底板下埋管地源熱泵系統(tǒng)的應(yīng)用研究

□文/周大智

底板下埋管地源熱泵系統(tǒng)的應(yīng)用研究

□文/周大智

以天津地區(qū)某建筑底板下埋管地源熱泵系統(tǒng)為研究對象，考慮該地區(qū)地下土壤及地質(zhì)情況與底板下樁間埋管的特殊性，論述了從設(shè)計(jì)到施工全過程中，底板下埋管對主體結(jié)構(gòu)與地源換熱器的影響及解決措施。最終通過該工程的實(shí)踐，總結(jié)了底板下埋管地源熱泵系統(tǒng)的應(yīng)用應(yīng)注意的問題并展望了更優(yōu)的解決方案。

地源熱泵；底板下；埋管

地源熱泵系統(tǒng)正常持續(xù)運(yùn)行的關(guān)鍵是全年從地源側(cè)的吸熱量與釋熱量基本相等。從我國氣候分區(qū)來看，寒冷地區(qū)、夏熱冬冷地區(qū)更適宜地源熱泵系統(tǒng)的應(yīng)用。研究表明，當(dāng)土壤初始溫度在16～20℃之間時(shí)，土壤源熱泵系統(tǒng)冬夏季換熱量大致相當(dāng)比值為（1.41～0.81），能較好地實(shí)現(xiàn)熱平衡。因此認(rèn)為地源熱系統(tǒng)在寒冷及夏熱冬冷地區(qū)既能保證熱泵的工作效率，又能兼顧土壤的換熱平衡，較適合運(yùn)行[1]。

1　工程概況

某項(xiàng)目位于天津市區(qū)，包含2個(gè)地塊。地塊1內(nèi)擬建辦公樓，地塊2內(nèi)擬建商務(wù)酒店；兩地塊之間范圍內(nèi)為城市規(guī)劃的公共綠地，見圖1。地塊1、2界內(nèi)用地線及公共綠地地下空間線范圍內(nèi)連通，為地下汽車庫及附屬設(shè)備用房。地塊1辦公建筑為單棟，地上11層，地下2層，建筑高度54.3m。地塊2建筑由酒店和酒店式公寓兩個(gè)不同功能的高層塔樓與裙房組合而成，兩座塔樓分別為6層和15層，建筑高度分別為35.9、72.0m；裙房3層，建筑高度19.90m，地下2層。項(xiàng)目總建筑面積100 089.21m2，其中地塊1建筑面積23 796.51m2，地塊2建筑面積為36 304.4m2，地下總建筑面積為39 988.3m2。地源熱泵系統(tǒng)用于地塊1辦公樓夏季供冷、冬季供暖。

圖1　工程總平面

2　設(shè)計(jì)時(shí)期預(yù)見的問題及解決措施

2.1埋管形式的確定

目前地源換熱器主要有水平和豎直兩種埋管形式，其中開敞空地下豎直埋管的形式最為可靠，國內(nèi)大部分工程也均采用這種形式。本項(xiàng)目由于地下室邊線緊貼用地紅線，綠地下為平戰(zhàn)結(jié)合的地下室，沒有場地埋管的條件。采用底板下埋管有水平埋管和豎直埋管兩種形式可供選擇，用地紅線內(nèi)面積為23 277.7m2，難以滿足水平埋管對換熱面積的需求，故考慮采用底板下豎直埋管的方式。

設(shè)計(jì)時(shí)考慮建筑主體下工程樁、承臺(tái)等結(jié)構(gòu)部件十分密集，埋管操作面小，埋管空間有限，故將埋管區(qū)域選擇在主塔以外的地下室底板以下，即兩建筑中間及1號地西側(cè)區(qū)域，面積約7 520m2，經(jīng)計(jì)算滿足地源側(cè)換熱需求。為盡量減小對結(jié)構(gòu)樁的擾動(dòng)，將換熱井均勻布置于承臺(tái)間，間距4.2m，同時(shí)豎直及水平管躲避集水坑、支護(hù)樁，每6～10口井用水平管連接為一個(gè)同程環(huán)路接至集管室。由于地下2層為人防區(qū)，不容許穿管，選取四處非人防區(qū)域的樓梯間下部設(shè)置集管室。埋管形式見圖2。

2.2底板下埋管對主體結(jié)構(gòu)的影響及解決措施

施工工序?yàn)楣こ虡妒┕ぃ娱_挖，承臺(tái)施工，地埋管施工，結(jié)構(gòu)底板施工。地源換熱井距離承臺(tái)間距約0.5～1.5m，地源埋管系統(tǒng)施工及運(yùn)行過程中是否會(huì)對整個(gè)建筑結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性產(chǎn)生影響，是整個(gè)設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)最為擔(dān)心的問題。

