换热器，将315根带有换热器的混凝土桩应用在瑞士Zürich机场航站楼的建设中。1999年，朱照华等[16]对桩埋管系统进行介绍，并阐明桩埋管系统在设计和施工过程中的注意事项，这是国内有关能源桩技术应用的早期报道。2003年，MORENI等[17]正式提出能源桩的概念并进行了相关的原位测试，通过试验指出桩身温度的变化将对桩体应力产生影响，在工程应用中需加以考虑。自此能源桩技术在世界范围内逐渐传播，英国伦敦One New Change大厦、韩国首尔Gaehwa地铁站、我国上海世博轴等项目均使用了该项技术。

1.2.2 能源桩热传递机制与热−水−力耦合机理

能源桩的传热过程主要由以下五个部分组成：①换热器中流体的对流换热；②流体与管壁之间的对流换热以及管内壁与外壁的热传导；③外管壁与混凝土的热传导；④混凝土中的热传导；⑤混凝土与土壤间以及土壤中的热传导。由于流体与土壤间的温差以及材料的热特性差异导致热阻的存在，管道−混凝土、混凝土−土壤界面处的热传递温度逐渐降低从而产生热梯度[18]，其变化趋势如图2所示[19]。
图2 能源桩温度梯度变化[19]

Fig. 2 Energy pile temperature gradient variation[19]

由图分析可知，流体与土壤间的换热量为：
Q = T 1 − T 5 R t o t a l
式中：T1、T5分别为流体、土壤温度；Rtotal为总热阻，其表达式为：
R t o t a l = R f l u i d + R p i p e + R c o n c r e t e + R s o i l
流体的流动热阻为：
R f l u i d = 1 2 n π r i h
式中：ri为管道内径；n为热交换管数量；h为对流换热系数。
管道热阻为：
R p i p e = l n r o /r i 2 n π κ p
式中：ro为管道外径；κp为管道的导热系数。
混凝土热阻为：
R c o n c r e t e = l n r b /r e f f 2 π κ c
式中：rb为桩半径；κc为混凝土导热系数；reff为有效半径。
温度变化导致桩体出现不同程度的膨胀与收缩，加上桩顶载荷以及桩周土体的约束，将产生不同程度的附加应力与热应变，桩−土的力学特性也随之改变。因此，能源桩热−水−力（thermo-hydro-mechanical, THM）场域变化直接影响桩体长期运行的稳定性，在实际工程中应予以考虑。图3反映了能源桩THM耦合作用机理。
图3 能源桩THM耦合作用机理

Fig. 3 THM coupling mechanism of energy pile

能源桩的传热理论分析方面，国内外学者借鉴垂直地埋管换热器的热传导理论建立了能源桩的热源模型并求解相应的解析解。根据换热源在桩体内分布形式的不同，能源桩的热源模型从经典的开尔文线热源理论模型[20]逐渐完善并丰富至现有的环圈、柱面、螺旋等热源模型以及部分改进后的新型传热模型，表2、图4分别展示了几种能源桩解析解方程及其热源模型。
表2 能源桩传热模型与解析解方程[21-23]

Table 2 Heat transfer model and analytical solution equation of energy pile[21-23]

