能源桩是地源热泵系统一种新的结构形式,即将换热管埋置在建筑结构的桩基中,使之成为承载和换热双重功能的结构体。能源桩由于桩土较好的导热性能和较大的换热截面,比传统地源热泵系统换热效率更高,换热性能更好。将换热管埋置在桩基中,解决了传统地源热泵系统占地面积大和成本高等问题。能源桩所利用的浅层地热能属于可再生清洁能源,具有广泛的应用前景。然而,目前国内外对影响能源桩换热性能因素的影响效率未见进一步的深入研究,造成了能源桩在实际应用过程中的换热性能波动较多。针对上述问题,本文采用理论分析和数值模拟的方法对影响能源桩换热性能的因素进行了系统的研究,建立了一个三维瞬态有限元数值模型,分别探讨了各个因素对能源桩换热性能的影响和各个因素的相对关键程度,以优化能源桩的设计,改善能源桩的换热性能。本文的研究主要得出以下结论:(1)为研究能源桩的换热过程,利用Comsol Multiphysics有限元仿真软件建立了能源桩的三维瞬态有限元数值模型,分别比较了W型、双流量W型、单U型、双U型等不同管型设计的能源桩换热性能差异,并用原位试验数据验证了模型的准确性,所建立的模型可用于模拟能源桩中循环介质、混凝土桩、岩土体的热交换过程,同时分析能源桩换热性能的影响因素。(2)为研究影响能源桩对流换热各个因素的关键程度,通过数值结果分析各个因素在相同条件下的出口温度和单位换热量。结果表明:各个因素的关键程度为管型>进口温度>循环介质流速>管内径>支管间距>管壁厚度。(3)为研究影响能源桩传导换热各个因素的关键程度,通过数值结果分析各个因素在相同条件下的出口温度和单位换热量。结果表明:各个因素的关键程度为初始地温>桩长>混凝土导热系数>管壁导热系数>岩土体导热系数>桩径。(4)为研究地下水对能源桩换热性能的影响,在原来模型基础上耦合地下水分布场,完善后的模型分析了地下水对桩和桩周岩土体温度场的影响,考虑了地下水流速和地下水位对能源桩换热性能的影响,最后分析了地下水对不同运行工况的影响。结果表明:地下水会显著改变桩和桩周岩土体温度场;地下水对能源桩无疑是有利的,越浅的地下水位能源桩的换热性能越好,实际工程不可忽视地下水流速和地下水位的影响。