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能量桩桥面除冰融雪的能源需求与供给能力案例分析

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中国公路学报 2023年第3期36卷 202-210页

作者：陈鑫孔纲强王忠涛刘汉龙杨庆江苏开放大学建筑工程学院江苏南京210036 河海大学岩土力学与堤坝工程教育部重点实验室江苏南京210098 大连理工大学土木工程学院辽宁大连116024 重庆大学土木工程学院重庆400044

基于能量桩的桥面除冰融雪技术,克服了传统融雪剂对桥面板结构的腐蚀问题,且具有节能环保等技术经济优势。能源需求与能量桩供热能力的计算是能量桩桥面除冰融雪系统设计的关键。为达到除冰融雪目的,桥面板表面温度需维持在0℃以上;基... 详细信息

基于能量桩的桥面除冰融雪技术,克服了传统融雪剂对桥面板结构的腐蚀问题,且具有节能环保等技术经济优势。能源需求与能量桩供热能力的计算是能量桩桥面除冰融雪系统设计的关键。为达到除冰融雪目的,桥面板表面温度需维持在0℃以上;基于桥面板的热响应试验与除冰试验得到桥面板温度与换热效率、流体温度的关系,根据热传导定律,推导出桥面除冰融雪所需的换热效率与流体温度的计算公式;探讨了能量桩热泵系统的供热能力。计算得到换热管埋深和间距分别为14 cm和25 cm的桥面板,在环境温度为-1℃~0℃时,系统的热有效率(有效热流密度与换热效率的比值)约为50%,系统的热有效率随着环境温度的降低而降低。选取3座具有不同板桩比(桥面板面积与能量桩总长比值)的桥梁为案例,进一步分析了环境温度-10℃~0℃,降雪量水当量0.1~1.0 mm·h^(-1)范围内,能量桩的供热比,以及满足融雪需求入口流体温度的计算表达式。结果表明:能量桩的供热比与环境条件和桥梁的板桩比有关,板桩比为0.7 m2·m^(-1)时,环境温度为-5℃,降雪量不大于0.4 mm·h^(-1)(暴雪),能量桩供热可满足融雪需求;板桩比为1.5 m2·m^(-1)条件下,环境温度为-1℃时,降雪量不大于0.3 mm·h^(-1),能量桩供热可满足融雪需求;板桩比为2.0m2·m^(-1)时,环境温度-1℃时,降雪量不大于0.2 mm·h^(-1),能量桩供热可满足融雪需求。

关键词：桥梁工程除冰融雪现场试验能量桩能源需求流体温度

循环温度场作用下PCC能量桩热力学特性模型试验研究

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岩土力学 2015年第3期36卷 667-673页

作者：黄旭孔纲强刘汉龙吴宏伟河海大学岩土力学与堤坝工程教育部重点实验室江苏南京210098 河海大学土木与交通学院江苏南京210098 香港科技大学土木工程系

PCC能量桩是河海大学岩土所开发的一种新型能量桩技术。在常规桩基静载荷模型试验基础上,将PCC能量桩放置在南京典型砂土中,并通过导热管内水体的循环对模型桩体施加温度场,以模拟PCC能量桩在实际运行过程中的承载力特性与受力机制,PCC... 详细信息

PCC能量桩是河海大学岩土所开发的一种新型能量桩技术。在常规桩基静载荷模型试验基础上,将PCC能量桩放置在南京典型砂土中,并通过导热管内水体的循环对模型桩体施加温度场,以模拟PCC能量桩在实际运行过程中的承载力特性与受力机制,PCC能量桩先加载至工作荷载(极限荷载的一半),再施加热-冷循环一次,最后加载至极限荷载,测得不同温度下PCC能量桩的荷载-位移关系曲线、桩身应力-应变关系曲线等变化规律。试验结果表明,能量桩换热过程中,热量更容易从桩体传向土体(即夏季模式的热循环);热循环及制冷循环都明显改变了桩顶位移值,且往复循环作用下产生的塑性变形不能完全恢复,其积累变形可能危害上部结构安全;桩身受温度场作用产生的热应力相对较大,且不同约束条件下其变化值有所差异;在制冷循环下,桩底部甚至可能产生较大拉应力。

关键词：能量桩现浇混凝土大直径管桩(PCC桩) 循环温度场热-力耦合模型试验

桥面融雪除冰能量桩热泵系统换热效率现场试验

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中国公路学报 2022年第11期35卷 107-115页

