第十一届全国桩基工程学会会议资料 3能量桩技术及其工程应用研究进展

'刘汉龙，孔纲强，吴宏伟能量桩技术及其工程应用研究进展河海大学土木与交通学院第11届全国桩基工程学术会议—江苏宜兴,2013.10.16 目录一、研究背景及意义二、地源热泵技术概况三、能量桩的技术与应用四、PCC能量桩技术开发五、结语37-2 一、研究背景及意义中国目前的能源结构以煤炭为主；发展节能减排的新能源技术是我国及世界各国追求的重要发展方向。图1近3年各能源消耗比重各能源消耗比重图22015年各能源消耗比重112-3 一、研究背景及意义随着人民生活水平的提高，公共建筑和住宅的供热和空调系统已成为普遍的需求，而该部分能耗可占到社会总能耗的25%～30%。从降低运行费用、节省能源、减少排放CO2排放量来看,地源热泵技术是一个不错的选择。图3能源消耗分布图112-4 二、地源热泵技术概况2.1地源热泵技术简介地源热泵技术，是利用地下的土壤、地表水、地下水温相对稳定的特性，通过消耗电能，在冬天把低位热源中的热量转移到需要供热或加温的地方，在夏天还可以将室内的余热转移到低位热源中，达到降温或制冷的目的。室外地能换热系统水源热泵建筑物采暖或空调末端水循环水或空气循环图4地源热泵能量转换原理112-5 二、地源热泵技术概况2.1地源热泵技术简介地源热泵技术，比传统锅炉技术节省70%以上的能源和40%-60%的运行费用；在制冷时，地热泵技术要比普通空调节能40%-50%，运行费用降低40%以上。112-6 二、地源热泵技术概况2.2地源热泵系统的分类地表水地源热泵地埋管地源热泵地下水地源热泵地源热泵图5地埋管地源热泵系统112-7 二、地源热泵技术概况2.3地埋管地源热泵系统地埋管地源热泵系统也称地下耦合热泵系统（Ground-coupleheatpumpsGCHPs）或土壤热交换器地源热泵（Groundheatexchangerheatpumps），包括一个土壤耦合地热交换器，它或是水平地安装在地沟中，或是以Ｕ形管状垂直安装在竖井之中。通过中间介质（通常为水或者是加入防冻剂的水）作为热载体，使中间介质在土壤耦合地热交换器的封闭环路中循环流动，从而实现与大地土壤进行热交换的目的。112-8 二、地源热泵技术概况2.3.1水平埋管地源热泵系统(a)水平埋管地源热泵系统（b）串联式水平埋管(c)并联式水平埋管图6水平埋管形式112-9 二、地源热泵技术概况2.3.2垂直埋管地源热泵系统图7垂直埋管地源热泵系统:（a）换热器并管路直接接入机房；（b）换热器并管路汇集到集水器(a)(b)112-10 三、能量桩的技术与应用3.1能量桩开发背景竖直U型埋管地源热泵在我国得到了极大的发展，现在已经是成熟的技术；但是我们应该正视地埋管地源热泵技术所面临的问题。地源热泵空调系统通常需要足够大的室外面积来设置地埋管换热器，这成为制约地源热泵空调系统在建筑容积率大的场合推广应用的主要障碍。同时，与传统空调系统相比，较高的钻孔费用也在一定程度上降低了地源热泵空调系统的经济适用性。为突破竖直钻孔埋管的地源热泵系统的这些障碍，函需找到一种新的可替代钻孔埋管的地热换热器。如果在建筑物建造时，直接将地源热泵系统地埋管换热器的塑料换热管埋设在建筑物的混凝土桩基中，使其与建筑结构相结合，这样就成为一种新型的地埋管换热器，称为桩基埋管地热换热器，也称作能量桩。112-11 三、能量桩的技术与应用3.2能量桩工作原理图8能量桩工作原理112-12 三、能量桩的技术与应用3.2能量桩工作原理图9桩埋管形式示意图112-13 三、能量桩的技术与应用3.3能量桩的优势与传统的竖向钻孔埋管技术方案相比，桩埋管式能量桩系统具有如下几点技术经济性特点：（1）传统地源热泵，在钻孔中埋设埋管换热器，需要经过钻孔、埋设以及回填等施工工艺；钻孔施工费用高、施工工序多造成施工工期延长。