熱交換樁工藝及其應用問題的討論

張思淵 劉 皓 曹加喬

1 熱交換樁

1.1 熱交換樁的概念

將常規建筑樁基礎中的基樁和地熱交換器結合起來,就產生了一種新型的基礎樁形式,這就是熱交換樁,也稱之為能量樁,是一種在滿足常規樁基力學功能的同時還能通過樁體實現與淺層地能的熱交換,起到樁基和地源熱泵[1]預成孔直接埋設管狀換熱器的雙重作用。它把地下U形管換熱器埋于建筑物樁基中,使其與建筑結構相結合,充分地利用了建筑物的面積,通過樁基與周圍大地形成換熱,從而減少了鉆孔和埋管費用。

1.2 熱交換樁的基本形式

1.2.1 根據熱交換器埋設方式劃分

根據熱交換樁其中換熱器形式的不同,可分為單U形管式、雙U形管式、多U形管式和W 形管式[2]。

1.2.2 根據基樁性質的不同劃分

根據基樁施工工藝的不同,熱交換樁可分為預制樁和現澆樁兩種形式。從以上的分析可以看出,在各種類型的預制樁中埋放地熱交換器都可以作為熱交換樁,如預制混凝土方樁、預應力管樁、鋼管樁等等。

1.2.3 鉆孔灌注樁形式的熱交換樁

我國現在主要以鉆孔灌注樁形式為主。此種方法是將換熱管先固定在建筑物地基的預制空心鋼筋籠中,然后隨鋼筋籠一起下到樁井中,再澆筑混凝土。通過管狀換熱器系統中的交換流體與混凝土樁體、樁周土——地基土及地下水系統進行熱交換,形成封閉式地源熱泵的地熱能交換器,見圖1。

2 鉆孔灌注樁形式的熱交換樁施工工藝

1)鋼筋籠的制作。在整個制作過程中,保證PE管牢固地固定在籠中是最關鍵的,距底部應留有1 m～2 m的距離。鋼筋籠的結構要堅固,以保護換熱單元不受損壞。加固管的鋼筋籠結構要足夠的堅固,以保護換熱單元不受損壞,由于在澆筑混凝土的過程中,很有可能是PE管在垂直方向上發生移動,所以需要在鋼筋籠的底部焊接橫向的支撐,最好是整個鋼筋籠整體制作,PE管整體固定,當樁深過大使施工難度加大時,可分段下籠分步進行鋼筋籠的固定。2)系統試壓。在澆筑之前,應先進行壓力測試。如果混凝土的灌注是分層進行,則需在每一個階段進行壓力測試。在每個換熱單元管路的起始和末端應安裝浮球閥和壓力表,增大管路壓力至測試壓力,以檢驗管路的完整性。在整個澆灌過程以至混凝土達到堅固的幾天后,都要保持這個壓力,這樣做是為了使PE管承受住澆灌混凝土時的壓力,以免于壓扁而影響整個管路的循環。在連接分集水器以及系統全部安裝完畢后還要進行兩次測壓。3)樁施工及灌注。澆筑混凝土要格外謹慎,應使用導管將混凝土引至孔底。在導管的安置與提升過程中,要始終保持垂直和居中,這樣才有利于導管周邊阻力以及混凝土充實樁體時的流動壓力相對均勻,不致掛籠或其他異常故障發生。在澆筑過程中,要防止露筋現象的出現。露筋不但會使鋼筋籠生銹,也將會給建筑基礎造成很大隱患。灌注前一定要用清水稀釋泥漿,并掏出部分沉淀的泥石渣,使鋼筋籠外側的混凝土能正常頂升。有可能的話,應當采用受力面較大的混凝土弧形墊塊裝置,這樣可以有效地防止露筋現象的出現。4)管道敷設。5)回填。

3 熱交換樁的應用及其關鍵問題

3.1 熱交換樁的應用和發展情況

熱交換樁是一種經濟、環保、節能的新技術。在歐洲和日本等發達國家有了一定的應用[4],例如,德國法蘭克福機場大樓、奧地利某康復中心、瑞士蘇黎世機場大樓、日本札幌市立大學護理學院新樓都成功地采用熱交換樁系統,取得了良好的經濟效益。Brandl總結了奧地利1984年～2004年間熱交換樁的使用情況。合計約300幢建筑物采用了熱交換樁系統,共2萬多根。熱交換樁系統在我國應用較少,目前在南京和溫州有工程采用了類似的技術。