2.2.1井壁坍塌對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響

埋管井井壁坍塌的主要原因是回填不實(shí)。回填不實(shí)不僅造成井壁坍塌的隱患，也會(huì)降低地源換熱器的換熱效果。影響回填的主要因素有回填材料的選擇，成井效果和回填工藝。根據(jù)熱響應(yīng)試驗(yàn)報(bào)告，結(jié)合以往施工經(jīng)驗(yàn)確定了以水泥、砂、膨潤土、原漿按配比回填并加壓注漿。一次回填后靜置8h，用中砂人工補(bǔ)料回填，再次靜置1d，用碎石封井。成井過程中，要求既要保證成井垂直度，又要控制泥漿護(hù)壁強(qiáng)度，成井后立即下管并回填。施工時(shí)，監(jiān)理單位嚴(yán)格監(jiān)督記錄各井回填量，填料量不應(yīng)小于計(jì)算填料量。

圖2　底板下樁間埋管

2.2.2水平管溝對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響

水平管溝的開挖也會(huì)對基坑支護(hù)樁和止水帷幕產(chǎn)生影響。為此，在滿足敷設(shè)要求的情況下盡量減少管溝的挖深，確定了地下室底板以下開挖600mm，同時(shí)水平管溝開挖一段，埋設(shè)一段，回填一段，盡量減少同時(shí)開挖面積，水平管溝盡量遠(yuǎn)離結(jié)構(gòu)部件，尤其遠(yuǎn)離支護(hù)樁范圍。回填后以適當(dāng)?shù)牧Χ燃皶r(shí)夯實(shí)。同時(shí)支護(hù)設(shè)計(jì)考慮水平埋管時(shí)的不利影響，適當(dāng)加深支護(hù)樁長。施工時(shí)，實(shí)時(shí)監(jiān)測支護(hù)位移。

2.2.3成井過程中導(dǎo)致的粉土層粉砂層流失對結(jié)構(gòu)的影響

經(jīng)過對施工過程及地質(zhì)條件進(jìn)行分析后認(rèn)為，成井過程中63粉土層和82粉砂層易流失，為保證樁的承載力，考慮埋管區(qū)域的工程樁適當(dāng)加長。

2.3底板下埋管對地源換熱器的影響及解決措施

2.3.1建筑物沉降對地源側(cè)換熱器的影響

與傳統(tǒng)場地埋管不同，建筑物底板下埋管需考慮建筑物沉降對管道的應(yīng)力作用，避免因主體結(jié)構(gòu)沉降造成對換熱管道的破壞。首先，必須做好施工組織管理，嚴(yán)格把關(guān)進(jìn)場管材的質(zhì)量，選擇高質(zhì)量且延展性好的管材。施工過程中嚴(yán)格按照GB50366—2005《地源熱泵系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)范》的要求進(jìn)行四次水壓試驗(yàn)。其次，水平管道埋設(shè)時(shí)，在管道上下均敷設(shè)250mm厚黃砂，作為沉降形變的緩沖層。水平管道埋設(shè)時(shí)，減少人為應(yīng)力的作用，不要將管道過于繃直，為形變預(yù)留補(bǔ)償量。水平管道轉(zhuǎn)向處，盡量增大轉(zhuǎn)彎半徑，減少應(yīng)力集中的同時(shí)還減小了水流阻力。水平管道進(jìn)入井室由水平變?yōu)榇怪保撎幾钜资芗羟凶饔茫Q直管道安裝乙字彎，用于吸收緩解剪切應(yīng)力。

2.3.2集管室側(cè)壁穿管處的防水做法

水平管需從地坪以下11.5m處穿入集管室。天津地區(qū)地下水位較高，側(cè)壁穿管處會(huì)承受巨大水壓，若不經(jīng)特殊加強(qiáng)措施，后期運(yùn)行容易導(dǎo)致漏水。穿管處預(yù)埋防水性能好的柔性防水套管，管道與套管間填充質(zhì)量好且遇水膨脹的填料，套管接觸土壤的部分外包防腐材料。穿井壁的防水加強(qiáng)做法見圖3。

圖3　集管室側(cè)壁穿管防水做法

2.3.3長期運(yùn)行的安全保障

設(shè)計(jì)初期，對全樓全年動(dòng)態(tài)負(fù)荷和地源取熱、排熱做了詳細(xì)計(jì)算，地源側(cè)排熱取熱比為1.11，利用TRN SYS模擬軟件對系統(tǒng)運(yùn)行土壤溫度場變化進(jìn)行模擬，20 a后土壤溫度趨于穩(wěn)定，溫度提升了6.15℃。近年來夏季高溫天氣頻繁出現(xiàn)，冬季平均溫度逐年上升，為保證土壤溫度場變化在可控范圍，設(shè)計(jì)考慮設(shè)置2口土壤溫度監(jiān)測井，裙房屋面安裝1臺(tái)閉式冷卻塔，適時(shí)調(diào)節(jié)冷熱平衡。另外，地下1層選定備用機(jī)房，作為應(yīng)急熱源機(jī)房，增加少量成本將系統(tǒng)管道接至應(yīng)急機(jī)房，機(jī)房設(shè)備僅作設(shè)計(jì)，不采購安裝。