能量桩系统，采用桩基埋管形式而不需要单独钻门钻孔，比竖直埋管形式换热系统节省约40%-70%的费用。（2）能量桩系统中传热管被浇注在桩体内部，回填材料可理解为混凝土，密实性好；较竖直埋管形式有较好的传热性能，从而在等量热传递情况下可以减少埋管的长度。（3）桩基埋管直接埋设在构建物的下面，节省用地面积，且施工进度较一般的竖直埋管形式要快。但是，由于传热管下端弯曲要求，桩埋式管不太适用于小直径桩。112-14 三、能量桩的技术与应用3.4能量桩的研究现状（1）能量桩的热传递特性研究能量桩的能量传输过程是一个复杂的热传递过程。1994年日本的Morino首先在钢管桩基中埋设管状换热器并提出桩埋管换热器的概念，基于有限差分法对桩基内两个竖直U型埋管换热器的传热特性进行了数值分析，并进行了试验研究。基于数值分析方法，对慕尼黑机场大楼的500多根桩中设计的U型埋管换热器进行模拟分析（Pahudetal.,1996）；对桩埋管的施工工艺和现场热交换温度场进行了分析（Lalouietal.,2006）。在总结能量桩技术的基础上，针对摩擦型桩地能转换效率，及其建筑物的冷热负荷进行长期观测试验；研究结果表明，桩埋管换热器的效率较高（Yasuhiroetal.,2007；Sekineetal.,2007）。2009年张文克等提出了一种适合于桩基螺旋埋管的传热模型，并给出了一维实心圆柱面热源传递模型的解析解；通过搭建的实验平台，对数值模型和解析模型进行验证分析。112-15 三、能量桩的技术与应用3.4能量桩的研究现状（2）能量桩的力学特性研究由于热能的传递，使地基内部温度场发生变化，从而改变桩周土体的性质，桩身混凝土产生温度应力，最终影响桩-土荷载传递规律。相关学者开展了温度对土体性质影响的三轴试验研究，得到了摩擦角、孔隙比和前期固结压力等受温度的影响特性，提出了一种各向同性的黏土热力学模型；并对热传递过程中能量桩的应力变化进行了研究分析（Cekerevac&Laloui2004）。对于各种建筑下的桩基础，桩体受到上部荷载作用，使桩、地基中产生应力场和位移场，而热交换过程中应力场和位移场会因温度场的变化而改变，同时，土体在附加应力的作用下会产生固结，使土体中的孔隙水排水，桩-土系统产生沉降，因此，能量桩的工作过程是一个应力场-位移场-温度场-渗流场-时间场相互耦合的问题，是一个复杂的热、力学过程。112-16 三、能量桩的技术与应用3.4能量桩的研究现状（3）能量桩的桩型及传热管型式研究能量桩的桩型目前国内外采用的主要型式有：灌注桩、预制桩、钢桩、以及搅拌桩等。相关研究表明，钢筋混凝土桩具有较大的热量存储能力和较好的热传输性能，因此在全世界范围内应用最广；预制桩由于在桩运输、打入过程中可能会对传热系统造成损坏，因此应用相对较少；钢桩具有很好的热传导性能，因此在地热能利用方面具有较大的优势，对于钢管桩，可以直接通过液体的循环或采用导热管道两种方式进行热传递，但钢管桩本身的造价很高，在建筑工程中应用不多。此外，还有将传热管埋设在搅拌桩、浆固碎石桩中进行热交换的形式，水泥浆体能在一定程度上起到保护热交换管的作用，但这种桩型的热传导效率不如钢筋混凝土桩高。为了增加这种低强度水泥土桩的热传导性能，有学者考虑在桩体中掺入砂、石英等成分，使这种桩型的热传导差的缺点得到克服，对于上部承载力要求不高的情况下，利用水泥土桩作为地热能源利用的方式具有更大的优势。112-17 三、能量桩的技术与应用3.4能量桩的研究现状（4）能量桩的导热管和导热液体研究传统传热管的材料一般采用高密度的聚乙烯，但过去也使用PVC管作为导热管。