地下水流动是影响浅层地热能系统运行效率与长期稳定性的关键水文地质因素，直接关系到能源地下结构换热性能、热积累效应以及长期运行周期安全性与可持续性。然而，非侵入式、实时地获取能源地下结构周围地下水流速信息，仍然是浅层地热能应用与工程地质领域面临的核心挑战。传统的抽水试验、示踪剂法或主动热示踪方法，往往依赖额外钻孔或专用监测设施，成本高、实施条件受限，且难以满足能源地下结构系统长期、动态运行调控的需求。
针对上述关键问题，永利官网张丹教授研究团队提出了一种基于能源桩全运行周期热响应的地下水流速反演理论与方法框架。该研究基于能源桩在制热、制冷及自然恢复全过程中的温度演变特征，建立了考虑地下水对流效应的全周期能源桩–地下水热响应理论模型（Full-Cycle Energy Pile–Groundwater, FC-EPG），并建立了一种多阶段多参数联合反演的地下水流速估算方法，见图1。该框架充分利用能源桩自身运行过程中产生的温度响应信息，为地下水渗流场的定量反演提供了一条新的技术路径。结果表明，该多阶段反演框架在不同运行模式下均表现出良好的稳定性与反演精度，见图2。充分考虑了恢复过程中的桩体储热效应，混凝土桩在主动运行结束后仍持续释放储存的热量，从而改变了恢复阶段的温度演变特征。通过引入热能积分指标（GTLR），研究对地下水参与下的热量迁移与能量损失过程进行了定量表征，为反演结果的物理解释提供了明确依据，见图3。此外，通过对恢复阶段温度响应曲线与热储能量的对比分析，研究进一步揭示了不同流速与运行工况下能源桩热储效应的变化特征，为多阶段反演结果的物理合理性验证提供了直接证据，见图4。
上述研究成果为能源桩系统运行状态下地下水渗流场的实时监测与工程调控提供了理论基础和技术支撑，对高效利用浅层地热能及揭示相关工程地质问题具有重要意义。该成果近期以 “Estimation of Groundwater Flow Rates based on the Thermal-Hydro Response of Energy Pile: A Multi-Stage Inversion Framework with Optimisation Algorithm” 为题，发表于中科院一区TOP期刊《Energy》。论文第一作者为永利官网博士研究生王皓宇，通讯作者为张丹教授。该研究工作国家自然科学基金2077233）、江苏省前沿技术研究与开发计划（BF20250008）以及江苏省交通运输科技项目（2025Y01）的支持。
论文信息：Wang, H., Zhang, D., Yang, B., Lin, K., 2025. Estimation of groundwater flow rates based on the thermal-hydro response of energy pile: A multi-stage inversion framework with optimisation algorithm. Energy 341, 139528. https://doi.org/10.1016/j.energy.2025.139528
图3 地下水流速对能源桩温度累积效应、热能传输及能量损失的影响
图4 能源桩热储效应的表征及其定量特征