作者：陈鑫孔纲强刘汉龙江强杨挺河海大学岩土力学与堤坝工程教育部重点实验室江苏南京210098 重庆大学土木工程学院重庆400044 江阴市城市重点项目建设管理中心江苏江阴214400 江苏山水环境建设集团股份有限公司江苏南京212400

基于能量桩的桥面工程主动式融雪除冰技术作为一种新型桥面融雪除冰技术,具有环保、节能等技术优势。依托江阴市征存路观风桥市政桥梁工程,开展能量桩供热桥面板的换热效率与热-力响应特性现场试验。在桩基础和桥面板中分别预埋聚乙烯... 详细信息

基于能量桩的桥面工程主动式融雪除冰技术作为一种新型桥面融雪除冰技术,具有环保、节能等技术优势。依托江阴市征存路观风桥市政桥梁工程,开展能量桩供热桥面板的换热效率与热-力响应特性现场试验。在桩基础和桥面板中分别预埋聚乙烯管作为换热管,通过水泵驱动换热管中的流体循环,提取浅层地温能供热桥面板;沿桩身深度方向和在桥面板中布设了温度-应变传感器,用于监测试验过程中相应位置的温度和应变。试验分析冬季工况下,一根20 m的能量桩供热20 m^(2)的桥面板时,流体、桥面板、桩的温度变化以及桥面板和能量桩的热致应力分布。研究结果表明:根据现场试验条件,环境温度为-4℃时,20 m能量桩供热20 m^(2)桥面板可保证桥面板表面温度始终高于0℃,即平均每延米能量桩热泵系统可保障1 m^(2)桥面板不冻结;温度的改变使得能量桩和桥面板中产生热致应力,桩身最大轴向热致应力出现在桩深10 m(50%桩长)处,约为-1.05 MPa,为混凝土抗拉强度(2.0 MPa)的52.2%,桩身最大轴向热致应力的温度响应约为0.205 MPa·℃^(-1);桥面板中最大热致应力为0.77 MPa,为混凝土抗压强度(26.8 MPa)的2.9%,热致应力的温度响应为0.086 MPa·℃^(-1);能量桩上部受到最大正摩阻力为21.1 kPa,下部受到最大负摩阻力为13.3 kPa;试验结束时桩顶热致位移为-0.239 mm,约0.03%桩径。

关键词：桥梁工程能量桩桥面除冰融雪现场试验换热效率热致应力

相变混凝土能量桩热-力学特性的数值模拟与试验验证

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农业工程学报 2021年第2期37卷 268-277页

作者：杨卫波杨彬彬汪峰扬州大学电气与能源动力工程学院扬州225127 热流科学与工程教育部重点实验室(西安交通大学) 西安710049

为了获得热力耦合作用下相变混凝土能量桩的热-力学特性,建立了其三维数值模型,比较了传统和相变混凝土能量桩热-力学特性的差异,分析了埋管管腿间距及桩体长径比对相变混凝土能量桩热-力学特性的影响规律。结果表明,相变材料(Phase Cha... 详细信息

为了获得热力耦合作用下相变混凝土能量桩的热-力学特性,建立了其三维数值模型,比较了传统和相变混凝土能量桩热-力学特性的差异,分析了埋管管腿间距及桩体长径比对相变混凝土能量桩热-力学特性的影响规律。结果表明,相变材料(Phase Change Material,PCM)的固液相变可使单位桩深换热量提高10.3%,且可降低桩身温度变化幅度,由温度变化所引起的桩身位移、轴力及侧摩阻力变化量也相应减小。随桩基埋管管腿间距增加,能量桩的换热量和土壤热影响范围增大,桩身轴力减小,桩身位移呈现先增大后减小趋势;加大桩体长径比会增加总换热量,但会导致单位桩深换热量降低及桩顶位移的增加,不利于桩基结构的稳定性。试验验证表明:所建能量桩数值模型可用于模拟相变混凝土能量桩的热-力学特性,其桩壁中点温度与桩顶位移的预测最大相对误差分别在5.1%与12%以内,平均相对误差分别为4.2%、9.9%。研究结论对于相变混凝土能量桩的优化设计与运行具有重要指导意义。

关键词：能量桩相变热力学特性数值模拟试验验证

饱和黏土中水平受荷能量桩热–力响应特性研究

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岩石力学与工程学报 2024年第1期43卷 248-260页