3.2 熱交換樁應用中的關鍵問題

1)熱交換樁的適用條件。從理論上來講,熱交換樁可以用于大多數采用樁基的建筑物中,但為保證地源熱泵和空調系統的高效運轉,通常要保證地面和地下溫度差在15℃以上。在我國,熱交換樁特別適用于夏熱冬冷地區[5],該地區包括上海、重慶2個直轄市,湖北、湖南、江西、安徽、浙江 5個省,四川、貴州兩省東半部,江蘇、河南兩省南半部,福建省北半部,陜西、甘肅兩省南端,廣東、廣西兩省區北端,共涉及16個省、自治區、直轄市,面積約180萬km2,居住人口5.5億人,國民生產總值約占全國的48%。這些地區是我國人口最密集,經濟、文化較為發達地區,政治、經濟地位極為重要,非常適合熱交換樁的使用和推廣應用。2)熱交換過程對樁周土體性狀的影響。換熱器的換熱性能對熱交換樁系統性能有決定性的作用,而巖土的熱特性是決定熱交換樁系統功能的主要因素之一,對巖土熱特性的研究是地源熱泵中換熱器研究中必須首先解決的問題。土是一種多孔介質,含水多孔介質的傳熱和傳濕是一種比較復雜的熱濕傳遞現象。溫度梯度的存在會引起巖土中水分的遷移,進而改變巖土的物性參數,包括巖土的力學特性和傳熱特性。當土體含水率增加時,密度相應提高,導熱系數也相應增加。比熱也是隨著巖土含水率的提高而提高的。因此,開展溫度對巖土力學性狀的試驗研究,并建立熱—力耦合的本構關系,是分析熱交換樁性狀的基礎。3)樁基沉降對熱交換器的影響。不同于常規地源熱泵中的埋管,熱交換樁在進行地熱交換的同時,需要承擔建筑物上部的荷載,因此,樁基沉降是熱交換樁系統中一個突出的問題。尤其對于較高層的建筑來說,由于樁的沉降比較大,將在換熱器的管路中產生很大的張力,如果張力過大,將拉斷管路,使整個系統癱瘓。因此,在使用和設計熱交換樁系統時必須考慮到地基變形對其的影響。

對此我們進行了一些樁基沉降原因的分析:a.樁身壓縮量;b.樁端荷載引起的樁底土體壓縮;c.樁端平面所產生的沉降。而起主要作用的因素為a.,b.點。對于樁身的壓縮,沉降是無法避免的,我們只能夠盡量減弱其影響。對于PE管的選擇我們一定要把好關,保證其能達到要求的承壓值;在施工中,應該注意施工質量,合理的選擇樁徑,樁長和長徑比;在下籠之前,可先進行樁底壓漿,可以有效控制樁頂沉降,提高灌注樁承載力。而這樣仍然不能完全消除沉降的影響,我們可以在垂直埋管和水平埋管的連接處使用一定長度的軟接口(高度以樁沉降的計算值為準),當樁沉降時,可以將沉降的影響用軟接口的伸長來抵消。

4 結語

地熱是一種可再生能源,但是利用地埋熱交換器技術開發土壤能源卻受到了土地面積有限,成本過高等因素的影響。所以我們將建筑物的樁基礎和地埋熱交換器相結合,可以大大節約成本,提高效率。本文全面的介紹了熱交換樁技術的工作原理及施工工藝,指出了實際應用中的關鍵技術問題及其研究的方向。從本文的分析可以看出,將地源熱泵與樁基礎相結合是一種經濟、環保、節能的新技術,值得推廣使用,但是由于目前熱交換樁的理論遠落后于實踐,需要對此進行系統地研究和分析。

[1] 仲 智,唐志偉.樁埋管地源熱泵系統及其應用[J].可再生能源,2007,25(2):94-96.

[2] 于 闖,潘林有,劉松玉,等.熱交換樁作用機制及其應用[J].巖土力學專刊,2009,30(4):933-937.

[3] 陳海振.鉆孔灌注樁內地源換熱器埋管的樁基設計和埋管方式探討[J].浙江建筑,2009,26(3):59-61.

[4] 胡鳴明,劉憲英.國外地源熱泵的發展歷史與設計方法[J].四川制冷,1999(2):20-23.

[5] 程群英,羅明智,孫純武,等.地源熱泵夏季研究[J].湖南大學學報,2004,27(2):62-64.