随着城市化推进与气候变化加剧，可持续且节省空间的建筑供暖制冷解决方案需求迫切。能源桩作为一种兼具混凝土基础系统与地热能热交换器功能的方案颇具前景，但在东京、曼谷和马尼拉等高密度城市，因建筑物多建于软粘土地基，工程师设计能源桩面临独特挑战。

在此情况下，日本芝浦工业大学工程学院Shinya Inazumi教授领导的研究团队，提出了改善软粘土中能量桩设计和性能的创新框架，研究发表于《热工程案例研究》杂志。

能量桩是内嵌U形管道的混凝土基础构件，导热流体在其中循环并与周围地面交换热能。当连接到地源热泵(GSHP)时，可利用稳定地下温度高效为建筑物供暖制冷。GSHP在地表温度波动时能保持高性能，相比传统空气源热泵在极端天气下效率更高，是极端温度气候的理想选择。

不过，能量桩系统也面临挑战。多数城市建筑材料为软粘土，其渗透性低、导热系数低，热量长期积累会导致热干扰，降低系统效率。

为解决此问题，研究人员采用计算与实验结合的方法，开发了三维传热模型。他们用基于物理的仿真软件COMSOL Multiphysics建立有限元模型(FEM)，模拟嵌入软粘土的能量桩周围传热，并用曼谷试验场的实际数据校准模拟。该模型分析了1到9根桩组在不同每日时间周期(8至24小时)下的运行情况。

Inazumi教授称：“我们开发了简化预测模型，助工程师改进能量桩设计，无需昂贵计算资源或专业知识。”

研究结果揭示了能量桩性能的几个关键问题。成组配置存在可测量的热干扰，密集桩周围土壤温度上升2.18%至15.43%，设计阶段估算此干扰对维持系统效率至关重要。为此，研究引入了实用的乘数因子，工程师可用单桩模拟预测热行为，乘数范围从1.6498到2.9119，可应用于单桩模拟结果，减少对全尺寸有限元分析的需求，提供快速便捷的热性能估算方法。

研究还指出，减少运行时间可延迟温度饱和103小时，5年内使土壤峰值温度降低29%。此外，中心桩比边缘桩更热，表明存在拥挤效应。这些发现表明，可利用乘数和温度图优化能量桩组设计，保持结构完整性并延长系统使用寿命。

该模型在实际应用中潜力巨大，对在软土地基上快速城市化城市工作的工程师至关重要。传统供暖、通风和空调系统既耗能又易受气候影响，此研究提供经实际数据验证的易用模拟快捷方式，降低了东南亚及其他地区采用地热系统的门槛，为更清洁、可持续的未来奠定基础。

Inazumi教授总结道：“我们的研究证明了地热能系统在人口密集城市环境中的可行性和可负担性，解决了区域发展挑战，为全球气候议程做出了贡献。”

更多信息：Thiti Chanchayanon 等人，《软粘土中能量桩群热优化的综合计算与实验评估》，《热能工程案例研究》(2025 年)。