現澆大直徑基坑支護能量蓄水管樁能量交換系統研究

胡莊，胡俊*，汪磊，夏京，王志鑫，曾東靈,佳琳

(1.海南大學 土木建筑工程學院，海口 570228；2.中鐵時代建筑設計院有限公司，安徽 蕪湖 241001；3.海南省水文地質工程地質勘察院，海口 570206)

0 引言

隨著我國城鎮化建設的發展，建筑能源消耗巨大，資源量已明顯不足，且環保問題成為發展的一大阻礙。因此，發展綠色建筑、提高能源利用效率成為現代建筑的一大發展方向。能量樁地源熱泵系統作為集地熱能交換系統、水源熱泵機組以及建筑物系統于一體的能量交換系統，具有節約鉆孔費用、節省占地面積、提高換熱效率及有效縮短施工工期，在橋梁工程中能夠有效防止橋面板結冰等優勢，越來越多應用到實際工程。

劉漢龍等[1]分析了基于地源熱泵技術的能量樁技術原理、樁型、埋管形式及技術經濟優勢，并提出一種新型 PCC 能量樁技術及其施工工藝；分析了能量樁技術在國家節能減排工程中的應用前景。黃旭等[2]將 PCC 能量樁放置在砂土中，施加溫度場，模擬 PCC 能量樁在實際運行過程中的承載力特性與受力機制，結果表明，能量樁換熱過程中，熱量更容易從樁體傳向土體；熱循環及制冷循環都明顯改變了樁頂位移值，且往復循環作用下產生的塑性變形不能完全恢復，其積累變形可能危害上部結構安全；樁身受溫度場作用產生的熱應力相對較大，應在設計中充分考慮塑性變形和溫度應力。史曉冬等[3]對樁基埋管換熱器及埋管形式進行研究，提出該技術在我國的應用前景廣泛。張方方等[4]研究樁埋管換熱器的布置方法，介紹了以能量樁地源熱泵復合式系統作為冷熱源的實際工程，結果表明，能量樁地源熱泵系統具有較好的節能效應。但樁基埋管存在傳熱面積較小，易形成“熱短路”等缺點，而螺旋盤管避免了這一缺點。劉俊等[5]對深層地源熱泵系統進行實驗測試，并建立數值模型，優化深層地埋管管井結構，結果表明，適當增加外管徑，減小內管徑有利于深層地埋管換熱器換熱，內管敷設保溫層可有效地降低套管換熱器的換熱損失，但流量較大時，過長的保溫層對套管的換熱作用不明顯，研究結果對深層地源熱泵系統的推廣以及深層地埋管換熱器的設計具有重要的意義，但地埋管相較于螺旋盤管有鉆井費用較高的缺點。陳燦等[6]探討了樁基埋管地源熱泵系統在大型公共建筑中的應用方式，結果表明，地源熱泵承擔空調熱負荷的比例可達到20%，滿足江蘇省公建標準對甲類公建可再生能源利用量的要求，但樁基埋管本身存在著的缺點，并未得到解決。羅新立[7]探討了地源熱泵系統在建筑工程中的應用價值，研究表明地源熱泵系統具有節能性、可再生性、易維護性及環境效益性等特點，將其應用于實際建筑工程中，可更加高效、安全、快速地完成建筑采暖任務，進而從根本上推動整體建筑領域未來發展的節能化、現代化與可持續化。

地表水源熱泵系統是利用地球表面水源，如河流、湖泊或水池中的低溫低位熱能資源, 并采用熱泵原理, 通過少量高位電能輸入, 實現低位熱能向高位熱能轉移的一種技術。本文利用地源熱泵技術結合能量樁，組成地溫交換系統，利用地下淺層地溫能，用水作為載體進行循環的溫度交換，從而對會議廳、餐廳和多功能廳等“大空間建筑功能分區”的建筑空間進行供暖或制冷[8]。

1 技術特點

現澆大直徑基坑支護能量蓄水管樁是一種新型的空心支護樁，它不同于常規的重力式水泥土墻、復合土釘墻等。重力式水泥土墻等存在適用范圍窄、變形大，只適用于安全等級低、變形要求低的基坑。空心支護樁改變了現有工法的局限性，其特點如下：

