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技术论文
通过热响应和恢复测试研究地
下水和饱和多层土对能量桩地
温响应的影响
斯科特·哈罗德（Scott Harold * *Lines），大卫·威廉姆斯（David J.Williams）
昆士兰大学土木工程学院，圣卢西亚，澳大利亚布里斯班4067
2018年3月24日收到;以修订表格收到2019年6月8日;接受的2019年6月21日在
线提供2019年8月26日
摘要
对安装在饱和多层土壤中的全尺寸预制能量桩进行了热响应测试（TRT）和热恢复测试，以研究该桩和土壤上的热响应。通过实验室测试评估了土壤的热性质和物理性质，并将其与通过使用有限圆柱源（FCS）方法和移动无限线源（MILS）方法进行的热响应和热回收测试得出的估计性质进行了比较。MILS方法用于通过在桩内13 m深度进行热恢复测试来评估Darcy的速度，从而消除了环境温度和TRT单元输入的潜在热量的影响。在加热输入和随后的恢复过程中，在三个位置平行和垂直于地下水流，对地面温度响应进行了监测，同时在嵌入式U形回路内监测了桩温度分布。结果表明，与实验室结果相比，TRT结果的热导率估算值始终较高，并且MILS方法的应用记录的值大于FCS方法，特别是在热回收方面。MILS被证明可以通过热恢复测试准确预测达西的速度，并记录通过实验室测试估计的范围内的值。此外，地面温度响应通过温度曲率显示了各种土壤层的显着影响，深度随时间发展。
copy;2019由Elsevier B.V.代表日本岩土工程学会制作和托管。这是CC BY-NC-ND许可下的开放获取文（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd./4.0/章）。
关键字：能量堆；热响应测试；热恢复测试；地面温度响应
- 介绍
能量桩，也称为热活性桩，是一种地热基础，具有承载和传热的双重作用。与垂直井眼热交换器相比，能量堆的核心优势是将与地面环路安装相关的成本降到Lu等。(2017)最低，之前已证明，该成本占管道安装成本的50％以上。
由日本岩土学会负责的同行评审。
*通讯作者。
电子邮件地址： s.lines@uq.edu.au（S.H.线d.williams@uq.edu。），（D.J.au威廉姆斯）。
澳大利亚的地热系统。这大大提高了地源热泵（GSHP）系统的经济可行性。GSHP系统相对于更传统的加热，通风和冷却（HVAC）方法的优势已得到充分确立布兰德（Brandl），2006年； Lei等，（），2017;索尼（Soni）等人，2015年通常被认为价格过高的安装成本被认为是增加商业使用量的最大障碍。
能量堆具有巨大的潜力，可以通过GSHP提供的热传递将地面用作热源/汇，从而提高能源效率。这种潜力在最近几年引起了越来越多的关注（Amis等， 2014; Bouazza等，2011； Bozis等人，2011年；高等
https://doi.org/10.1016/j.sandf.2019.06.010
0038-0806 /copy;2019 Elsevier B.V.代表日本岩土工程学会制作和托管。这是CC BY-NC-ND许可（）下的开放获取文章。http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/
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2008年； Knellwolf等，2011;; 拉夫里奇（Loveridge），2012年；麦卡尼 等，2015；墨菲（Murphy）等人，2014年； Preene和Powrie， 2009;伍德（Wood）等人，2010年). 研究集中在能量堆的各个方面，例如它们的热机械Akrouch et al。，2014; Batini et al。，2015;行Bourne-Webb等人，2012；斯图尔特和麦卡特尼，2012年；为Suryatriyastuti等，2012； Wang等，2014（），广义上可以定义为机械载荷，加热和冷却对应力和应变的影响。由于对设计对性能的影响的理解对于任何Batini et al。，2015;海明威和朗，GSHP2013; Loveridge等人，2015年； McCartney等人，2016年系统的成功至关重要，因此对岩土设计的研究一直在不断探索（）。这导致近年来对热效率和行为的研Casasso和Sethi，2014年；塞西纳托和究拉夫里奇（Loveridge），2015年； Hein等人，2016年；帕克（Park）等人，2013年（）。
