新型能量樁技術開發(fā)初探

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1、引言

地源熱泵技術是利用地下的土壤、地表水、地下水溫相對穩(wěn)定的特性，在夏天將室內(nèi)的余熱轉(zhuǎn)移到低位熱源中，在冬天把低位熱源中的熱量轉(zhuǎn)移到需要供熱或加溫的地方，達到降溫或制冷的目的。地源熱泵技術比傳統(tǒng)鍋爐技術節(jié)省70%以上的能源和40%～60%的運行費用；在制冷時，地熱泵技術要比普通空調(diào)節(jié)能40%～50%，運行費用降低40%以上。

能量樁是一種樁埋管形式地源熱泵技術與傳統(tǒng)樁基礎相結合的經(jīng)濟、高效、節(jié)能減排的新技術。通過在樁基礎中埋設各種形狀的換熱器裝置，進行淺層低溫地熱能轉(zhuǎn)換，在滿足常規(guī)樁基力學功能的同時還能通過樁體實現(xiàn)與淺層地能的熱交換，起到樁基和地源熱泵預成孔直接敷設埋管換熱器的雙重作用。工程樁埋管的使用，可減少建筑物周圍鉆孔的數(shù)量，縮短工期，降低成本，提高施工效率，節(jié)約建筑用地，減少埋管需要的地面面積，避免后期擴建工程對地下?lián)Q熱器的損壞。混凝土或者鋼材料的樁體作為傳熱管的回填材料，密實性高、與大地的接觸更好、接觸熱阻小、傳傳遞與交換效率更高。能量樁系統(tǒng)中傳熱管被澆注在樁體內(nèi)部，回填材料可理解為混凝土，密實性好；較豎直埋管形式有較好的傳熱性能，從而在等量熱傳遞情況下可以減少埋管的長度。目前已有的樁基埋管換熱器主要有單U型、W型、雙U型和單螺旋形等形式。

2、能量樁研究進展與存在的主要問題

2.1、研究進展

在現(xiàn)場試驗方面，相關研究人員開展了灌注樁、預制樁以及鋼管樁中埋設換熱管的現(xiàn)場靜載荷試驗研究，并測得現(xiàn)場數(shù)據(jù)，為分析能量樁熱力學特性和傳遞機理提供第一手資料?；诂F(xiàn)場所獲得的數(shù)據(jù)以及傳熱模型，相關學者提出了一種適合于樁基螺旋埋管的傳熱模型，并給出了一維實心圓柱面熱源傳遞模型的解析解；通過搭建的實驗平臺，對數(shù)值模型和解析模型進行驗證分析。

與其他樁型相比，預制樁由于在樁運輸、打入過程中可能會對傳熱系統(tǒng)造成損壞，因此應用相對較少；鋼樁具有很好的熱傳導性能，但是鋼管樁本身的造價很高，在建筑工程中應用不多；鋼筋混凝土樁具有較大的熱量存儲能力和較好的熱傳輸性能，因此在全世界范圍內(nèi)應用最廣。

2.2、目前存在的主要問題

鋼筋混凝土灌注樁需要將傳熱管道與鋼筋籠一起綁扎，埋設在混凝土中，傳熱管道與混凝土模量相差較大，樁基受力變形時，在傳熱管道孔洞處容易產(chǎn)生應力集中，影響樁基的受力，且管道埋設于混凝土中，不能檢修、維護和回收利用。灌注樁中在鋼筋籠上綁扎傳熱管的埋設方式，不僅影響灌注樁中混凝土體積，而且增大了鋼筋籠被腐蝕的風險，從而影響樁基承載力和耐久性。因此，在傳統(tǒng)能量樁形式的基礎上，開發(fā)出一種具有良好埋管形式的新型能量樁具有重要的意義。

3、新型樁埋管能量樁技術開發(fā)

為了克服灌注樁鋼筋籠側(cè)壁綁扎傳熱管影響混凝土振搗密實，傳熱管與鋼筋籠之間容易留空隙而引起鋼筋腐蝕，且綁扎在鋼筋籠側(cè)壁的傳熱管在混凝土振搗密實過程中存活率低等技術問題，開發(fā)一種施工干擾小、技術合理的地源熱泵灌注樁鋼筋籠內(nèi)埋管的施工方法，有效解決傳熱管與鋼筋籠之間的互相影響，避免傳熱管的埋設對減少樁基整體承載力影響等技術難題[9]。

