新型能量樁技術(shù)開發(fā)初探

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1、引言

地源熱泵技術(shù)是利用地下的土壤、地表水、地下水溫相對(duì)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(dá)到降溫或制冷的目的。地源熱泵技術(shù)比傳統(tǒng)鍋爐技術(shù)節(jié)省70%以上的能源和40%～60%的運(yùn)行費(fèi)用；在制冷時(shí)，地?zé)岜眉夹g(shù)要比普通空調(diào)節(jié)能40%～50%，運(yùn)行費(fèi)用降低40%以上。

能量樁是一種樁埋管形式地源熱泵技術(shù)與傳統(tǒng)樁基礎(chǔ)相結(jié)合的經(jīng)濟(jì)、高效、節(jié)能減排的新技術(shù)。通過在樁基礎(chǔ)中埋設(shè)各種形狀的換熱器裝置，進(jìn)行淺層低溫地?zé)崮苻D(zhuǎn)換，在滿足常規(guī)樁基力學(xué)功能的同時(shí)還能通過樁體實(shí)現(xiàn)與淺層地能的熱交換，起到樁基和地源熱泵預(yù)成孔直接敷設(shè)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(kuò)建工程對(duì)地下?lián)Q熱器的損壞?；炷粱蛘咪摬牧系臉扼w作為傳熱管的回填材料，密實(shí)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(shí)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(jìn)展與存在的主要問題

2.1、研究進(jìn)展

在現(xiàn)場試驗(yàn)方面，相關(guān)研究人員開展了灌注樁、預(yù)制樁以及鋼管樁中埋設(shè)換熱管的現(xiàn)場靜載荷試驗(yàn)研究，并測得現(xiàn)場數(shù)據(jù)，為分析能量樁熱力學(xué)特性和傳遞機(jī)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(guān)學(xué)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(shí)心圓柱面熱源傳遞模型的解析解；通過搭建的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，對(duì)數(shù)值模型和解析模型進(jìn)行驗(yàn)證分析。

與其他樁型相比，預(yù)制樁由于在樁運(yùn)輸、打入過程中可能會(huì)對(duì)傳熱系統(tǒng)造成損壞，因此應(yīng)用相對(duì)較少；鋼樁具有很好的熱傳導(dǎo)性能，但是鋼管樁本身的造價(jià)很高，在建筑工程中應(yīng)用不多；鋼筋混凝土樁具有較大的熱量存儲(chǔ)能力和較好的熱傳輸性能，因此在全世界范圍內(nèi)應(yīng)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(shè)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(shí)，在傳熱管道孔洞處容易產(chǎn)生應(yīng)力集中，影響樁基的受力，且管道埋設(shè)于混凝土中，不能檢修、維護(hù)和回收利用。灌注樁中在鋼筋籠上綁扎傳熱管的埋設(shè)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(fēng)險(xiǎn)，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(chǔ)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(shù)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(shí)，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(shí)過程中存活率低等技術(shù)問題，開發(fā)一種施工干擾小、技術(shù)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(shè)對(duì)減少樁基整體承載力影響等技術(shù)難題[9]。

由鋼管替代傳統(tǒng)的實(shí)心鋼筋作為鋼筋籠主筋，傳熱管埋設(shè)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(shè)在鋼管內(nèi)，鋼管替代傳統(tǒng)實(shí)心鋼筋作為鋼筋籠主筋；當(dāng)樁埋管為單U形時(shí)，聯(lián)合鋼管和實(shí)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(dāng)樁埋管為雙U形時(shí)，全部用鋼管替代實(shí)心鋼筋，鋼管內(nèi)的傳熱管用雙接頭聚乙烯彎管連接；當(dāng)樁埋管為W形時(shí)，全部用鋼管替代實(shí)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(shè)置開關(guān)，控制傳熱管內(nèi)的傳熱液體的流量、流速以及流動(dòng)方向等，其結(jié)構(gòu)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(gòu)造鋼筋網(wǎng)，

8為三通管接頭，9為實(shí)心鋼筋主筋，10為開關(guān)。

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(shù)步驟：

（1）探明擬打設(shè)樁基礎(chǔ)和埋設(shè)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(xué)特性、土層熱能儲(chǔ)存量等地層熱特性等，設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)要求，制作鋼筋籠，并在鋼筋籠鋼管中預(yù)埋傳熱管；

（3）將傳熱管的下端通過傳熱管接頭連接，并進(jìn)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(chǔ)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(hù)壁沉孔，續(xù)而，下放帶傳熱管的鋼筋籠至設(shè)計(jì)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(gòu)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(fù)（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(shè)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(jié)論

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

利用鋼管替代實(shí)心鋼筋作為灌注樁鋼筋籠主筋，將傳熱管埋設(shè)在鋼管內(nèi)，從而解決傳熱管與鋼筋籠綁扎埋設(shè)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(shù)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(shí)度高，可以確保傳熱管埋設(shè)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(shù)使樁基礎(chǔ)施工和傳熱管埋設(shè)施工有機(jī)結(jié)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(jià)。