热源模型分类 解析解方程
无限线热源模型 θ 1 , l r , τ = q l 4 π λ ∫ r 2 4 ατ ∞ e − u u d u= q l 4 π λ E i r 2 4 ατ
有限线热源模型 θ 2 ,l r , z , τ = q l 4 π λ ∫ 0 h e r f c r 2 + z − z' 2 / 2 ατ r 2 + z − z' 2 − e r f c r 2 + z + z' 2 / 2 ατ r 2 + z + z' 2 d z'
空心圆柱热源模型 θ c r , τ = q l π 2 λr 0 ∫ 0 + ∞ e − αu 2 τ − 1 J 0 ur Y 1 ur 0 − Y 0 ur J 1 ur 0 u 2 J 1 2 ur 0 + Y 1 2 ur 0 d u
实心圆柱热源模型 θ 2 ,n r , z , τ = q l 8 π λ ∫ 0 τ 1 τ − τ' ⋅ I 0 rr 0 2 α τ − τ' ⋅ e x p − r 2 + r 0 2 4 α τ − τ' ⋅ e r f h − z 2 α τ − τ' + 2 e r f z 2 τ − τ' − e r f h+z 2 α τ − τ' d τ'
复合介质圆柱热源模型 θ 3 r , τ = q l 2 π 2 r 2 ∫ 0 ∞ 1 − e − κτ J 0 κ/α 1 r 1 κ κ A κ 2 + B κ 2 ⋅ J 0 κ/α 2 r B κ − Y 0 κ/α 2 r A κ d κ
多层线热源模型 θ 1 -j = q 4 π λ j ∫ x j x j+ 1 e r f c ξ − h A 2 + r A 2 / 2 α j τ ξ − h 2 + r 2 − e r f c ξ+h 2 +r 2 / 2 α j τ ξ+h 2 + r 2 d ξ θ 1 -j = q 4 π λ j ∫ x j x j+ 1 e r f c ξ − h A 2 + r A 2 / 2 α j τ ξ − h 2 + r 2 − e r f c ξ+h 2 +r 2 / 2 α j τ ξ+h 2 + r 2 d ξ
多层环形热源模型 θ k r,z,τ = q l ∑ m = 1 ∞ ∑ n = 1 ∞ J 0 β m r b J 0 β m r 2 π N r , m 1 − e x p − γ mn 2 τ γ mn 2 Z kmm η kmn , z N z , mn Y mn ' H b

注：θ为温度或过余温度；h为对应点深度；Hb为长度；I0为零阶变形贝塞尔函数；Nr,m、Nz,mn为特征函数的相关量；ql为单位长度热通量；r为径向坐标；r0为半径；rb为钻孔半径；u为积分常数；z为竖向坐标；Z为特征函数；λ为导热系数；κ为积分变量；γmn为时域参数；τ为时间；α为热扩散率；β为径向特征值；η为轴向特征值；ξ为热源点深度；ρ、ρ' 分别为实际点、假想点热源与选取点之间的距离；∞为无限符号；exp为自然指数函数；erfc为互补误差函数；erf为误差函数；Ei为指数积分函数；J0、J1为零阶、一阶第一类贝塞尔函数；Y0、Y1为零阶、一阶第二类贝塞尔函数；A(κ)、B(κ)为贝塞尔函数混合运算表达式，详见文献[22]。

图4 能源桩热源模型示意[24]

Fig. 4 Schematic of energy pile heat source model[24]

1.2.3 能源桩性能测试技术

能源桩性能测试技术主要分为热响应测试（thermal response test, TRT，也称恒定热流法）和热性能测试（thermal performance test, TPT，也称恒定进口温度法）两种。恒定热流法可以追溯到1983年在瑞典斯德哥尔摩举行的国际能源机构国际会议上由MOGENSEN[25]提出，该方法为热响应测试设备的研发提供了重要的理论基础。恒定进口温度法是在北欧发起，近年来在我国逐渐得到开发与应用。表3对比阐述了两种测试技术的原理与方法[26]。
表3 能源桩性能测试技术分类

Table 3 Classification of energy pile thermal performance testing technology

技术名称 测试原理 区别与联系
热响应测试 通过电加热器提供稳定的加热功率，记录能源桩进、出口温度随时间的变化，随着管内循环工质进出口温度逐渐升高，最终达到传热平衡 TRT侧重于测试岩土热物性参数，TPT侧重于直接测试换热性能；单一方法应用在测试中往往不够全面，可根据实际需求将两者结合
热性能测试 通过调节温度控制器，保持能源桩进口水温恒定，记录进、出水温度和循环水流量，计算钻孔的单位深度换热量