由鋼管替代傳統(tǒng)的實心鋼筋作為鋼筋籠主筋，傳熱管埋設在鋼管內(nèi)；樁埋管形式可采用單U形埋管、雙U形埋管和W形埋管形式。其特征在于：傳熱管埋設在鋼管內(nèi)，鋼管替代傳統(tǒng)實心鋼筋作為鋼筋籠主筋；當樁埋管為單U形時，聯(lián)合鋼管和實心鋼筋作為主筋，鋼管內(nèi)的傳熱管用雙接頭聚乙烯彎管連接；當樁埋管為雙U形時，全部用鋼管替代實心鋼筋，鋼管內(nèi)的傳熱管用雙接頭聚乙烯彎管連接；當樁埋管為W形時，全部用鋼管替代實心鋼筋，鋼管內(nèi)的傳熱管用一端雙接頭、一端三接頭的聚乙烯彎管連接；傳熱管的上部設置開關，控制傳熱管內(nèi)的傳熱液體的流量、流速以及流動方向等，其結構布置示意圖如圖1所示。

圖中：1為混凝土樁，2為鋼管主筋，3為傳熱管，4為箍筋，

5為傳熱管彎形接頭，6為混凝土樁帽，7為樁帽構造鋼筋網(wǎng)，

8為三通管接頭，9為實心鋼筋主筋，10為開關。

圖1 新型能量樁傳熱系統(tǒng)布置示意圖

一種地源熱泵灌注樁鋼筋籠內(nèi)埋管的施工方法，包括以下技術步驟：

（1）探明擬打設樁基礎和埋設地源熱泵地下傳熱管的地層情況，包括施工范圍內(nèi)土層分布及力學特性、土層熱能儲存量等地層熱特性等，設計樁埋管形式、樁埋管深度以及鋼管直徑、傳熱管直徑等參數(shù)；

（2）根據(jù)設計要求，制作鋼筋籠，并在鋼筋籠鋼管中預埋傳熱管；

（3）將傳熱管的下端通過傳熱管接頭連接，并進行通水測試整體傳熱管的密封性；

（4）平整場地、測量放線，確定樁基礎施工位置，樁基定位偏差不超過1%；

（5）開始鉆孔沉管或者泥漿護壁沉孔，續(xù)而，下放帶傳熱管的鋼筋籠至設計深度；

（6）澆注混凝土完成灌注樁樁身施工，然后，在樁頭上面布置樁帽構造鋼筋網(wǎng)，并與灌注樁樁身的鋼筋籠主筋綁扎連接；

（7）澆注混凝土樁帽，完成單根地源熱泵灌注樁鋼筋籠內(nèi)埋管的能量樁的施工；

（8）重復（2）-（7）步驟，完成其它地源熱泵灌注樁鋼筋籠內(nèi)埋管的能量樁的施工，并將傳熱管匯集連接在轉(zhuǎn)換器上，與設置在上部建筑物內(nèi)的空調(diào)傳熱系統(tǒng)連接；最后完成地源熱泵灌注樁鋼筋籠內(nèi)埋管的整體施工。

4、結論

本文在總結了近年來國內(nèi)外能量樁技術的研究進展與存在的一些主要問題的基礎上，提出一種新型能量樁技術及其施工工藝為能量樁技術。

利用鋼管替代實心鋼筋作為灌注樁鋼筋籠主筋，將傳熱管埋設在鋼管內(nèi)，從而解決傳熱管與鋼筋籠綁扎埋設造成的相互干擾、鋼筋腐蝕、以及影響樁基整體承載力等問題。與傳統(tǒng)傳熱管與鋼筋籠綁扎埋管方式相比，該技術提出的一種地源熱泵灌注樁鋼筋籠內(nèi)埋管的施工方法，埋管存活率更高，鋼筋籠周圍混凝土密實度高，可以確保傳熱管埋設不降低樁基整體承載力；與傳統(tǒng)鉆孔埋管方式相比，該技術使樁基礎施工和傳熱管埋設施工有機結合在一起，大大縮短了施工工期、節(jié)約了地下空間和工程造價。