3　施工過程遇見的問題及解決措施

盡管在設(shè)計(jì)時(shí)期充分考慮了各種可能出現(xiàn)的問題及解決方案，由于缺乏大面積底板下樁間埋管地源熱泵的施工經(jīng)驗(yàn)，施工過程中依然出現(xiàn)了若干問題。

3.1基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)部件對打井位置的限制

設(shè)計(jì)時(shí)已與結(jié)構(gòu)專業(yè)結(jié)合，豎直及水平埋管均躲避集水坑、支護(hù)樁等。但現(xiàn)場施工時(shí)，整個(gè)基坑結(jié)構(gòu)部件密集，結(jié)構(gòu)部件實(shí)施尺寸大于圖紙上展現(xiàn)的設(shè)計(jì)尺寸，同時(shí)，臨時(shí)使用的支護(hù)樁、降水井對埋管井的布置形成影響。在滿足施工操作面的基礎(chǔ)上，施工時(shí)對埋管井進(jìn)行現(xiàn)場放線定位，當(dāng)遇到局部結(jié)構(gòu)構(gòu)件密集區(qū)時(shí)，對井位進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，在保證打井?dāng)?shù)量不變，井間距離不得＜3.5m的原則下進(jìn)行了局部不多于20%的井位調(diào)整并且通過Transys對減小井間距的工況進(jìn)行了模擬，結(jié)果表明局部將井間距調(diào)整為3.5m后，連續(xù)工作20a土壤溫度場變化不超過1℃，在可接受的范圍。

3.2埋管施工過程中地下水的控制

埋管井采用設(shè)計(jì)回填料回填時(shí)，出現(xiàn)了水泥和膨潤土混合回填料上涌現(xiàn)象，填料未及固化就隨水涌出，經(jīng)人工補(bǔ)料后，井口仍有清水流出，觀測2d，有部分井口塌陷，埋管井周邊降水井水位大幅上升，施工操作面泥濘不堪。

總結(jié)分析：第一，基坑地面泥濘，造成后期埋管施工和底板施工不具備施工條件，同時(shí)基坑降水不能得到有效控制，若隨埋管井施工數(shù)量增加，可能導(dǎo)致地下水不能控制而引起泡槽；第二，埋管井回填不實(shí)，影響結(jié)構(gòu)安全和地源換熱器換熱效果。

分析原因：天津地區(qū)地下水豐富且距離地塊近40m處有河流通過；止水帷幕內(nèi)外高差接近11m，地下水水壓大；場地土層以粉砂土為主，成井過程中，井壁不能形成良好的泥漿護(hù)壁，在水壓作用，會(huì)導(dǎo)致地下水層的貫穿流動(dòng)；回填料中的水泥、膨潤土、原漿中的粉砂，在水流作用下上涌不能有效固化，造成回填不實(shí)，同時(shí)不能有效止水。

分析決定，停止采用混合回填料注漿回填，嘗試采用密度較大的中砂回填并嚴(yán)格控制填料量。經(jīng)試驗(yàn)，中砂回填能有效‘壓住’地下水上竄，井口封閉密實(shí)，降水井水位能得到有效控制。而中砂比例的增大對回填材料的傳熱系數(shù)影響很小。同時(shí)，在已施工滲水嚴(yán)重的井側(cè)設(shè)置倒流盲溝至周圍降水井，最終有效解決了井涌問題。

4　結(jié)論與思考

底板下埋管地源熱泵系統(tǒng)在國內(nèi)已有不少應(yīng)用實(shí)例，但在天津地區(qū)且設(shè)置于深挖地下室以下的實(shí)踐很少。在寸土寸金的城市，這種節(jié)地又節(jié)能的技術(shù)必將成為未來發(fā)展的趨勢。該工程現(xiàn)已完成地源換熱器的施工，地下室底板也已施工完畢。通過實(shí)踐、反思，對未來類似項(xiàng)目的實(shí)施提出以下建議：

1）地質(zhì)條件對埋管井做法及回填料選擇有重要影響，回填料選擇應(yīng)根據(jù)熱響應(yīng)試驗(yàn)報(bào)告、地下水情況、地質(zhì)報(bào)告綜合分析選擇；

2）當(dāng)選擇先開挖基坑，后打井埋管時(shí)，在打井前，應(yīng)首先控制好基坑降水，為埋管施工創(chuàng)造良好的工作面；

3）基坑支護(hù)及止水帷幕設(shè)計(jì)，應(yīng)考慮埋管施工對其影響；

4）地下水豐富地區(qū)，應(yīng)優(yōu)先考慮在場地地坪打井埋管，當(dāng)采用先開挖后埋管方式時(shí)，中砂回填能有效控制地下水井涌。

[1]宋胡偉，劉金詳，陳曉春，等.不同地區(qū)土壤溫度及建筑負(fù)荷特性對地源熱泵系統(tǒng)的影響[J].建筑科學(xué)，2010，26（8）：71-76.

□DOI編碼：10.3969/j.issn.1008-3197.2015.03.002

□TU831.3

□C

□1008-3197（2015）03-03-03

□2015-03-16

□周大智/男，1962年出生，高級工程師，天津市安居工程辦公室，從事大型工程實(shí)施組織管理工作。