在不同墙体配置、管路布置和渗流条件下能量桩墙的热-水-力响应

把地下室墙体变成清洁能源来源

城市建筑通常既需要牢固的地下墙体来支护土体，也需要稳定的供热和制冷。本文研究了一种能将这两种功能合二为一的技术：能量桩墙。通过细致研究这些墙在加热、冷却以及与地下水相互作用时的行为，研究者展示了工程师如何在保证基坑和地下室稳定的前提下，安全地把地下作为可再生能源来源加以利用。

既储热又传热的墙体

能量桩墙由成排的混凝土桩构成，既支撑地面又作为地下换热体。每根桩内布置塑料管道，循环水在其中流动：夏季吸收建筑的余热，冬季通过热泵把储存的热量带回室内。由于地表下几米处的地温全年较为稳定，这类墙体能够以远低于传统空调或加热设备的电耗搬运大量热量。问题在于，桩体反复升温和降温会导致膨胀和收缩，从而使墙体和周围土体产生细微的推挤和弯曲。

城市地下的虚拟试验

为了解这些看不见的变形，团队构建了典型挡土墙在三维下的详细计算模型，模拟了深度达12米的基坑。研究对连续六个月的热排放进行了模拟，模仿建筑在制冷季节将热量排入地下的情形。仿真跟踪了管内的热流、混凝土与土体的温度变化、地下水流动，以及由此产生的应力和微小位移。研究比较了不同墙型（简单悬臂墙、由两块厚板支撑的墙体、以及由多块薄板支撑的墙体）、两种管路布置（4U 形环路与螺旋形）以及一系列从松散砂层到致密岩石与黏土的土体刚度与渗透性。

微小位移、局部应力与水的作用

模型表明，即使在强加热下，墙体的整体侧向位移仍非常小——不到约两毫米，因此使用性能并非最主要的问题。然而，弯曲模式和内部应力随墙型、地层刚度以及墙体与周围热交换方式而变化。在刚性更大的地层或与保持恒定低温的表面接触时，墙体会产生更高的弯矩，尤其在地面附近和基坑底部。管路布置也有影响：尽管螺旋与4U 形的传热量相近，螺旋布置会产生略高的热诱发应力峰值。在桩与承载板的连接等关键位置，这些拉应力可能超过混凝土的抗裂强度，提示在这些部位需要额外的加筋或裂缝控制措施。

地下水：帮手亦或麻烦

地下水流动被证明是一把双刃剑。当水在墙体附近渗流时，会把热量带走，提高系统的热输出——在一些情况下相比静水条件可提升50%以上。但这种温水流动也会改变墙体的弯曲方式和力的集中位置，尤其在底板处。在高渗透性土层中，渗流占主导：运动的水带走热量，重塑温度分布并增加墙体挠度和内部力。在渗透性极低的土层中，水不能自由流动，升温会形成多余的孔隙水压。这些受限的孔压对侧向位移影响不大，但却能使多支撑墙的弯矩和剪力几乎翻倍，仍在关键结构位置产生显著影响。

更安全、更智能的能量墙设计图谱

通过覆盖广泛的土工与施工条件，作者识别出一系列实用阈值，告诉工程师在特定场地上哪种物理效应会占主导：在某一较高渗透率以上，渗流驱动的热传输决定响应；在远低于该阈值的情形下，受限孔隙水压变得关键。在这些作用机制下，研究建议优先采用4U 形管路布置，并特别关注板块连接处和开挖深度处的配筋。在通俗层面上，这项工作表明把挡土墙变为地下散热器既可行又高效，前提是设计者考虑到热、水与结构在地下的相互作用。只要采取适当的防护措施，能量桩墙就能在帮助建筑供热制冷脱碳的同时，默默增强城市地下室的稳固性。

引用: Villegas, L., Narsilio, G. & Fuentes, R. Thermo-hydro-mechanical response of energy-piled walls under varying wall configurations, pipe layouts, and seepage conditions. Sci Rep 16, 9198 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-42923-z

关键词: 地热能, 地源热泵, 能量桩, 挡土墙, 地下水渗流