作者：赵华王成龙陈志雄张鼎新彭宸重庆大学土木工程学院重庆400045 大足石刻研究院重庆402360 重庆市地质矿产勘查开发局重庆401121

针对能量桩热–力响应的研究主要考虑竖向荷载,考虑水平荷载影响的研究较少,为探究水平受荷能量桩的热–力响应特性,基于模型试验分析饱和黏土中水平受荷能量桩在不同温差梯度下的桩顶位移、桩身弯矩、孔隙水压力和桩前土压力等的变化... 详细信息

针对能量桩热–力响应的研究主要考虑竖向荷载,考虑水平荷载影响的研究较少,为探究水平受荷能量桩的热–力响应特性,基于模型试验分析饱和黏土中水平受荷能量桩在不同温差梯度下的桩顶位移、桩身弯矩、孔隙水压力和桩前土压力等的变化规律。研究结果表明:对桩体的加热和制冷均会引起额外的桩顶位移,并且制冷引起的额外桩顶位移更大,达到0.22%D(D为桩体直径),而加热引起的额外桩顶位移为0.13%D;加热和制冷后桩体的极限承载力与测试桩相比均有所增大,并且加热后增大得更多,约增加32.7%,而制冷后约增加26.1%,这是因为与制冷相比,加热时的热固结效应会导致土体的强度明显增加;加热和制冷对最大弯矩的位置没有明显影响,加热和制冷前、后最大弯矩均出现在37.5%L(L为桩的埋深)深度处;加热和制冷后最大弯矩均增大,制冷时最大弯矩先增大,然后逐渐稳定,而加热时最大弯矩先减小,然后逐渐增大,并超过加热前的弯矩,在此期间桩顶位移持续增大,推测加热初期桩体可能发生了刚性转动;加热和制冷会对桩前土压力造成不同影响,总体表现为上部增大,下部减小;加热和制冷会导致土体孔隙水压力随温度发生变化,从而产生正的或负的超孔隙水压力。

关键词：土力学能量桩热–力响应特性模型试验温差梯度饱和黏土

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多次温度循环对能量桩桩顶位移影响分析

岩土力学 2017年第4期38卷 958-964页

作者：孔纲强王成龙刘汉龙吴迪车平河海大学土木与交通学院江苏南京210098 重庆大学土木工程学院重庆400045 重庆大学山地城镇建设与新技术教育部重点试验室重庆400045 江苏省有色金属华东地质勘查局江苏南京210007

能量桩是一种在承载上部建筑荷载的同时获取地热能源的新技术。但目前对于能量桩在冷、热循环过程中尤其多次冷、热循环情况下的热力学效应研究较少。基于模型试验方法,针对预埋钢管单U型新型能量桩,开展工作荷载作用下多次冷、热循环... 详细信息

能量桩是一种在承载上部建筑荷载的同时获取地热能源的新技术。但目前对于能量桩在冷、热循环过程中尤其多次冷、热循环情况下的热力学效应研究较少。基于模型试验方法,针对预埋钢管单U型新型能量桩,开展工作荷载作用下多次冷、热循环时的传热特性和承载特性,尤其是桩顶位移变化规律的研究;并开展无荷载作用下单次冷、热循环试验进行分析。试验结果表明,冷、热循环引起的桩体热应变,在加热时桩体内部产生压应力,而在制冷时桩体内部产生拉应力,同时温度引起桩侧不同部位分别产生正摩阻力和负摩阻力。相较于工作荷载,无荷载作用下加热会使桩体位移上升约41%,而一次加热与制冷循环作用后,无荷载作用下桩顶残余位移约为工作荷载作用下的10%。多次冷、热温度循环会导致桩体沉降不断积累。

关键词：桩基能量桩预埋钢管热力学效应模型试验

不同埋管形式下能量桩热力学特性模型试验研究

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工程力学 2017年第1期34卷 85-91页

作者：王成龙刘汉龙孔纲强吴迪重庆大学土木工程学院重庆大学山地城镇建设与新技术教育部重点实验室河海大学土木与交通学院

桩埋管式地源热泵(也称能量桩)是一种可以节省地下空间和施工埋管费用的新技术,目前在国内外得到了一定的应用。然而,针对其在干砂中的传热特性和力学特性的研究却相对较少。基于模型试验方法,对不同埋管形式下,干砂中钢筋混凝土桩的传... 详细信息