用这种材料时，导热管埋设混凝土时需要在管道内部施加压力，以抵消为凝固混凝土的压力，防止管道产生变形，压力要维持到混凝土凝固硬化，因此这种材料的施工比较复杂，发展到后来逐渐使用金属材料作为导热管，使施工更加方便。由于水价格低，无污染，因此能量桩一般采用水作为导热流体，但水在严冬季节或在寒冷的北方容易结冰，结冰后体积膨胀容易造成管道破裂，因此在低温环境下需要水中加入各种防冻液，例如可加入盐、乙醇、卤水、乙酸甲、甲醇等物质。112-18 三、能量桩的技术与应用3.5能量桩在国外的应用（1）位于奥地利（BadSchallerbach,Austria）的某康复中心建筑基础，建成于1995年，其建筑物荷载在500-900kN之间，采用桩筏基础支撑；143根钻孔灌注桩中埋设了传热管，灌注桩的桩长为9m、桩径为1.2m，桩基础所处的地层条件为含砂黏质粉土。（2）位于瑞士洛桑（Lausanne,Switzerland）的瑞士联邦技术研究所某栋建筑，其建筑面积3000m2，建筑基础采用了97根桩长为25m、桩径为0.88m的钻孔灌注桩，将单U型传热管绑扎在钢筋笼上，埋设在钻孔灌注桩内。所处的地质情况从地表向下依次为冲积土、级配良好砂砾层、以及砾石层等，地下水位位于地表面处。112-19 三、能量桩的技术与应用3.5能量桩在国外的应用（3）位于奥地利（BadSchallerbach,Austria）的某康复中心建筑基础，建成于1995年，其建筑物荷载在500-900kN之间，采用桩筏基础支撑；143根钻孔灌注桩中埋设了传热管，灌注桩的桩长为9m、桩径为1.2m，桩基础所处的地层条件为含砂黏质粉土[19]。（4）位于日本北海道札晃（Sapporo）某办公与住宅建筑，其建筑面积92.7m2。建筑基础采用了预应力管桩、木桩、以及钢管桩，对26根预应力管桩桩端密封，并在管空心中埋设传热管。预应力管桩的桩长9m，外径302mm、内径232mm，桩间距在1.2–1.5m之间。112-20 三、能量桩的技术与应用3.5能量桩在国外的应用（5）建成于1999年的200m高德国法兰克福主塔大厦（FrankfurtMainTower）30×50m2的基础，采用112根桩长为30m、桩径1.5m的钻孔灌注桩支撑，钻孔灌注桩中埋设了传热管。具体施工现场图片见下。112-21 三、能量桩的技术与应用3.5能量桩在国外的应用建筑高度198米，地面57层，地下5层，总建筑负荷为1900MN。图10德国法兰克福某建筑112-22 三、能量桩的技术与应用图11桩的平面布置图112-23 三、能量桩的技术与应用图12热管布置图112-24 三、能量桩的技术与应用图13系统在冬天的供热过程112-25 三、能量桩的技术与应用图14现场施工图112-26 三、能量桩的技术与应用3.6能量桩在国内的应用（1）浙江省温州市双井头小区会所浙江省温州市双井头小区会所，建筑面积2000m2，所处的地质条件为第四代滨海相淤泥质软土，地质情况从地表向下依次为杂填土层、淤泥、淤泥质黏土、粉质黏土、圆砾层、黏土等，其中淤泥层厚度达20m左右。建筑基础采用钻孔灌注桩；在92根工程桩中的72根桩中埋设了传热管，为了综合考虑换热需求，在建筑北侧的空地处打设了20口深度为100m的换热井，以提高换热功率。为了研究钻孔灌注桩在温州地区该地层的传热效果，相关研究人员针对46m埋深的单U型管、46m埋深的双U型管、63m埋深的单U型管桩埋管，以及70m埋深的单U型普通砂石回填井埋管进行对比现场试验研究。研究结果表明，桩埋管换热器平均导热系数是井埋管的2倍多，双U型桩埋管比单U型桩埋管约提高了15%；桩埋管换单位管长换热量比井埋管提高了约58%，双U型桩埋管的单位管长换热量比单U型桩埋管约降低了22%。