2 能源桩技术研究进展

2.1 桩基载体类型

能源桩的基础桩型一般分为以下几种：钻孔灌注桩、钢桩、水泥粉煤灰碎石桩（cement fly-ash gravel, CFG）、预应力高强度混凝土桩（prestressed high-intensity concrete, PHC）、现浇混凝土大直径管桩（large diameter pipe pile by cast-in-place concrete, PCC）、静钻根植工法桩。其中，与其余类型的桩基相比，以灌注桩为基础的能源桩是最早也是最为常见的桩基载体。
LALOUI等[27]对附有换热器的钻孔灌注桩进行原位测试，实验结果被用于对比分析热−水−力耦合有限元模型的模拟以及评价土壤的热力性质；孔纲强等[28]在灌注桩内埋设传热管道后展开桩体的热响应测试，监测能源桩的进出口水温、桩身温度、桩体热应力等参数的变化规律。
JALALUDDIN等[29]对换热器安装在钢桩基础上的能源桩开展变流量实验研究，结果发现相比于对照组，双管换热结构的钢桩换热效率更高；REN等[30]在5种温度条件下对微钢能源桩间歇式运行的传热系数、性能系数（coefficient of performance, COP）以及换热效率等性能参数进行现场测试，发现随着循环次数的增加，微钢桩的换热效率和COP逐渐降低，同时夏季换热效率要相对高于冬季。
YOU等[31]通过CFG的地基极限承载力试验检测了冷热交换过程对CFG能源桩承载力的影响，并采用TRT、TPT两种测试方法分别对CFG在复合地基中的换热性能开展原位测试，以此为CFG能源桩的设计与应用提供理论依据；党政等[32]针对CFG能源桩用于混凝土路面除冰降温的可行性展开研究，分别在夏季与冬季工况测试了该桩的各项性能，旨在寻找一种节能环保且经济高效的能够应对雨雪天气并保证路面安全的新技术。
GO等[33]借助PHC能源桩的TRT测试评价其性能，通过数值分析对桩体进行参数化研究，建立了有效钻孔热阻的多元回归方程，并结合实验数据验证了回归方程的正确性；郭易木等[34]对位于分层土地基中PHC能源桩的热学响应以及力学特性进行试验研究，结合桩周土的孔压静力触探试验（piezocone penetration test, CPTU）与钻孔取样试验分析系统的热−力学响应特征，随后依据试验结果总结桩−土相对位移与桩身应力的分布规律。
刘汉龙等[35]基于传统能源桩做出改进，提出一种新型PCC能源桩技术及其施工工艺，新工艺具有施工便捷、经济性高、缩短工期等优势；黄旭等[36]针对PCC能源桩在循环温度场作用下的热力学特性展开试验测试，研究表明冷热循环将改变桩顶的位移值，并且桩体在往复循环下产生的塑性变形不能完全恢复，其累积变形可能增加所承载上部结构的不安全性。
静钻根植工法能源桩是一种由PHC桩和桩周水泥土共同抵抗荷载的新型复合桩，其原理是将换热埋管置于水泥土中，目前有关该项技术应用于能源桩的研究还处于初期探索阶段。鉴于水泥的导热性能高于桩周土层，因此植桩过程中在保护管路的同时还可以有效增强能源桩的传热过程[37]，图5从主侧视图展现了静钻根植工法能源桩的工艺原理与设计结构。王忠瑾等[38]基于静钻根植能源桩的室内试验建立了温度荷载下静钻根植桩受力分布的有限元模型，分析了温度荷载对桩基承载特性的影响；李富远等[39]研究了热−力耦合作用下静钻根植能源桩在黏砂土双层地基中的承载特性，结果表明新工法桩的承载特性与温度变化、桩顶荷载大小、桩端约束等条件有关，在实际工程中需综合考虑上述因素以保证能源桩的安全运行。
图5 静钻根植工法能源桩结构示意[37-38]

Fig. 5 Schematic diagram of static drill rooted energy pile[37-38]

2.2 换热埋管分类

能源桩的核心部件是安装在桩体内部的换热埋管，也称换热器，是热量传递的载体。换热管道的材质通常包括高密度聚乙烯（high density polyethylene, HDPE）、聚丙烯、聚氯乙烯、聚丁烯等材料[40-43]，其中HDPE管在能源桩换热器中应用的最为普遍。换热器的常见类型有单U型、多U型、W型、螺旋型以及间/直接双管型等管型结构，图6对比展示了多种能源桩换热器的管型结构。单U型是最常用的热交换器，这是由于单U型结构相比于其他管型具有设计简单、运输方便、易于安装等不可替代的优势。
图6 能源桩不同换热器结构