(1)把臨時工程的效益發揮到建筑的全生命周期。

(2)成為承載其他功能的載體(而不是僅僅承載荷載)。

(3)直接綜合造價沒有明顯提高，甚至有所下降。如同“智能穿戴設備”為每個人提供專屬的、個性化的服務，改變了載體的部分功能性質。

空心支護樁為綠色建筑提供新方向，新建筑模式在新一代“海綿城市”理念中可以占據主導地位[9-10]。

此次現澆大直徑基坑支護管樁及地溫交換系統中，能量樁和海綿城市的功效主導都是空心樁，空心樁是本研究中最核心所在。

2 工作原理及系統設計

2.1 地源熱泵與能量樁

地源熱泵技術，是利用地下的土壤、地表水、地下水溫度相對穩定的特性，通過消耗電能，在冬天把低位熱源中的熱量轉移到需要供熱或加溫的地方，在夏天可以將室內的余熱轉移到低位熱源中，達到降溫或制冷的目的。地源熱泵原理圖如圖1所示。

圖1 地源熱泵原理圖

建筑物建造時，直接將地源熱泵系統地埋管換熱器的塑料換熱管埋設在建筑物的混凝土樁基中，使其與建筑結構相結合，這樣就成為一種新型的地埋管換熱器，稱為樁基埋管地熱換熱器，也稱作能量樁，如圖2所示。

圖2 能量樁原理圖

現澆大直徑基坑支護能量蓄水管樁能量交換系統是將地源熱泵與能量樁的技術相結合，將現澆鋼筋混凝土大直徑支護管樁設計成空心管狀結構，利用地下淺層地溫能，用水作為載體進行循環的溫度交換，從而對會議廳、餐廳、多功能廳和辦公室等建筑空間進行供暖或制冷[11-13]。

2.2 能量交換系統

現澆大直徑基坑支護能量蓄水管樁能量交換系統現場設備如圖3所示，主要包括管樁內盤管、風機和連接管。盤管高1 m置于樁底，用于吸收樁底低溫水冷量；連接管用于將盤管與風機連接成一個循環回路運輸能量，其外設置有保溫層防止冷量損失；風機型號為HFCS04，輸入功率53 W，實現將地底低溫向室內傳遞。

圖3 能量交換系統現場設備示意圖

能量交換系統作業流程如圖4所示，首先進行前期施工準備，然后分別安裝能量交換系統、空調系統和監測系統。安裝調試正常后，先后分別進行：空調系統運轉、不加冰情況下能量交換系統運轉以及加冰情況下能量交換系統運轉，并用測溫儀分別對其做實時監測。最后對比分析不同系統、不同條件下的制冷效果，以及對周圍土體溫度的影響。

圖4 能量交換系統作業流程圖

3 工程實例及制冷量計算

3.1 工程概況

擬建蕪湖市中醫院中醫傳承與創新研究中心綜合樓為 10 層建筑，建筑高度 42.6 m，建筑面積15 245.4 m2，擬采用框剪結構、鉆孔灌注樁基礎；培訓考核用房為2層建筑，建筑高度9.3 m，建筑面積 3 242.0 m2，擬采用框架結構、鉆孔灌注樁基礎；規培宿舍為5層建筑，建筑高度20.0 m，建筑面積 3 876.5 m2，擬采用框架結構、鉆孔灌注樁基礎；地下車庫為2層，基坑長約100 m，寬約78 m，面積約7 800 m2，基坑開挖深度約9.4 m。

3.2 土層參數

能量樁埋深為9 m，根據勘測報告可知所在土層主要為粉質黏土層和淤泥質粉質黏土層，表1為能量樁所在土層與文獻[8]中同埋深土層主要力學參數。對比可知工程實例土層與文獻[8]中土層屬于同類型土，主要力學參數相近，文獻[8]中土層參數可供本文參考。

表1 土層主要力學參數

3.3 制冷量計算

結合工程實例，假設某工程場地長約110 m，寬約80 m，建筑基底占地面積約8 800 m2，利用樁內部空間作為制冷制熱蓄熱空間，本工程末端實驗集裝箱面積約15 m2，能量系統的樁所占面積為4 m×4 m(長×寬)，集裝箱內溫度達到40 ℃，地埋管換熱器的塑料換熱管出水溫度初始約為20 ℃，回水溫度約為22.5 ℃。初步測試風機盤管出口溫度可以達到26 ℃。循環水泵流量為1.9 m3/h。