对于GSHP系统的选型，准确估算地面的热特性至关重要，而这通常是通过使用原位热响应测试（TRT）来确定的。TRT于1980年代初和整个1990年代开发，旨在确定地面和井眼的热导率以及井眼的热奥斯汀，1998年；埃克尔科夫（Eklcof）和盖林（Gehlin），阻1996;摩根森（Mogensen），1983年（）。最初是为钻孔而开发的，并在大量研究中表明适合于以可接受的精度确定热参藤井数等，2009； Sanner等，2008； Sanner等人，2005年（）。此外， 盖林（Gehlin）和诺德（Nordell）（2003） 还演示了如何使用TRT有效地确定不受干扰的地面温度。后来证明了TRT适合以类似的方式应用于能量佛朗哥（Franco）等人，2016; Hu等，2014； Loveridge等，堆2014a，2014b（）。
但是，为与TRT测试一起使用而开发的经典方法，无限线源方法和无限空心圆Carslaw and Jaeger，1959年；柱Ingersoll等人，1954年方法（）通常不适合用于能量桩，原因是与钻孔的比率不同。能量堆的长度通常短得多而直径大。这种不同的特性导致了更合适的分析方法的发展，如有限线源法（由后来提埃斯基森（1987） 出）进一步发Zeng等。展（2002）以及Lamarche和Beauchamp（2007）。最近，开发了使用Green5s函数的有限圆柱法，并显示了 Man等。(2010)一个复合圆柱模型by可以Hu等。(2014) 在应用于能量桩时以更高的精度生成TRT估算值。由于涉及到地下水流动的模型可能会对估算热参数（）产生重大影响，因此已开发出模型Chiasson等，，2000; Wang et al。，2009;维特和海尔德，2006年从而导致导热系数估算值随估算时间而不断增加，如图所维特（2001） 示，后来被确认 Signorelli等。(2007)。为了解决这个问刁等人。题，（2004）和Sutton等。(2003) 开发了移动式感应器
nite线源方法，进一步发 莫利纳展Giraldo等。(2011) 成移动有限线源方法。该方法在论证参数估计方法的同时考虑了地下瓦格纳（Wagner）等人。(2013) 水流和轴向影响，并针对测试案例进行了校准。
温度引起的流体流动对TRT和能量桩的影响直到最近才引起人们的关注。通过改变 崔等。(2011) 地下水位的位置，对饱和和非饱和条件下的能量桩进行了数值分析，显示出波动会导致水位下降。比较不饱和条件和饱和条件时，最大降低了40％，最近在饱和多孔介质中进行了TRT，以研究自然对流的影响（）。证明崔和大冈，2016了加塞米票价和巴苏（2018） 温度诱导的孔隙流体流动可能在短短4至7天内产生重大影响。
已经对TRT部署的创新进行了研究，以提高估算值和/或降低成本。所使用的最新方雷蒙德等。(2015) 法已显着降低了所需的功率，从而创建了使用低功率源的能力，而沿着桩长使用加热电缆创建了深度更恒定的热源，从而无需进行水循环（ ）。强调了雷蒙德（Raymond）等人，2010年使Radioti等。(2016) 用光纤来测量长时间TRT的行为的优势，这种方法虽然持续时间较短阿库纳和棕榈（2013），但也被类似地采用Xiaohui等。(2015) 。通过使用恒温方法，而不是更常用的恒温热通量方法，研究了较短持续时间的TRT。建议完成TRT处理后，继续监测温度以直接解释恢复阶段（）。Loveridge等人，2014a，2014b由于没有功率波动和从循环泵中去除热量输入，确定从回收阶段确定热导率比在加热阶段更准确。
在这项研究中，自然对流对热响应和热回收测试的影响进行了实验检验，并使用了由建议的有限圆柱法和由 Man等。(2010) 建议的移动无限线源方法进行了分瓦格纳（Wagner）等人。(2013)析，该方法能够确定Darcy5s的速度以及热性质。测试是在一个完全仪器化的能量桩上进行的，并在桩本身内部和三个监测孔中对温度变化进行了监测。两个监测孔沿桩下游的地下水流方向，第三个垂直于地下水流。在安装桩之前，通过无扰动采样和扰动采样对周围土壤进行实验室测试，以确定土壤的物理和热学性质。报道了桩和周围土壤的温度变化，以及对温度的影响。
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研究了具有不同热学和物理特性的饱和多层土壤。这项实验工作是第一个提出这样综合结果的工具，它可以在地下水流的多个方向上测量桩内的温度响应和恢复，并应用所选的分析方法。提出的结果和结论可更好地理解饱和多层土壤中的传热过程，证明了所选择的分析方法除了可精确地估算桩和周围地面的热特性外，还具有一定的适用性。地面。
- 理论背景
TRT用于根据对记录数据和所选模型的解释来确定地面的热属性。热交换率是必不可少的组成部分，它是通过在测试过程中测量入口和出口温度以及流体流速来确定的，然后使用等式计算得出。(1):
其中q是每米长的地面热交换器的比热率（W / m），W是载热流体的体积流量（m3 / s），Cf是载热流体的热容量（ <su
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