Fig. 6 Different heat exchanger structures of energy pile

刘汉龙等[44]、王成龙等[45]对U型、W型、螺旋型三种能源桩换热器展开对比实验，通过整理桩体与桩周土体温度、桩顶位移以及桩体应变随时间的变化规律发现，保持输入功率恒定的前提下，W型埋管形式的桩体温度、应力变化、桩顶位移参数较另外两种类型换热器的热力响应更加明显。但ZHANG等[46]则指出W型换热结构存在顶部空气积聚的危害以及与U型管相比面临更复杂的生产与安装过程。
YOON等[47]对W型、U型、螺旋型能源桩进行试验测试与数值模拟研究，结果显示，相比于W型热交换器，螺旋型的传热效率能够提高10% ~ 15%，虽然螺旋型换热结构的安装成本较W型和U型高出200% ~ 250%，但在同等条件下螺旋型能源桩对桩体数量的需求将更少，并且在小规模建筑群中具有更高的匹配性与适用性；ZARRELLA等[48]的研究则发现螺旋型能源桩的换热性能比3U型在正常荷载下提高9%，而在极限荷载下可提高23%；部分学者对采用3U型[49]、5U型[50]换热结构的能源桩展开研究。
LEE等[51]通过求解多U型管能源桩的三维有限差分模型的解析解发现，增加换热器的管间距能够改善桩身的传热性能；CAULK等[52]对折叠U型管能源桩的模型分析表明，管间距达到一定的阈值后，桩体单位长度的换热率逐渐降低，并且越靠近桩中心的管道其对应的换热性能越低，与不均匀布局相比，换热埋管的均匀分布将增加8%的换热量；ZHAO等[53]研究了螺旋节距对螺旋型能源桩瞬态热特性的影响，通过建立瞬态三维数值模型并采用有限元法进行了求解，发现减小螺距可以增强换热能力，提高系统的节能收益。

2.3 土基环境差异

能源桩的传热性能与土壤类别、性质、温度、含水量等因素紧密相关，并且土壤中的传热机理也较为复杂，因此不少学者针对不同土壤地基环境中的能源桩开展研究与测试工作。
LORIA等[54]在饱和砂土中测试了能源桩的热−水−力性质的耦合响应，指出热负荷的增加会引起能源桩较大的应力与位移变化，对桩顶承载力产生显著的作用；NGUYEN等[55]对处于干砂土中能源桩长期运行的热力响应结果进行观测，测试条件是在桩顶荷载分别为桩体极限承载力的0%、20%、40%和60%时进行30次热循环，结果发现热力循环引起的桩端位移具有不可逆性。
常虹等[56]对饱和黏土地基中的能源桩展开热−力响应测试，在室内基于温度循环模式记录了桩周温度场、桩土沉降、桩身附加热应力及侧摩阻力的变化趋势；汤炀等[57]在饱和粉土地基中对相变能源桩开展TRT模型试验，并在此基础上建立能源桩有限元模型，对比分析了相变桩与普通桩TRT的差异性；李春红等[58]针对能源桩在黏土、粉土、砂土三种不同土壤接触面的摩擦力学特性开展室内土工试验，研究发现，在相同含水率的情况下，能源桩与土壤接触面的温度效应在黏土中表现得较为明显，而在砂土中较为微弱。杨卫波等[59]基于控制变量法探究了土壤类型对带有螺旋换热器能源桩的影响，指出黏土、砂土、砂岩三种地基中砂岩最有利于换热过程的进行，土壤温度上升速率和幅度最低，而黏土中的换热效果最差，土壤温度上升速率最快。
陈家威等[60]对位于土层分层地基中的能源桩展开原位测试，试验地基的层状土层结构如图7所示，通过采集各地层温度分布与变化的实时数据分析了同一地层中土体的温度变化规律以及不同地层对能源桩换热性能的影响。
图7 能源桩位于层状地基中示意[60]

Fig. 7 Energy pile located in soil foundation with stratification[60]

相变材料（phase change material, PCM）具有蓄热能力强、蕴含潜热大、相变温度恒定等特点，能够改善能源桩的蓄热传热特性，因而相变能源桩近年来逐渐引起学者们的关注。目前PCM应用于能源桩的研究报道还较少，图8为有关相变能源桩研究的测试平台[61]。
图8 相变能源桩试验模型[61]