15 m2集裝箱所需制冷量計算如下

Q=CmΔt=4.18×1.9×1 000/3 600×(22.5-20)=5.5 kW。

式中：C為比熱容；m為水流質量；Δt為塑料換熱管出水溫度與回水溫度之差

建筑基底面積理論可制冷總量：

Q=8 800/16×5.5=3 025 kW

按照風機盤管出口溫度可以達到26 ℃計算，理論可以供末端使用面積為：

F=3 025/5.5×15=8 250 m2。

現澆大直徑基坑支護能量蓄水管樁能量交換系統原理如圖5和圖6所示。

圖5 空調能量輸配系統簡圖

圖6 空調能量輸配平面圖

4 溫度場數值模型的建立

4.1 計算基本假定

數值模擬基本假設如下：

(1)假設實際工程中管樁位置附近土體為各土層皆水平分布。

(2)土層假設為均質、熱各向同性材料。

(3)土層初始溫度場假設為均勻，初始溫度設為20.25 ℃(根據現場實測情況擬合獲得，現場地溫如圖7所示)。

圖7 現場地溫實測圖

(4)將水循環溫度荷載沿管樁自上而下縱向分為6個等級，自上而下依次為1、2、3、4、5、6，每個等級縱向高度為1.5 m，溫度荷載直接加到管樁管壁上，如圖8所示。

圖8 溫度荷載布置圖

(5)計算區域內邊界溫度為蓄水管樁內水溫，計算區域外邊界處熱流密度始終為0，即為絕熱邊界。

(6)參考工程所在地的勘察報告[9]，工程所在地的工程地質和水文地質條件較好，周圍環境沒有地表水和地下潛水，能量樁所在土層較為干燥，滲流對于其影響甚小，忽略地下滲流的影響[16-19]。

4.2 計算模型和參數選取

圖9為模型的幾何尺寸及網格劃分后示意圖。本文基于管樁深度長為9 m來建立三維溫度場數值模型，取土體幾何尺寸為：縱向長度(X軸方向)×橫向寬度(Y軸方向)×垂直深度(Z軸方向)=6 m×6 m×12 m；能量樁頂面圓環面位于土體上表面，圓環外徑1.5 m、內徑1 m、圓心為幾何原點，沿Z軸方向深度為9 m。

圖9 模型幾何尺寸及網格劃分示意圖

網格劃分為按長度劃分：外面土體單元邊長為0.25 m，里面管樁單元邊長為0.05 m。

土體和管樁材料參數見表2[14，20]。

表2 土體及管樁材料參數

原始地溫取20.25 ℃，計算的管樁殼體外邊界為熱荷載邊界，現場實測溫度做邊界溫度荷載，因不同深度實測溫度存在明顯差別，故將其簡化為自上而下6個等級，加冰(即降低盤管所處水位溫度至17 ℃)與不加冰(即盤管所處水位溫度為21 ℃)荷載亦有差別，具體邊界荷載見表3和表4。

表3 不加冰情況下邊界溫度荷載

表4 加冰情況下邊界溫度荷載

根據現場實測時間，取時間步為14 d，每一步時長為0.5 h；整個溫度場數值模型為帶相變的瞬態溫度場模型。

5 溫度場數值計算結果分析

5.1 能量交換系統溫度場發展情況

圖10(a)、圖10(b)分別為總時長為7 h，能量交換系統在加冰與不加冰情況下Y=0剖面溫度場分布云圖。

從圖10(a)可以看出：由于所加6個等級溫度荷載均大于原始地溫20.25 ℃，管樁自下而上對周圍土體溫度影響范圍逐漸增大；而通過圖10(b)可以看出，管樁對于土體的溫度影響分為2個部分，結合表2加冰情況下邊界溫度荷載分析可知，上半部分(即樁頂至樁深4.5 m部分)管樁溫度荷載高于原始地溫(20.25 ℃)，管樁對地溫釋放熱量，下半部分(即樁深4.5 m至樁底部分)管樁溫度荷載低于原始地溫，管樁吸收熱量，釋放冷量。

圖10 剖面 Y=0處溫度場云圖

由此看出加冰與不加冰情況下7 h內管樁對土體的影響范圍在樁周圍1 m以內。

選取了4個具有代表性的溫度并畫出其等溫線圖如圖11所示。18 ℃為地底(即樁底附近)平均溫度，20.25 ℃為設定的原始地溫(樁身周圍土平均溫度)，為了更好對比加冰和不加冰2種條件能量樁對于周圍土體影響，設置了26 ℃和30 ℃的等溫線。

圖11 4種不同溫度的等溫線圖

由圖11(a)可以看出：圖中并沒有18 ℃對應的等溫線，即在不加冰的情況下，管樁周圍土體溫度不會低于18 ℃；20.25 ℃等溫線遍布整個樁身；26 ℃等溫線主要分布在管樁上半部分；而30 ℃等溫線則集中于樁頂部附近(即樁頂至樁深1.5 m處)。