桩埋管式地源热泵(也称能量桩)是一种可以节省地下空间和施工埋管费用的新技术,目前在国内外得到了一定的应用。然而,针对其在干砂中的传热特性和力学特性的研究却相对较少。基于模型试验方法,对不同埋管形式下,干砂中钢筋混凝土桩的传热特性及其力学特性进行了对比模型试验研究。试验测得桩体、桩周土体的温度变化规律,桩体应变和桩体热应力的变化规律,并对比分析了温度影响下基桩的极限承载力。试验研究结果表明,同样输入功率条件下,不同埋管形式相比,W型和螺旋型桩的应力变化和桩顶沉降量均较单U型桩要大。

关键词：能量桩埋管形式模型试验热力学特性极限承载力

冬季运行能量桩热力响应及系统性能监测与评价

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岩土工程学报 2024年第6期46卷 1309-1317页

作者：孔纲强陈玉杨庆三峡大学三峡库区地质灾害教育部重点实验室湖北宜昌443002 河海大学岩土力学与堤坝工程教育部重点实验室江苏南京210024 大连理工大学海岸和近海工程国家重点实验室辽宁大连116024

以湖北宜昌地区25 m~2的建筑房间冬季供暖需求为应用场景,构建由能量桩、集分水器、热泵机组、循环水泵等组成的地源热泵系统,分析建筑房间实际冬季供暖需求条件下,能量桩系统持续或间歇运行对能量桩热力响应及系统性能的影响规律,并开... 详细信息

以湖北宜昌地区25 m~2的建筑房间冬季供暖需求为应用场景,构建由能量桩、集分水器、热泵机组、循环水泵等组成的地源热泵系统,分析建筑房间实际冬季供暖需求条件下,能量桩系统持续或间歇运行对能量桩热力响应及系统性能的影响规律,并开展传统钻孔埋管地源热泵系统试验和空气源热泵系统试验进行对比分析。着重探讨实际运行条件下能量桩热力响应特性与传统TPT或TRT试验条件下获得结果之间的异同点,监测能量桩系统的供暖效果、能效比(COP)。持续运行试验对应桩顶出现最大温度降低值3.78℃及最大约束拉应力0.70 MPa(约为完全约束应力上限值的57.5%),运行桩较非运行对角桩对应承台部位产生的实测应变值差值在顶部和底部分别为19.98,17.78με。实测能量桩系统COP约为3.03,较相关空气源热泵系统提高约12.2%~21.2%(规范参考COP为2.50~2.70)。能量桩系统较常规空气源热泵系统,能提前约2.5 h到达预设温度,具有更快的启动速度。

关键词：能量桩间歇运行热力响应特性能效比(COP) 现场试验

热-力耦合作用下能量桩单桩分析方法及工作特性研究

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湖南大学学报（自然科学版） 2023年第7期50卷 211-220页

作者：江杰陈秋怡欧孝夺陈朝棋张鹏广西大学土木建筑工程学院广西南宁530004 工程防灾与结构安全教育部重点实验室(广西大学) 广西南宁530004 广西防灾减灾与工程安全重点实验室(广西大学) 广西南宁530004

能量桩在正常服役过程受热-力耦合作用,其荷载传递特征将发生改变,但现有能量桩承载特性的理论方法尚不够完善.为研究热-力耦合作用下能量桩单桩承载特性,考虑温度对荷载传递函数的影响,提出基于荷载传递法和能量平衡原理的热-力耦合作... 详细信息

能量桩在正常服役过程受热-力耦合作用,其荷载传递特征将发生改变,但现有能量桩承载特性的理论方法尚不够完善.为研究热-力耦合作用下能量桩单桩承载特性,考虑温度对荷载传递函数的影响,提出基于荷载传递法和能量平衡原理的热-力耦合作用下能量桩单桩分析方法,通过迭代求解得到任意荷载-温度组合作用下桩身内力和位移,将计算结果与试验结果进行对比,结果较吻合.研究结果表明:温度作用会影响桩身轴力和桩侧摩阻力变化规律.对不同桩顶荷载水平下的桩顶沉降值进行分析,在荷载-升温/降温工况下,当桩顶荷载水平较低时(≤25%Pu,Pu为极限荷载),温度变化对桩顶沉降幅度影响显著,桩顶沉降幅度可达到55%(25%Pu);尤其荷载-降温工况下,当桩顶荷载水平超过75%Pu时,桩顶沉降量临近极限值,此时需特别注意桩基承载性能.

关键词：岩土工程桩基础能量桩荷载传递法热-力耦合承载力

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