Fig. 8 Phase change energy pile test model[61]

崔宏志等[61-62]对制冷工况下以及非饱和黏土地层中相变能源桩的传热特性展开热响应测试，研究结果为PCM应用于能源桩研究的开展提供了一定的参考；杨卫波等[63]通过对相变能源桩的模拟与实验研究发现，相比于传统能源桩，PCM的使用能够降低桩身温度的变化以及波动幅度，而单位桩长的换热量可提高10.3%，并且因温度效应产生的桩身位移、桩轴力及侧摩阻力的变化量均相应减小；王皓宇等[64]对相变回填材料中石墨体积分数的变化对能源桩换热性能的影响展开数值模拟与实验研究，结果表明石墨体积分数的增大与桩身温度呈正相关，PCM将减缓温度对桩身热应力的影响，因此桩体沿轴向温度分布的均匀性得到提升。
MOUSA等[65]通过开发三维有限元模型分析了PCM位置和熔点范围对相变能源桩在日常建筑负荷下的年性能表现，结果表明，PCM熔化期间COP提高5.2%，而在完全凝固后将产生负面影响，COP降低1.8%。SHAHIDI等[66]以月桂酸作为能源桩的PCM与常规能源桩进行对比实验，结果显示，在能源桩中加入少量的月桂酸可以降低桩体因温度波动而产生的热力响应，并且能够提高系统的换热性能，其超孔隙水压力也比常规桩降低约46.72%。ELKEZZA等[67]对填充PCM的能源桩开展超过100 h连续性的实验测试，指出相变能源桩的加热与冷却过程相比于常规能源桩的热效率可分别提高75%和43%，并且PCM的使用有助于减弱对土壤温度、热干扰半径的影响以及由热应力导致的潜在结构损伤。BANDEIRA等[68]介绍了一种较为新颖的蓄−储型能源桩，即在螺旋能源桩内部填充PCM，将其中一种填充液体的桩体作为能源桩，而另一种填充PCM的桩体充当储热桩，因此外部的热能将能够同时存储在地下与储热桩中，具备热量的储−放功能。

3 能源桩应用现状与发展

3.1 应用现状

随着科学研究的持续深入以及工程经验的不断积累，能源桩技术因其节能环保、节约成本、节省面积等优势在工程技术领域逐渐得到关注。目前，换热埋管以桩基为载体与地源侧进行冷/热交换以获取冷量或热量的工作模式已逐步应用于建筑、桥梁、公路等方面，可在增强地基承载力的同时实现与GSHPs的等效功能，图9为能源桩在不同工程领域的应用示意[69]。
图9 能源桩在不同领域的应用[69]

Fig. 9 Application of energy piles in different fields[69]

部分学者还将能源桩与桥梁桥墩[70]、岩体隧道[71]、地下空间[72]等实体相结合，不再局限于建筑物的地基利用，而是对能源桩技术的原理与概念进行广义化延伸，图10[73-74]、图11[75-76]分别体现了该技术在不同工程领域中创新应用的实际案例。新的思路与方法为能源桩技术的发展提供了多项可借鉴的探索方案，实现能源桩技术的功能多元化、概念广义化发展。
图10 桥面融雪除冰能源桩热泵系统[73-74]

Fig. 10 Bridge deck snow-melting and de-icing energy pile heat pump system[73-74]

图11 能源桩技术广义化延伸应用[75-76]

Fig. 11 Generalized application of energy pile technology[75-76]

3.2 应用拓展

3.2.1 多能互补

能源桩GSHPs通过制冷与供暖过程吸收或提供热量来维持土壤间的热平衡。然而，对于以采暖为主的地区，负荷端在夏季与冬季的用热量明显不同，因此土体温度在热量存取的过程中会出现差异，同时土壤的冷热负荷偏差通常又难以实现自然恢复，长此以往系统的换热效率将逐渐降低，COP也随之下降，不利于系统的可持续使用，因此土壤温度热失衡问题是能源桩长期运行面临的一大挑战。
太阳能作为天然热源能够为土壤热平衡问题提供一种补偿性方案[77]，即通过太阳能集热装置将热量先转移至能源桩再传导至土壤侧，实现对土壤侧的热量补充。热补偿方法在一定程度上可缓解能源桩所在区域土壤温度的热失衡现象，延长系统的使用年限。