112-27 三、能量桩的技术与应用3.6能量桩在国内的应用（2）南京朗诗国际街区南京朗诗国际街区，总建筑面积91557.18m2，地上建筑面积为68115.62m2，位于南京市庐山路与河西大街路口的东南角，其中一期工程由六幢住宅组成，地下一层。1#、3#、4#楼地面以上十八层，局部七层，总高54.60米。2#、5#、6#楼地面以上七层，总高度为21.6m，总建筑面积约10万m2，基坑占地面积约2.5万m2。地源热泵系统是朗诗国际街区采用的最主要的节能技术；由于该项技术的应用，使项目整体能耗节省达到40%以上。项目内1200根桩基础中埋设了U型或W型传热管，桩长约为30m；为了综合考虑换热需求，在建筑物的外围空地处打设了302口深度为60m、间距为5m的换热井，以提高换热功率。112-28 三、能量桩的技术与应用3.6能量桩在国内的应用（3）上海世博会城市最佳实践区汉堡馆2010年上海世博会城市最佳实践区北部区块，建筑面积3113m2，建筑高度18m，地上5层，地下1层。所处的地质条件为上海黄浦江沿岸，地下水位高，土壤湿度大，土质的传热、蓄热性好。建筑基础采用钻孔灌注桩；在43根工程桩中埋设了3U型传热管，灌注桩的桩长约为30m，直径600mm。另外，能量桩（即桩埋管地源热泵）技术，在我国天津市梅江综合办公楼、同济大学旭日楼（钻孔灌注桩，桩长28m）、天津市塘沽凯华商业广场、以及吴江中达电子营建处办公楼等项目中也得到应用。112-29 P3四、PCC能量桩技术开发4.1PCC桩简介PCC桩，即现浇混凝土大直径管桩，英文全称：LargeDiameterPipePilebyusingCast-in-placeConcrete，简写为PCC桩。图15PCC桩与实心混凝土桩112-30 市政港口公路铁路四、PCC能量桩技术开发4.2PCC桩的应用图16PCC桩应用范围112-31 四、PCC能量桩技术开发4.3PCC能量桩特点图17PCC能量桩示意图112-32 四、PCC能量桩技术开发4.3PCC能量桩特点PCC能量桩热交换器PCC桩PCC能量桩的热传递特性不同于传统的能量桩，PCC桩的直径较大，其侧表面积大，因此桩体本身的吸热和传热能力优于传统桩型。PCC桩内部空腔较大，内部空腔的埋管方式和导热液体的充填都不同于传统能量桩。112-33 四、PCC能量桩技术开发4.4PCC能量桩研究前景PCC桩本身就是一种经济高效（节能减排）的优质桩型，基于PCC桩新型桩基技术研发技术合理、经济高效的PCC能量桩成套技术，将PCC桩与地热能采集技术这两种节能减排技术的优点结合，形成一种更为经济高效的新型节能减排技术。建立PCC能量桩-土-导热液体-导热管的能量热传递理论模型和设计计算理论，是主攻关键。建立考虑冷、热能量传递及土体温度场影响的新型PCC能量桩承载力和沉降计算方法，是另一个主攻关键。112-34 五、结语能源地下工程在房屋节能中具有巨大的发展潜力和广泛的应用前景。由于能量桩是基础工程，只能在建筑基础阶段实施，因此，应抓住时机尽快在我国新建地下工程中推广使用该项节能技术，以避免我国在地下工程大发展时期痛失利用这一技术的良机。当然，任何一项新技术的应用，一定会存在其新的问题或新的挑战，在实际设计和施工中，需要通过不断地摸索，攻克一个个难关，终将获得能源地下工程的成熟和发展。112-35 致谢国家自然科学基金面上项目：PCC能量桩热、力学工程特性及桩-土荷载传递机理研究（No.51378178），起止时间：2014.1-2017.12。112-36 谢谢请批评指正！孔纲强,河海大学土木与交通学院Email:gqkong1@163.com112-37'