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能量桩的设计，评估和优化
摘 要
将热交换器管道和结构基础集成到一个系统中，为建筑物的热负荷创造了一种新的可再生解决方案。但是，热荷载和岩土荷载之间的相互作用使它们的设计更加复杂和具有挑战性。该复习研究表示有关能量堆的热行为和热力学行为的当前知识状态。它还研究了影响桩设计的关键参数，这些参数涉及桩的尺寸，管道的布置，混凝土外加剂和流体特性。结果发现，通过增加桩内的管道数量并在可接受的范围内向混凝土中添加导热材料，可以显着提高热效率。此外，本文回顾了有关优化与热泵耦合的垂直地面热交换器的大多数研究。目标函数，决策变量，设计约束和优化方法已指定并列出。结论是，强烈建议采用多目标优化，以使用4E评估标准（能源，火用，经济和环境）增强能效系统与热泵结合的双重性能，同时确保基础下的安全性、热循环载荷。
关键词：能量堆 热力学行为 标准优化
Design, Evaluation and Optimization of Energy piles
Abstract
Integrating heat exchanger piping and structural foundation into one system creates a new renewable solution for the thermal load of the building. However, the interaction between thermal loads and geotechnical loads makes their design more complex and challenging. This review study represents the current state of knowledge regarding the thermal and thermodynamic behavior of the energy reactor. It also studies the key parameters affecting pile design, including pile size, pipe placement, concrete admixtures and fluid characteristics. The results show that the thermal efficiency can be significantly improved by increasing the number of pipes in the pile and adding conductive materials to the concrete within an acceptable range. In addition, most studies on optimizing vertical surface heat exchangers coupled to heat pumps are reviewed. The objective function, decision variables, design constraints, and optimization methods are specified and listed. The conclusion is that multi-objective optimization is strongly recommended to use the 4E evaluation criteria (energy, exergy, economy and environment) to enhance the dual performance of the energy efficiency system combined with the heat pump, while ensuring the safety and thermal cycling load under the foundation.
Key Words: Energy reactor, thermodynamic behavior, standard optimization
目录
5.4.5.Hooke-Jeeves模式搜索算法（HJ） 25
第一章 介绍
建筑物的能源消耗已成为一个相关的国际问题，并且已开发出各种设计策略在许多国家提高节能效果。如今，建筑物承担着约40％的总能耗和超过30％的温室气体排放（Sbci，2009年），已将全球关注的焦点转移到了所谓的“近零能耗建筑物”上（NZEB）。NZEB的设计目的是建造能耗更低且碳排放量低的建筑物。能源地质结构的发展为实现这一目标做出了贡献，因为将浅层地热能应用于地质结构中以进行建筑物的空间冷却和供暖。这项环保技术可应用于所有类型的土壤嵌入式结构，例如隔板墙，隧道，浅基础和桩（Adam和Markiewicz，2009年）。在过去的几年中，许多国家实施了越来越多的能源地质结构项目，这些项目在全球范围内累计减少了二氧化碳的使用量（图1-1）。世界各地各种类型的能源地质构造都有一些应用（维也纳（奥地利）的Laizer隧道，英国牛津的Keble学院，瑞士苏黎世机场的Dock Midfield航站楼以及中国的无锡国联大厦）（ Adam和Markiewicz，2009； LalouiDi Donna，2013）。在所有这些类型中，能量堆仍然是地热交换过程中最常见的应用。它利用15m至50m深度以下的地下温度的相对稳定性来从地面吸收热量或从地面吸收热量。传热是通过沿地热交换管（GHE）沿着加固笼安装的能量堆中进行的，传热流体（HTF）在该处循环并与周围环境进行热交换。尽管这项技术迅速普及，尤其是在英国和奥地利，但由于热力和岩土设计之间的相互作用，能量桩的安装仍面临相当大的挑战（Laloui和Di Donna，2011）。已经进行或正在进行许多研究以检查能量堆的性能。它们中的大多数基于能量性能，但也已发表了许多最新研究，以通过原位实验，实验室测试和数值分析来了解其热机械行为。同时，一些作者对这一领域的研究进行了综述（Bourne-Webb等人，2016，2019; Fadejev等人，2017; Zagorscak和Thomas，2016; de Moel等人，2010; Loveridge和Powrie，2013; Raouf等人，2015； Faizal等人，2016； Noorollahi等人，2018； Batini等人，2015； Sani等人，2019）。但是，它们没有解决热机械相互作用下能量堆的优化方面。本文对所有能量堆的功能进行了全面的回顾：评估，设计和优化。它解释了能量堆的复杂性能，扩展了有关其评估标准和设计参数的知识，并提供了设计建议。考虑到热，经济，环境和机械方面的考虑，它还尝试开发一种优化能量堆设计的方法。
图1-1 全球地源地质结构项目的累计数量及全球二氧化碳节省量
1.1. 数值方法
过去几年中已经开发出许多数值模型来分析能量堆的热性能，这些模型主要基于有限元和有限体积方法（Cui和Zhu，2018a； Dehghan，2018； Li等，2018； Han和Bill）， 2018; Dehghan等。(2016).几篇评论（Bourne-Webb等人，2016； Fadejev等人，2017; Cui等人，2018b; Aresti等人，2018年）表明，数值模型对于模拟能量堆是精确而现实的。它们的优点来自定义每个系统组件并描述各种边界条件和配置状态。考虑到温度随桩深的变化，他们还可以模拟沿管道的流体流动。同样，它们还可以引入土壤中的地下水运动，各种土壤层以及不同桩元的热容量。一些研究提出了3D数值模型来检测能量堆的传热性能（Park等，2017a; Cui和Zhu，2017; Bezyan等，2015）。Cui和Zhu（2018b）发现，详细的数值模型和实验结果之间的桩温度仅相差12％。但是，大多数数值研究都采用简化方法来减少复杂数值模型离散化所需的高计算时间（Rui等人，2018; Ghasemi-Fare和Basu，2018; Lu等人，2017; Zhang和Chen，2017 ; Zarrella et al。，2013a）。还开发了混合的1D-3D方法来降低完整3D模型的复杂性（Carotenuto等人，2017; Caulk等人，2016）。他们基于3D方法模拟桩和周围环境中的热传递，而基于1D方法模拟管道内部的热量和流体流动。填隙等。 （2016年）检查了1D-3D模型，发现与实验数据吻合良好。 此外，Park等。（2018）根据参数研究得出的热阻和设计因素的概念，提出了一个工程图来评估能量堆中的传热。作者通过对具有多个U型管和盘管配置的能量堆执行CFD模型，验证了图表值的准确性。结果显示，与CFD仿真相比，最大误差为9％。但是，该图表承认一些限制。建议解决大量
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