3.2.2 能源桩耦合太阳能集热器利用

MA等[78-79]提出能源桩−太阳能集热器耦合系统（图12）并开展数值模拟研究，通过室内实验监测流体流量、土壤饱和度以及太阳辐射强度对该系统换热性能的影响。这项研究通过能源桩在夏季将太阳热能储存于地下以满足冬季供暖能耗的需求，借助太阳能的热补偿作用减少地源侧的热能输出，从而维持土壤侧的热平衡。
图12 能源桩−太阳能集热器耦合系统示意[79]

Fig. 12 Schematic diagram of the energy pile-solar collector coupled system[79]

然而，太阳能集热器仅收集热能，功能单一化，并且存在输入热量过大导致桩周土体温度容易过热的问题，因此该耦合系统仍有优化空间。

3.2.3 能源桩耦合光伏组件利用

太阳能光电/光热（photovoltaic/thermal, PV/T）组件是一种同时产生电能和热能的双效装置，但其光伏组件的效率受温度参数的影响较大，数据显示，在标准测试条件下（25 ℃，1 000 W/m2）温度每升高1 ℃，光电效率约降低0.40% ~ 0.65%[80-81]，因此组件工作环境中温度的变化区间显得尤为重要。
由于能源桩与PV/T技术均起源于20世纪80年代，发展起步较晚，因此，目前有关能源桩与PV/T组件耦合利用的研究报道少有涉及。本课题组提出一种基于能源桩技术的太阳能光伏组件热量利用方法，实现能源桩−光伏组件的联合运行。能源桩将光伏组件所产生的余热转移并输送至土壤中，利用相对低温的浅层地温能（< 25 ℃）替代运行后期PV/T中的高温水流（40 ~ 55 ℃）冷却光伏面板，该模式不仅能够提高光伏组件的光电效率，还将实现对土壤侧的热补偿。考虑到PV/T组件的热量占比较低，不会造成土壤过热问题，而在需要更多的热量补充时，可以借助太阳能集热器完成额外的热量输入。该系统还可实现采暖、干燥、除湿等功能，其结构设计如图13所示[82-83]。
图13 能源桩−太阳能光伏组件耦合系统示意[82-83]

Fig. 13 Schematic diagram of the energy pile-solar photovoltaic module coupled system[82-83]

能源桩−太阳能光伏组件耦合系统将太阳能作为天然热源，将浅层低温能作为天然冷源，不仅实现两种清洁能源的优势互补利用，还能为当前以光伏桩为基础建设的光伏电站在维护升级中提供可行的改造方案。桩基−埋管−光伏一体化的设计可进一步提高能源的综合利用效率，拓宽能源桩技术的应用领域。
另一方面，能源桩−太阳能耦合利用也需考虑到太阳能所赋有的不稳定性因素，即土壤侧的热补充能否与太阳能的季节性变化相适应，波动的太阳能热能否满足地热储能与用能之间更高程度的匹配性也需要研究。

4 结论

对能源桩的研究工作进行梳理，根据能源桩的运行特点，阐述一种能源桩与太阳能光伏组件联合运行实现热量循环利用的方法，进一步拓宽能源桩技术的应用领域，得到以下结论：
（1）能源桩相比于传统地埋管技术具有降低投资成本、减少开挖面积、节约回填费用等优势，为GSHPs的发展提供新的工程设计方案。
（2）能源桩受温度变化的影响将产生附加应力与热变形，因此在实际工程中需考虑上述因素，确保桩体所承载上部结构的稳定与安全。
（3）能源桩与传统地源热泵系统同样面临冷热负荷需求不平衡而造成土壤侧温度失衡的问题，因此系统的长期性运行方案需进一步优化、改善。
（4）能源桩−太阳能耦合系统可实现太阳能与地热能的多能互补利用，提高能源的综合利用效率，但也应考虑到太阳能的不稳定性，地热储能与用能之间的平衡机制需得到关注。
（5）能源桩−光伏组件耦合系统涉及能源与岩土双学科领域，可为能源岩土方向的发展提供新的思路。

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