由圖11(b)可看出：圖中沒有30 ℃對應的等溫線，這表明在能量交換系統運行7 h后，能量樁周圍附近土體溫度均在30 ℃以下。

實際情況是地表溫度在7 h后仍高于30 ℃，但本模型對土體邊界絕熱做了簡化處理，所以地面以上高溫影響不到模型土體的上表面。根據經驗及實驗表明：簡化處理并不影響地面以下溫度場發展，故不考慮外界溫度影響。

圖11(b)中樁深6～9 m分布有18 ℃等溫線，這表明周圍土最低可達到18 ℃以下；20.25 ℃等溫線分布在能量樁下半部分；26 ℃等溫線分布在樁頂至樁深1.5 m處附近。

由于所加溫度荷載基于現場實測數據，所以等溫線圖直觀清晰地反映了能量交換系統運行時管樁中溫度交換對于周圍土體溫度的影響。

5.2 各影響因素對溫度場的影響

影響溫度場的因素眾多，選取土體導熱系數、相變潛熱和原始地溫這3個因素進行分析。在分析各個因素變化對溫度場影響時，保持其余參數不變，采用前面不加冰情況下的溫度場數值計算模型，選取有代表性的1號和2號2個分析點的溫度變化情況來分析不同因素的影響規律。1號分析點坐標為(-2，0，-0.75)，2號分析點坐標為(2，0，-6.75)，其具體位置如圖12所示。

圖12 分析點位置

5.2.1 導熱系數的影響

以表2中粉砂、細砂層的導熱系數為基數分別減小和增大20%和40%，計算結果如圖13所示。

圖13 不同導熱系數1號、2號分析點溫度隨時間變化曲線

由圖13可見：1號分析點和2號分析點各個曲線幾乎重疊，表明不同導熱系數對于土體溫度變化影響幾乎無差別，這是由于溫度荷載所加時間較短，不同導熱系數對土體溫度變化影響尚未體現出來。

5.2.2 比熱的影響

以表2中粉砂、細砂層的比熱為基數分別減小和增大20%和40%，計算結果如圖14所示。由圖14可知：不同比熱對于土體溫度變化影響幾乎沒有差別，對比圖13可以看出，2個分析點所在位置溫度變化不受比熱和導熱系數影響，原因也是因為溫度荷載所加時間僅為7 h，影響尚未體現。

圖14 不同比熱1號、2號分析點溫度隨時間變化曲線

5.2.3 原始地溫的影響

原始地溫分別取5、10、20.25(不變)、30、40 ℃，計算結果如圖15所示。

由圖15可知：原始地溫變化對該溫度場有顯著的影響，當原始地溫升高，土體周圍溫度顯著升高。原始地溫為5 ℃和10 ℃時，1號、2號分析點溫度隨時間增加，且1號分析點溫度增加更明顯，這是由于1號點位置更接近管樁頂部，受到管樁頂部較高溫度的影響所致。

圖15 不同原始地溫1號、2號分析點溫度隨時間變化曲線

6 結論

(1)現澆大直徑基坑支護能量蓄水管樁能量交換系統是將地源熱泵與能量樁的技術結合應用，將現澆鋼筋混凝土大直徑支護管樁設計成空心管狀結構，利用地下淺層地溫能，用水作為載體進行循環的溫度交換，從而對會議廳、餐廳、多功能廳和辦公室等建筑空間進行供暖或制冷。

(2)假設某工程場地長約110 m，寬約80 m，建筑基底占地面積約8 800 m2，使用面積環境溫度為40 ℃，風機盤管出口溫度為26 ℃，則理論可以供末端使用面積為8 250 m2。

(3)管樁自下而上對周圍土體溫度影響范圍逐漸增大且分為2個部分，上半部分(即樁頂至樁深4.5 m部分)管樁溫度荷載高于原始地溫(20.25 ℃)，管樁對地溫釋放熱量；下半部分(即樁深4.5 m至樁底部分)管樁溫度荷載低于原始地溫，管樁吸收熱量，釋放冷量。

(4)加冰與不加冰情況下7 h內管樁對土體的影響范圍在樁周圍1 m以內；無論是加冰還是不加冰的情況下其樁身溫度均保持在16～36 ℃，對樁身鋼筋混凝土結構無影響。因此可以推斷出現澆大直徑基坑支護能量蓄水管樁技術的應用上，地下水溫對于能量樁樁身結構無影響。

(5)不同導熱系數和比熱對于土體溫度變化幾乎無影響，這是由于溫度荷載所加時間較短，對土體溫度變化影響尚未體現出來。原始地溫變化對該溫度場有顯著的影響，當原始地溫升高，土體周圍溫度顯著升高，地下水溫隨之升高，導致制冷效果降低。